AUTODYN | Whipple结构超高速撞击

01 背景

空间碎片，是指人类空间活动的产物。包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间的碰撞产生的碎块等，是空间环境的主要污染源。自从1957年苏联人造卫星发射以来，美国监测网络NORAD监测和编目了大约20000个左右直径大于10cm的空间碎片。现在，大约还有7500个碎片处于地球轨道中，主要在低地球轨道中(1995年数量为5747)。

针对空间碎片防护问题，有效的手段是在航天器重要部位布置whipple结构。空间碎片高速撞击Whipple结构防护屏后发生破碎，形成不断膨胀的碎片云结构，分散了碎片能量，进而起到航天器舱壁防护效果。whipple结构防护性能的研究主要有超高速撞击试验和数值模拟。试验研究主要采用二级轻气炮开展超高速撞击试验，成本较高；数值模拟主要采用SPH方法，不仅能够弥补试验的不足，且并能描述撞击过程波系的传播、材料的破碎和碎片云的膨胀，是超高速撞击研究中重要的研究手段，代表性的有限元软件有AUTODYN和LS-DYNA。

02数值计算模型

参照公开文献中超高速撞击试验建立AUTODYN数值计算模型。采用SPH算法，粒子大小为0.01mm；弹丸材质为2024-T4，直径D=5.25mm，撞击速度为5000m/s。

图 1 超高速撞击数值计算模型

超高速撞击中，涉及到了材料的相变。因此采用能够描述物质凝聚态和膨胀态的Tilloston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型描述高温高压下材料的动态力学性能。具体的材料参数见表 1和表 2。

表1 Tilloston状态方程

表2 Steinberg-Guinan本构模型参数

03结果对比

结合文献中的试验数据，分别对铝合金结构和复合结构进行超高速撞击模拟，结果对比如图 2、图 3。数值计算能够准确反映出碎片云的基本特征和防护屏穿孔形貌。表 3为特征参数对比结果，数值计算和试验结果的误差绝对值在10%以内。

图 2 相同工况下碎片云几何尺寸对比

图 3 防护屏穿孔形貌对比

表3 特征参数试验与数值计算对比

小结

• 采用SPH算法研究弹丸超高速撞击，弹丸和靶板的SPH粒子大小尽量保持一致，并且SPH粒子尺寸尽量细化，才能准确的模拟出碎片云的几何形貌特征和尺寸参数；

• AUTODYN和LS-DYNA两种软件均能模拟超高速撞击，但是AUTODYN自带碎片识别功能，为后续碎片云参数分析带来极大的方便。