充气压力容器超高速撞击损伤破坏机理研究

Gas-filled pressure vessels usually work in spacecraft as important components. A gas-filled pressure vessel might be cratered, perforated, teared or might even break up under hypervelocity impacts of space debris. These damage properties vary significantly with different parameters of impacting and vessels. It is necessary to investigate the damage mechanism for understanding the complex phenomena and the underlying rules. .This project topic is on the research of influence factors and responding mechanism of the damage of gas-filled pressure vessel, impacted by space debris at hypervelocity. Normal hypervelocity impacts of spherical and cylindrical metallic gas-filled pressure vessels with aluminum spheres will be analyzed in experiments, numerical simulations and theoretical discussions. The analysis is focused on debris clouds, shock waves in gas, and stress waves in vessel walls produced by hypervelocity impacts. They include the laws of the initial properties of debris clouds, the interaction of debris clouds with gas in vessels, the composition and propagation behaviors of shock waves in gas in vessels, and the stress waves propagating in the vessel walls and interfering in the rear parts of vessel walls..Results could be a theoretical foundation of the pressure vessel damage under different conditions, could provide protection design for pressure vessel structure on spacecraft, and could be a useful supplement on the research of hypervelocity impact dynamics.

充气压力容器是航天器的重要部件，在空间碎片超高速撞击下，会产生成坑、穿孔、撕裂，甚至完全解体等损伤破坏，并且损伤破坏特性在不同撞击条件与压力容器参数下差异很大，研究其损伤破坏机理将有助于理解这类复杂物理现象及其规律。.本项目针对空间碎片超高速撞击充气压力容器问题，以铝合金球形弹丸超高速正撞击球形及圆柱形金属压力容器为研究对象，利用实验、数值模拟和理论分析相结合的技术手段，对压力容器损伤破坏的影响因素及相应机理开展研究，主要包括：碎片云的初始特性、碎片云与气体介质的相互作用与运动特性、压力容器内部气体冲击波的构成与运动规律、应力波在压力容器壁中的运动规律及其在容器后壁的干涉行为。.研究成果能够为进一步分析更多因素影响下的压力容器损伤奠定理论基础，为航天器充气压力容器结构与航天器防护设计提供参考，对超高速撞击动力学研究也是一个有益补充。

压力容器是国际组织IADC航天器空间碎片超高速撞击易损性分析的重点关注部组件之一。主要研究工作如下：.实现密闭充气压力容器内二次碎片云和气体冲击波运动学参数的试验测量。提出采用以试验测试为基础开展充气压力容器致损效应的研究方案。研制了压力容器模拟装置，通过透射窗实现二次碎片云运动演化特性的X射线拍摄，通过内置观察板实现二次碎片云对后壁致损效应的试验测量，通过内置PVDF压电传感器实现对气体冲击波参数测量和其与二次碎片云运动学关系的试验观测。.获取二次碎片云在内充气体介质中的产生、运动演化及其致损特性。在弹速等撞击参数和容器壁厚等结构参数保持不变的前提下，内充气体压力增高对二次碎片云的初始形态和速度没有影响，但是对二次碎片云运动速度衰减和形态扩展的阻碍作用增强，因而二次碎片云对观察板成坑或穿孔的致损能力减弱；观察板的损毁程度和范围随弹丸速度的增加呈现先加剧再减弱再加剧的特性。.获取气体冲击波的传播演化及其致损特性。气体冲击波紧邻二次碎片云并位于其前端，其强度随着内充气体压力增高和弹速增加而增大，气体冲击波对后壁的致损效应与二次碎片云撞击成坑或穿孔具有较明显的分散性分布不同，可能在局部区域呈现塑性鼓包等连续性损毁模式。.球形充气压力容器损毁效应研究。内充气体压力增加对球形压力容器前壁穿孔具有扩孔作用，但是由于二次碎片云运动速度衰减效应增强，对后壁成坑或穿孔等致损效应减弱，与此同时也提高了产生撕裂损毁模式的风险；器壁应力波传播速度仅与器壁材料相关，沿器壁传播路径应力波幅值呈现先“扩散”后“汇聚”的演化规律；各次生力学环境到达后壁的时序特性决定了其对后壁致损的过程，也影响着充气压力容器的损毁模式。.研究成果可以为航天器压力容器类部件被撞击后的生存力评估及其压力容器设计参数选择与防护方案设计等工程应用提供理论依据和技术手段。同时，对进一步改进解体模型进而完善空间碎片环境工程模型也具有一定的参考价值。