彭芸, 邓勇军, 刘筱玲, 姚勇, 黄洁

(1. 西南科技大学土木工程与建筑学院, 绵阳 621010;2. 中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞中心, 绵阳 621010)

1 引言

为了更好地提高航天器在空间碎片环境中的生存机率, Whipple 在1947 年提出一种能够显著提升航天器抵御空间碎片撞击能力的防护结构[1]。 该结构是在舱壁外设置一道防护屏来破碎入射物体形成碎片云并使其充分扩散, 从而将单个碎片对舱壁的点撞击转化为碎片云对其的面撞击, 以此来降低对舱壁的损伤。 因此, 碎片云的形貌、 速度、 质量分布等特征直接决定着碎片云对舱壁 (Whipple 防护结构后板, 后统称 “后墙” ) 的侵彻能力, 进而决定在轨航天器的安全可靠性以及指导航天器的防护结构设计。 另一方面, 真实空间碎片(撞击试验中称为“弹丸” )往往不是单一的形状, 存在如球形、 圆柱体(含圆盘形、 长杆形) 或长方体等多种形状。 不同弹丸撞击防护屏(Whipple 防护结构前板, 后统称“薄板” ) 产生的碎片云形状、 碎片大小、 数目及速度分布都不尽相同[2-4], 因此对于评估在轨航天器的安全性能以及指导空间防护工程的设计, 开展弹丸形状效应对超高速撞击产生的碎片云分布特征的影响研究十分重要。

由于超高速碰撞时间极短, 在碰撞过程中产生的碎片云颗粒在形状、 大小、 速度上的分布特征很难通过试验获得。 尤其当撞击速度达到7km/s以上时, 试验要求更高, 数据采集难度更大。 而数值模拟方法对于研究超高速碰撞下碎片云分布特征则优势十分明显[5]。……