本發(fā)明屬于新材料和航天飛行器防護(hù)領(lǐng)域，涉及一種仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏的設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)前世界各國(guó)越來(lái)越多的人造衛(wèi)星或者航天器被發(fā)射到太空，各種運(yùn)載工具所產(chǎn)生的噴射物、拋棄物、飛行器之間相互撞擊以及其他各種金屬和隕石碎片等太空垃圾又被留在衛(wèi)星軌道上，這些在太空高速飛行的垃圾稱為空間碎片(space?debris)或軌道碎片(orbital?debris)。絕大部分空間碎片處于高度低于2000公里的近地軌道，飛行速度在5000m/s以上。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)分析，目前太空在軌大于10cm的碎片數(shù)量約為34000個(gè)，1cm至10cm的碎片數(shù)量約為90萬(wàn)，1mm至1cm的碎片數(shù)量超過(guò)1.2億，對(duì)于1cm以下的碎片主要采用whipple屏防護(hù)。當(dāng)太空中高速飛行的碎片撞擊航天器表面時(shí)，首先擊中的是whipple屏，在超高速碎片沖擊下在whipple屏接觸碰撞區(qū)后面形成碎片云，從而使碎片的沖擊能量分散達(dá)到保護(hù)航天器艙壁的目的。

2、1947年，美國(guó)哈佛大學(xué)天體物理學(xué)教授whipple提出了在與航天器艙壁間隔一定距離處安裝單層鋁防護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠讓超高速?gòu)椡杵扑樾纬伤槠?，從而降低?duì)航天器艙壁的損傷。為了有效攔截破碎超高速?gòu)椡韬吞岣吆教炱髋摫诜雷o(hù)性能，各種復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的whipple防護(hù)屏相繼出現(xiàn)，主要有填充結(jié)構(gòu)“湯靖師等人發(fā)表的空間碎片問(wèn)題的起源、現(xiàn)狀和發(fā)展”、多層復(fù)合結(jié)構(gòu)“schonberg?wp，walker?e?j.use?of?composite?materials?inmulti?wall?structures?to?prevent?perforation?by?hypervelocity?particleimpact”、夾芯板三明治結(jié)構(gòu)“王巍等人發(fā)表的柔性多層沖擊空間碎片防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)”、波紋板緩沖結(jié)構(gòu)“zhang?x?t，wang?r?q，liu?j?x，et?al.a?numerical?method?forthe?ballistic?performance?prediction?of?the?sandwiched?open?cell?aluminumfoam?under?hypervelocity?impact”和柔性結(jié)構(gòu)“苗常青等發(fā)表的纖維編織材料超高速撞擊特性實(shí)驗(yàn)研究”等。當(dāng)彈丸速度超過(guò)7000m/s時(shí)，為了使彈丸沖擊能量分散和增大防護(hù)屏后面碎片云飛散角度，就需要增加防護(hù)屏數(shù)量以及屏間距，這使得whipple防護(hù)屏重量和設(shè)計(jì)加工成本大大增加。

3、針對(duì)傳統(tǒng)單純鋁板防護(hù)能力不足和復(fù)合結(jié)構(gòu)材料whipple屏重量與成本增加問(wèn)題，本發(fā)明基于沖擊動(dòng)力學(xué)理論和軟件數(shù)值模擬分析對(duì)whipple屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)加工了卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏。在太空中空間站、衛(wèi)星和其他航天器經(jīng)常受到太空超高速碎片沖擊，防護(hù)性能良好的whipple防護(hù)屏是航天器安全工作飛行的重要保障。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的whipple防護(hù)屏包括面板、背板和含水的卵形鋁殼陣列三部分，在太空超高速碎片沖擊作用下發(fā)生塑性大變形并產(chǎn)生碎片云，同時(shí)鋁和水還會(huì)發(fā)生熔化與氣化現(xiàn)象，從而有效地耗散了太空超高速碎片的沖擊能量。與傳統(tǒng)單層鋁板whipple防護(hù)屏相比，當(dāng)卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏受到太空碎片高速?zèng)_擊時(shí)，在垂直方向所產(chǎn)生的碎片云沖擊能量顯著減少，從而降低了太空超高速碎片對(duì)航天器沖擊損傷的程度。為了提高航天飛行器對(duì)太空碎片超高速?zèng)_擊的防護(hù)性能，在不增加防護(hù)屏重量和成本情況下，本發(fā)明提出了一種卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏的設(shè)計(jì)方法，并使用3d打印加工制造了實(shí)物樣本，為保障空間站、衛(wèi)星、飛船和其他航天器安全提供一種新型有效的whipple屏防護(hù)結(jié)構(gòu)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明目的是提供一種卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏設(shè)計(jì)，其用于提升航天飛行器艙壁對(duì)太空碎片超高速碰撞的防護(hù)能力，該防護(hù)屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、高效，適合批量定制生產(chǎn)加工。本發(fā)明提供的whipple防護(hù)屏設(shè)計(jì)技術(shù)是將充滿純水卵形鋁殼超結(jié)構(gòu)陣列夾在兩層1.0mm的鋁板中間，裝備在航天飛行器艙壁的前端，可以有效地降低太空超高速碎片正向沖擊能量，從而達(dá)到保護(hù)航天飛行器艙壁的目的。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案：

3、一種仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏的設(shè)計(jì)方法，步驟如下：

4、(1)蛋殼具有很強(qiáng)的抗壓性能，基于蛋殼的卵圓形平面曲線方程設(shè)計(jì)卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏；蛋殼的卵圓形平面曲線方程：

5、

6、其中，a為長(zhǎng)軸半徑，b為短軸半徑，ξ為蛋形角；

7、卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏包括面板、中間層和背板三層，面板和背板均為厚度0.5～1.0mm、牌號(hào)為6系列的金屬鋁板，中間層為壁厚0.5～1.0mm卵形鋁殼單元陣列，卵形鋁殼單元陣列由卵形鋁殼單胞排列組成；

8、(2)卵形鋁殼單胞按照蛋殼的卵圓形平面曲線方程設(shè)計(jì)，卵形鋁殼單胞長(zhǎng)軸半徑a＝5.0～20.0mm、短軸半徑b＝3～18mm，蛋形角ξ＝5～15°；卵形鋁殼單元陣列由兩層卵形鋁殼單胞交錯(cuò)排列，兩層卵形鋁殼單胞的方向一致，每個(gè)卵形鋁殼單胞的長(zhǎng)軸中間位置預(yù)留1.0～2.0mm注液孔；以粒徑為15～53μm、牌號(hào)為alsi10mg或al6061的鋁合金粉為原材料，采用3d打印技術(shù)加工制備；

9、(3)使用注射針頭通過(guò)注液孔向所有卵形鋁殼單胞內(nèi)注滿純水，然后在卵形鋁殼單元陣列上下兩面復(fù)合面板和背板，使用激光焊與卵形鋁殼單胞連接復(fù)合，并確保卵形鋁殼單胞內(nèi)的水不滲漏，面板和背板平面尺寸與中間層尺寸相同，至此完成仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏的加工制造。

10、本發(fā)明的有益效果：

11、1)卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏設(shè)計(jì)制造方案簡(jiǎn)單，通過(guò)3d打印可完成卵形鋁殼陣列板加工；

12、2)從卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple屏和單純鋁板whipple屏超高速?zèng)_擊仿真結(jié)果可知，前者形成碎片云飛散直徑大于后者碎片云直徑，前者垂直于航天器艙壁碎片云速度要小于后者碎片云速度。因此，應(yīng)用卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏可以有效地降低速度大于5000m/s超高速太空碎片對(duì)衛(wèi)星、太空飛船和空間站艙壁的正向沖擊損傷；

13、3)所設(shè)計(jì)制造的卵形仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏，通過(guò)3d打印加工成本低，加工效率和加工精度高，與采用單純鋁板或其他復(fù)合結(jié)構(gòu)的whipple防護(hù)屏相比，其抗太空碎片超高速?zèng)_擊的性能優(yōu)越。

技術(shù)特征：

1.一種仿生超結(jié)構(gòu)whipple防護(hù)屏的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，步驟如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于新材料和航天飛行器防護(hù)領(lǐng)域，公開了一種仿生超結(jié)構(gòu)Whipple防護(hù)屏的設(shè)計(jì)方法。與傳統(tǒng)單純鋁板或其他復(fù)合結(jié)構(gòu)的Whipple屏相比，當(dāng)空間站、飛船、衛(wèi)星和其他航天器被速度超過(guò)5000m/s的太空碎片高速?zèng)_擊時(shí)，在卵形仿生超結(jié)構(gòu)Whipple屏防護(hù)下可以有效地降低Whipple防護(hù)屏在垂直方向碎片云的沖擊速度和沖擊能量，并使得Whipple屏平行方向碎片云的飛散直徑、動(dòng)能和飛散速度增大，從而保護(hù)和降低太空超高速碎片對(duì)航天器艙壁的正向沖擊損傷。本發(fā)明的卵形仿生超結(jié)構(gòu)Whipple防護(hù)屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單高效，通過(guò)3D打印加工精度和加工效率都比較高，制造成本低廉。

技術(shù)研發(fā)人員：王宇新,毛志超,李曉杰,于成,王小紅,閆鴻浩
受保護(hù)的技術(shù)使用者：大連理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/10