哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
航天发射活动的增加导致空间碎片数量增多，使在轨运行航天器的同一部
位受到空间碎片多次撞击的概率大大增加，因而出现了航天器防护结构遭受空
间碎片撞击造成防护结构损伤后再次受到撞击的损伤、防护及防护性能评估问
题。首次撞击后的防护结构将存在缺陷。另外，航天器部组件在加工制造或者
运输过程中，结构内部也可能产生微裂纹和残余应力等形式的缺陷，缺陷将造
成航天器防护结构抵抗空间碎片高速撞击损伤的防护能力下降。目前，针对航
天器无缺陷防护结构的高速撞击特性研究较为广泛，而对含缺陷防护结构的高
速撞击损伤与防护特性研究相对较少。因此，研究空间碎片高速撞击含缺陷防
护结构的破碎特性问题十分必要。本文以含缺陷损伤的Whipple防护结构铝板
防护屏为研究对象，主要研究如下：
首先，弹丸的破碎特性包括弹丸破碎后的碎片尺寸特性和尺寸分布特性，
为研究缺陷对弹丸破碎特性的影响，需要明确弹丸动态破碎的机理，故本文对
弹丸高速撞击无缺陷铝板的破碎特性进行研究。建立了铝球弹丸以
3.0km/s~7.0km/s的速度撞击无缺铝板的破碎模型，计算得到了弹丸发生完全破
碎时的临界撞击速度。当弹丸的撞击速度??时，弹丸未发生完全破碎，
VV?V
建立中心大碎片质量模型。当V?V?时，弹丸发生完全破碎，建立微小碎片的
平均尺寸模型及尺寸分布模型。
其次，在上述破碎模型的基础上，建立了铝球弹丸撞击含缺铝板的破碎模
型，包括弹丸未完全破碎时的中心大碎片质量模型，弹丸完全破碎时的微小碎
lwd
片平均尺寸模型及尺寸分布模型。定量地研究缺陷的长度、宽度、深度
变化对弹丸破碎特性的影响。
最后，通过虚拟后板的方法研究铝板缺陷的长度l、宽度w、深度d变化对
碎片云能量密度分布的影响。定义虚拟后板上能量密度的特征参量，并以此为
依据，建立了能量密度分布与后板损伤之间的对应关系，包括缺陷特征尺寸变
化对后板损伤程度及损伤区域形状的影响。
本文的研究成果揭示了弹丸与含缺陷铝板相互作用时的破碎机理，同时定
量地分析了缺陷特征尺寸参量对碎片云特性的影响，可为航天器防护结构设计
提供理论上的参考，具有一定的工程应用价值和科学意义。
关键词：空间碎片；含缺陷铝板；破碎模型；碎片云；应力波
-I-
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Theincreaseinspacelaunchactivitieshasledtoanincreaseintheamountof
spacedebris,whichhasgreatlyincreasedtheprobabilityofmultipleimpactsby
spacedebrisinthesamepartofthespacecraftoperatinginorbit,thuscreatingthe
problemofdamagetotheprotectivestructureofthespacecraftafterbeingdamaged
byspacedebrisandthenbeinghitagain,protectionandevaluationofprotective
performance.Theprotectivestructureafterthefirstimpactwillbedefective.In
addition,duringtheprocessing,manufactur