一种仿生超结构Whipple防护屏的设计方法

本发明属于新材料和航天飞行器防护领域，涉及一种仿生超结构whipple防护屏的设计方法。

背景技术：

1、当前世界各国越来越多的人造卫星或者航天器被发射到太空，各种运载工具所产生的喷射物、抛弃物、飞行器之间相互撞击以及其他各种金属和陨石碎片等太空垃圾又被留在卫星轨道上，这些在太空高速飞行的垃圾称为空间碎片(space debris)或轨道碎片(orbital debris)。绝大部分空间碎片处于高度低于2000公里的近地轨道，飞行速度在5000m/s以上。根据有关数据统计和预测分析，目前太空在轨大于10cm的碎片数量约为34000个，1cm至10cm的碎片数量约为90万，1mm至1cm的碎片数量超过1.2亿，对于1cm以下的碎片主要采用whipple屏防护。当太空中高速飞行的碎片撞击航天器表面时，首先击中的是whipple屏，在超高速碎片冲击下在whipple屏接触碰撞区后面形成碎片云，从而使碎片的冲击能量分散达到保护航天器舱壁的目的。

2、1947年，美国哈佛大学天体物理学教授whipple提出了在与航天器舱壁间隔一定距离处安装单层铝防护结构，能够让超高速弹丸破碎形成碎片云，从而降低对航天器舱壁的损伤。为了有效拦截破碎超高速弹丸和提高航天器舱壁防护性能，各种复合结构材料的whipple防护屏相继出现，主要有填充结构“汤靖师等人发表的空间碎片问题的起源、现状和发展”、多层复合结构“schonberg wp，walker e j.use of composite materials inmulti wall structures to prevent perforation by hypervelocity particleimpact”、夹芯板三明治结构“王巍等人发表的柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验”、波纹板缓冲结构“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”和柔性结构“苗常青等发表的纤维编织材料超高速撞击特性实验研究”等。当弹丸速度超过7000m/s时，为了使弹丸冲击能量分散和增大防护屏后面碎片云飞散角度，就需要增加防护屏数量以及屏间距，这使得whipple防护屏重量和设计加工成本大大增加。

3、针对传统单纯铝板防护能力不足和复合结构材料whipple屏重量与成本增加问题，本发明基于冲击动力学理论和软件数值模拟分析对whipple屏结构进行优化，设计加工了卵形仿生超结构whipple防护屏。在太空中空间站、卫星和其他航天器经常受到太空超高速碎片冲击，防护性能良好的whipple防护屏是航天器安全工作飞行的重要保障。本发明所设计的whipple防护屏包括面板、背板和含水的卵形铝壳阵列三部分，在太空超高速碎片冲击作用下发生塑性大变形并产生碎片云，同时铝和水还会发生熔化与气化现象，从而有效地耗散了太空超高速碎片的冲击能量。与传统单层铝板whipple防护屏相比，当卵形仿生超结构whipple防护屏受到太空碎片高速冲击时，在垂直方向所产生的碎片云冲击能量显著减少，从而降低了太空超高速碎片对航天器冲击损伤的程度。为了提高航天飞行器对太空碎片超高速冲击的防护性能，在不增加防护屏重量和成本情况下，本发明提出了一种卵形仿生超结构whipple防护屏的设计方法，并使用3d打印加工制造了实物样本，为保障空间站、卫星、飞船和其他航天器安全提供一种新型有效的whipple屏防护结构。

技术实现思路

1、本发明目的是提供一种卵形仿生超结构whipple防护屏设计，其用于提升航天飞行器舱壁对太空碎片超高速碰撞的防护能力，该防护屏结构设计简单、高效，适合批量定制生产加工。本发明提供的whipple防护屏设计技术是将充满纯水卵形铝壳超结构阵列夹在两层1.0mm的铝板中间，装备在航天飞行器舱壁的前端，可以有效地降低太空超高速碎片正向冲击能量，从而达到保护航天飞行器舱壁的目的。

2、本发明的技术方案：

3、一种仿生超结构whipple防护屏的设计方法，步骤如下：

4、(1)蛋壳具有很强的抗压性能，基于蛋壳的卵圆形平面曲线方程设计卵形仿生超结构whipple防护屏；蛋壳的卵圆形平面曲线方程：

5、

6、其中，a为长轴半径，b为短轴半径，ξ为蛋形角；

7、卵形仿生超结构whipple防护屏包括面板、中间层和背板三层，面板和背板均为厚度0.5～1.0mm、牌号为6系列的金属铝板，中间层为壁厚0.5～1.0mm卵形铝壳单元阵列，卵形铝壳单元阵列由卵形铝壳单胞排列组成；

8、(2)卵形铝壳单胞按照蛋壳的卵圆形平面曲线方程设计，卵形铝壳单胞长轴半径a＝5.0～20.0mm、短轴半径b＝3～18mm，蛋形角ξ＝5～15°；卵形铝壳单元阵列由两层卵形铝壳单胞交错排列，两层卵形铝壳单胞的方向一致，每个卵形铝壳单胞的长轴中间位置预留1.0～2.0mm注液孔；以粒径为15～53μm、牌号为alsi10mg或al6061的铝合金粉为原材料，采用3d打印技术加工制备；

9、(3)使用注射针头通过注液孔向所有卵形铝壳单胞内注满纯水，然后在卵形铝壳单元阵列上下两面复合面板和背板，使用激光焊与卵形铝壳单胞连接复合，并确保卵形铝壳单胞内的水不渗漏，面板和背板平面尺寸与中间层尺寸相同，至此完成仿生超结构whipple防护屏的加工制造。

10、本发明的有益效果：

11、1)卵形仿生超结构whipple防护屏设计制造方案简单，通过3d打印可完成卵形铝壳阵列板加工；

12、2)从卵形仿生超结构whipple屏和单纯铝板whipple屏超高速冲击仿真结果可知，前者形成碎片云飞散直径大于后者碎片云直径，前者垂直于航天器舱壁碎片云速度要小于后者碎片云速度。因此，应用卵形仿生超结构whipple防护屏可以有效地降低速度大于5000m/s超高速太空碎片对卫星、太空飞船和空间站舱壁的正向冲击损伤；

13、3)所设计制造的卵形仿生超结构whipple防护屏，通过3d打印加工成本低，加工效率和加工精度高，与采用单纯铝板或其他复合结构的whipple防护屏相比，其抗太空碎片超高速冲击的性能优越。

技术特征：

1.一种仿生超结构whipple防护屏的设计方法，其特征在于，步骤如下：

技术总结本发明属于新材料和航天飞行器防护领域，公开了一种仿生超结构Whipple防护屏的设计方法。与传统单纯铝板或其他复合结构的Whipple屏相比，当空间站、飞船、卫星和其他航天器被速度超过5000m/s的太空碎片高速冲击时，在卵形仿生超结构Whipple屏防护下可以有效地降低Whipple防护屏在垂直方向碎片云的冲击速度和冲击能量，并使得Whipple屏平行方向碎片云的飞散直径、动能和飞散速度增大，从而保护和降低太空超高速碎片对航天器舱壁的正向冲击损伤。本发明的卵形仿生超结构Whipple防护屏结构设计简单高效，通过3D打印加工精度和加工效率都比较高，制造成本低廉。技术研发人员：王宇新,毛志超,李晓杰,于成,王小红,闫鸿浩受保护的技术使用者：大连理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/10