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1、2013年10月第5期中國空間科學技術ChineseSpaceScienceandTechnology蜂窩夾層板超高速撞擊極限方程分析賈光輝歐陽智江(北京航空航天大學宇航學院，北京100191)摘要為分析撞擊極限方程對蜂窩夾層結構的穿透特性的預測能力，調研得到了3類撞擊極限方程的表達形式和等效方法，以及131個采用碳纖維復合材料(CFRP)面板的蜂窩夾層板結構的試驗數據，并對撞擊極限方程的預測能力進行了比較計算。結果發(fā)現，MET方程對他源數據的四種(未失效、失效、總體以及安全)預測率均大于80％，進行在軌航天器結
2、構的失效分析時可優(yōu)先選用；SRL方程對本源數據的安全預測率達到了100％，在他源數據上的安全預測率也很高，適用于航天器防護結構設計。探討了撞擊極限方程中的系數、速度分界值的優(yōu)化思路，以提高撞擊極限方程的預測率。關鍵詞蜂窩夾層板超高速撞擊撞擊極限方程預測能力等效方法DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2013．05．0031引言在衛(wèi)星板式結構中，蜂窩夾層板結構的應用可占80％～90％[1]，其輕質、高比強度、高比剛度、抗震、隔熱等性能優(yōu)點，以及蜂窩夾層板的面板常用材料由鋁合金逐漸替換為碳纖維復
3、合材料(CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP)，應用更加廣泛。作為一種由鋁蜂窩夾芯、CFRP前后面板加工而成的結構型復合材料，其承載的力學特點是其獲得廣泛應用的基礎：承受使結構面板延伸和收縮變形的直接載荷以及使面板扭曲變形的剪切力和彎曲載荷[2]。然而結構承載和剛度方面的優(yōu)勢，在對付以超高速碰撞為特征的空問碎片時，其防護特性如何反映幾何、材料等方面的特性也是航天器防護設計工程的關注問題。撞擊極限方程是在幾何、材料等方面全面刻畫抗撞擊能力的重要方程，然而相比于Whipple等常用防護結
4、構，蜂窩夾層板結構由于結構復雜，其超高速碰撞特性的研究僅在物理實驗方面獲得了少量成果[3]，已有的蜂窩夾層板結構的撞擊極限方程尚不能滿足國內航天器設計的工程需求。2004年，文獻E4]曾針對面板為CFRP的蜂窩夾層板的Christiansen方程、Frost1方程、Frost2方程以及Taylor方程進行過方程差異性研究，提出了預測率更高的MET方程；2008年文獻I-5]又進一步進行了差異性研究，且以提高彈道性能的預測精度為目標，提出了SRL方程。由于這些方程的形式不同、數據源不同、評價方式也不一致，有關結果需
5、要進一步分析。為此，本文給出了撞擊極限方程的各種預測率指標的簡單形式，據此對各方程在本源數據和他源數據上的預測能力進行定量比較分析，為防護性能分析和防護結構設計兩種場合下方程的選用提供依據，并在最后探討了撞擊極限方程的系數優(yōu)化和速度分界值優(yōu)化的思路。國家空間碎片專題(K0201101／3／6)資助項目收稿日期：20120912。收修改稿日期：20121205中國空間科學技術2013年10月CFRP撞擊極限方程2．1CFRP撞擊極限方程的類型除蜂窩芯外，由于蜂窩夾層板結構前、后面板的布置形式與Whipple結構類似
6、，其撞擊極限方程初始主要通過修正Whipple結構的撞擊極限方程獲得[6]，如Christiansen撞擊極限方程，在1992年以后就被頻繁用于蜂窩夾層板碎片撞擊的風險評估口]，該方程由3個速度段函數組成舊J，分別為彈道段(即低速段)、超高速段以及中問的過渡段，其中過渡段采用線性插值得到。1997年，Frost等人通過對AXAF衛(wèi)星的研究，基于Christiansen撞擊極限方程提出了兩種改進方法，稱之為Frost1和Frost2方程凹]。1999年，Taylor等人基于試驗數據進～步提出了Taylor方程口0
7、
8、。以上Christiansen、Frost1、Frost2和Taylor四個方程都是基于Whipple結構的修正型撞擊極限方程得到的，可統(tǒng)稱為修正型方程。然而2001年歐空局的一系列實驗表明，修正型方程針對不同尺寸的蜂窩夾層板結構，預測準確性不夠好，有些結果還存在較大的誤差[11【。文獻[12]基于ESATripleWall(ETW)方程，通過引入系數K。。和K。D以及失效因子gi(后板發(fā)生臨界分離剝落時取0．65，后板臨界穿孔時取0．83)的方式，提出了ModifiedESATriple(MET)方程¨j。20
9、08年，文獻[5]基于ESATripleWall(ETW)方程提出了SRL方程，與MET方程不同之處在于，SRL方程給定系數K。。和K。D的具體值(K。。為1．1，K。D為0．4)，且將速度分界值分別從3km／s變?yōu)?．2km／s、7km／s改進為8．4km／s。綜上所述，針對CFRP面板的蜂窩夾層板，以上3類(共6個)蜂窩夾層板撞擊極限方程的發(fā)展過程如圖1所示。主要體現
