AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊

2022年8月19日 15:09
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01 背景

空間碎片，是指人類空間活動的產物。包括完成任務的火箭箭體和衛星本體、火箭的噴射物、在執行航天任務過程中的拋棄物、空間物體之間的碰撞產生的碎塊等，是空間環境的主要污染源。自從1957年蘇聯人造衛星發射以來，美國監測網絡NORAD監測和編目了大約20000個左右直徑大于10cm的空間碎片。現在，大約還有7500個碎片處于地球軌道中，主要在低地球軌道中(1995年數量為5747)。

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖1

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖2

針對空間碎片防護問題，有效的手段是在航天器重要部位布置whipple結構。空間碎片高速撞擊Whipple結構防護屏后發生破碎，形成不斷膨脹的碎片云結構，分散了碎片能量，進而起到航天器艙壁防護效果。whipple結構防護性能的研究主要有超高速撞擊試驗和數值模擬。試驗研究主要采用二級輕氣炮開展超高速撞擊試驗，成本較高；數值模擬主要采用SPH方法，不僅能夠彌補試驗的不足，且并能描述撞擊過程波系的傳播、材料的破碎和碎片云的膨脹，是超高速撞擊研究中重要的研究手段，代表性的有限元軟件有AUTODYN和LS-DYNA。


AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖3



02數值計算模型


參照公開文獻中超高速撞擊試驗建立AUTODYN數值計算模型。采用SPH算法，粒子大小為0.01mm；彈丸材質為2024-T4，直徑D=5.25mm，撞擊速度為5000m/s。

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖4

圖 1 超高速撞擊數值計算模型

超高速撞擊中，涉及到了材料的相變。因此采用能夠描述物質凝聚態和膨脹態的Tilloston狀態方程和Steinberg-Guinan本構模型描述高溫高壓下材料的動態力學性能。具體的材料參數見表 1和表 2。

表1 Tilloston狀態方程

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖5

表2 Steinberg-Guinan本構模型參數

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖6

03結果對比

結合文獻中的試驗數據，分別對鋁合金結構和復合結構進行超高速撞擊模擬，結果對比如圖 2、圖 3。數值計算能夠準確反映出碎片云的基本特征和防護屏穿孔形貌。表 3為特征參數對比結果，數值計算和試驗結果的誤差絕對值在10%以內。

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖7

圖 2 相同工況下碎片云幾何尺寸對比

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖8

圖 3 防護屏穿孔形貌對比

表3 特征參數試驗與數值計算對比

AUTODYN | Whipple結構超高速撞擊的圖9

小結

  • 采用SPH算法研究彈丸超高速撞擊，彈丸和靶板的SPH粒子大小盡量保持一致，并且SPH粒子尺寸盡量細化，才能準確的模擬出碎片云的幾何形貌特征和尺寸參數；

  • AUTODYN和LS-DYNA兩種軟件均能模擬超高速撞擊，但是AUTODYN自帶碎片識別功能，為后續碎片云參數分析帶來極大的方便。


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