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《中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大会论文集(C)》2017年
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含能活性材料防护结构超高速撞击特性及其防护机理研究

武强  张庆明  龙仁荣  龚自正  任思远  郑克勤  薛一江  陆阳予  
【摘要】:以空间碎片防护结构设计为工程应用背景,提出将含能活性材料应用于空间碎片防护结构。以二级轻气炮超高速发射系统为加载手段,结合高速摄像、光学高温计、激光阴影照相等测试设备,进行不同面密度、不同弹丸直径、不同碰撞速度的超高速撞击实验,获得了含能活性材料薄板的穿孔特性,以及防护结构后板损伤特性和弹道极限特性,建立了实验条件下含能活性材料防护屏穿孔直径的无量纲经验公式,拟合得到新型含能活性材料防护结构撞击极限曲线。为了进一步揭示防护机理,基于AUTODYN建立仿真计算模型,并结合实验工况验证计算模型的有效性。在此基础上,对弹丸临界破碎速度、碎片云形貌特征等进行了分析,建立了铝合金弹丸超高速撞击PTFE/Al含能活性材料防护屏的临界破碎速度公式,分析表明含能活性材料冲击条件下的冲击起爆特性增强了其碎片防护能力。当空间碎片与含能材料防护屏发生撞击时,含能材料防护屏首先利用自身的机械力学强度对空间碎片进行一次破碎,在此过程中含能材料防护屏发生爆炸反应,瞬间温度高达3800℃,促进空间碎片的破碎熔化,降低碎片尺寸;同时爆炸反应产生的高温、高压、高速运动的爆炸产物对弹丸碎片产生反向冲量,进一步降低弹丸轴向动能;更重要的是,由于大部分爆炸产物为气相,使得碎片云中的固相颗粒均来自于弹丸,大大降低了碎片云中固相颗粒的数量,而研究表明固相颗粒穿透能力明显大于液相/气相颗粒。含能活性材料防护结构在碰撞和爆炸两种破碎机理的联合作用下,实现对空间碎片的充分破碎、减速,从而大幅提升航天器的防护能力。

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