一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法技术

本发明专利技术属于爆炸与冲击动力学领域，涉及碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法，其目的是利用该方法判断碎片高速撞击能否引发卫星贮箱爆炸。所提出的一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法，首先，构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式；其次，确定推进剂液态肼的功率密度阈值，建立适用于卫星贮箱的临界起爆模型；最后，验证卫星贮箱临界起爆模型的有效性。本发明专利技术的优点是无需开展碎片高速撞击试验，就可以定量判断碎片撞击是否引发卫星贮箱爆炸，成本较低，易于实现。

【技术实现步骤摘要】
一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法
本专利技术属于爆炸与冲击动力学领域，涉及碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法。
技术介绍
随着空间碎片数量的迅速增长，在轨卫星与空间碎片发生碰撞的概率大大升高。装载液态肼的卫星贮箱占据卫星质量的一半左右，是受碎片威胁最大的关键部件之一。碎片高速撞击作用下可能导致卫星贮箱破裂，推进剂泄漏；也可能使液态肼发生分解反应并放出大量热，引发贮箱爆炸，造成卫星灾难性解体。美国的NASA标准解体模型可以描述碎片高速撞击作用下卫星的失效模式和解体程度，主要包括爆炸解体模型和撞击解体模型两部分。在撞击解体模型中NASA定义了撞击解体阈值当碎片撞击动能Ep与卫星质量mt的比值大于时,认为碎片撞击导致卫星完全解体。但NASA并没有定义爆炸解体阈值，针对碎片撞击卫星贮箱的事件，如果不能判断碎片撞击是否引发贮箱爆炸，就无法界定卫星的失效模式。因此，有必要对碎片撞击作用下卫星贮箱的临界起爆开展深入研究。目前，针对非均质炸药临界冲击起爆的研究较为普遍，而对液体推进剂贮箱的临界冲击起爆研究较少，下述文献涉及到了相关研究。1、熊冉等人“破片冲击引爆带金属壳体屏蔽炸药临界条件研究”，爆破，2015年第4期。论文根据能量密度理论和破片撞击带壳B炸药的试验，推导出金属壳体屏蔽炸药的临界冲击起爆判据，判据计算结果与试验数据之间的误差小于10％。2、何源等人“含能破片冲击起爆临界条件研究”，弹道学报，2010年第4期。论文基于ANSYS/LS-DYNA开展数值仿真，建立了包含破片直径、头部形状、壳体材料的经验计算公式，该公式能较准确地计算含能破片冲击起爆的临界条件；3、王卫杰等人“射弹超高速撞击卫星推进剂起爆模型研究”，系统仿真学报，2011年第12期。论文将推进剂液态肼看作非均质固体炸药，推导了液态肼的撞击起爆模型。实际上，液体推进剂与非均质炸药相比，物化特性大不相同，碎片撞击后冲击波的传播过程和作用机理也存在差异，因此，上述非均质炸药的冲击起爆判据难以准确描述液体推进剂的冲击起爆问题。
技术实现思路
本专利技术针对碎片高速撞击能否引爆卫星贮箱的问题，提出一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法。本专利技术的碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆计算方法的实现方案如下：首先，基于Walker-Wasley判据，构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式；其次，确定推进剂液态肼的功率密度阈值，建立卫星贮箱临界起爆模型；最后，验证卫星贮箱临界起爆模型的有效性。本专利技术的碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆计算方法见具体实施方案部分描述。本专利技术的碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆计算方法的优点是：(1)本专利技术无需开展碎片高速撞击试验，就可以定量判断碎片撞击是否引发贮箱爆炸，成本较低，易于实现。(2)计算结果准确有效。采用卫星贮箱临界起爆模型对WSTF#TITANK试验开展计算，计算结果与试验结果具有良好的一致性，验证了卫星贮箱临界起爆模型的有效性。附图说明图1本专利技术的碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆计算方法的推导和验证流程图；图2碎片撞击贮箱后波阵面的传播示意图；图3WSTF和SAIC的液态肼撞击试验数据；图4WSTF#TITANK试验的有限元模型；图5材料的相关参数设置；图6碎片速度衰减的拟合曲线(a)及其残差(b)；图7功率密度Pd随时间t变化的曲线；具体实施方案结合附图对本专利技术的碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆计算方法做进一步详细描述。图1为本专利技术推导和验证的主要步骤。步骤一、构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式。Walker和Wasley针对非均质炸药的冲击起爆，提出了著名的Walker-Wasley判据：P2τ＝C(1)其中，P是指冲击波压力；τ是指压力脉冲持续时间；C是由验确定的常数。针对卫星推进系统使用最广泛的推进剂液态肼，Garcia等人在报告“DetonabilityStudyofLiquidHydrazine”(ADA526746,1994年)利用Walker-Wasley判据对其爆炸特性进行了研究，将P2τ定义为功率密度Pd，将液态肼的临界起爆能量定义为功率密度阈值Pd0。由此可见，构建卫星贮箱临界起爆模型，首先需要推导液态肼中冲击波压力P和压力持续时间τ的计算公式。1、冲击波压力Townsend等人在论文“FailureofFluidFilledStructuresDuetoHighVelocityFragmentImpact”(InternationalJournalofImpactEngineering，2003年第1期)中开展了质量为3.5～7g的钢制碎片，以1～3km/s速度撞击飞机燃料油箱的试验，提出了液体内冲击波速度的计算公式：us＝Cl+Slup(t)(2)式中，us表示冲击波速度；Cl表示液体内的声速；Sl表示液体的冲击波雨贡纽参数；up(t)表示碰撞后碎片速度—时间函数。Borg等人在论文“DamageResultingfromHighSpeedProjectileLiquidFilledMetalTanks”(ComputationalMethodsandExperimentalMeasures，2001年第30卷)中利用19g铝制碎片以2.1～4.1km/s速度撞击充满磷酸三丁酯的贮箱，得到了计算碰撞后液体内冲击波压力的计算公式：P＝ρlusup(t)(3)式中，P表示碰撞后冲击波压力；ρl表示液体密度。把式(2)带入式(3)可得：要得到冲击波的压力P，还需要求解推进剂中碎片的速度up(t)。碎片射入推进剂后只受到阻力作用，速度逐渐衰减。根据牛顿第二定律得到了速度up(t)的计算公式：式中，ρp表示碎片的密度；Vp表示碎片的体积；Ap表示垂直于速度方向上碎片的最大横截面积；Cx表示阻力系数，是一个无量纲量。阻力系数Cx等于碎片受到的阻力与动压、横截面积的比值。由于碎片形状、撞击角度和撞击位置等具有很大的随机性，贮箱内还会涉及湍流、涡流、边界层分离等一系列复杂物理现象，从理论上求解阻力系数Cx是一个十分复杂的过程。而数值仿真提供了一种新的研究手段，数值仿真不受碎片形状和撞击方式的限制，弥补了理论研究的不足。利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对碎片高速撞击卫星贮箱开展数值仿真，根据仿真结果获得碎片速度衰减曲线，拟合出速度衰减函数up(t)，代入式(4)即可求出冲击波压力P。2、压力持续时间碎片撞击进入贮箱后在肼内产生冲击波，与此同时还会在自由液面上形成稀疏波，如图2所示。假设自由液面距碎片撞击线的深度为d，取肼内任意一点A，距自由液面的深度为d±h(A在撞击线以下为d+h，A在撞击线以上为d－h)，距贮箱撞击面的水平距离l。冲击波到达A点的时间为：稀疏波到达A点的时间为：式中，ur表示稀疏波速度。那么在A点处压力脉冲的持续时间为：在稀疏波扰动过的区域，任意两个相邻端面的参数只差一个无穷小量，稀疏波的传播过程属于等熵过程，因此，稀疏波的波速近似等于液体的声速Cl。则任意一点的压力持续时间可以表示为：步骤二、确定推进剂液态肼的功率密度阈值，建立卫星贮箱临界起爆模型。20世纪90年代开始，为研究液态肼的冲击感度，美国NASA白沙试验靶场(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法，包括：步骤一、构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式；步骤二、确定推进剂液态肼的功率密度阈值，建立卫星贮箱临界起爆模型；步骤三、验证卫星贮箱临界起爆模型的有效性。其特征在于：步骤一、构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式。由Walker‑Wasley判据

【技术特征摘要】
1.一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法，包括：步骤一、构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式；步骤二、确定推进剂液态肼的功率密度阈值，建立卫星贮箱临界起爆模型；步骤三、验证卫星贮箱临界起爆模型的有效性。其特征在于：步骤一、构建贮箱内冲击波压力和压力持续时间的计算公式。由Walker-Wasley判据可知，碎片撞击是否引发卫星贮箱爆炸取决于撞击冲击波压力P、压力脉冲持续时间τ以及推进剂的功率密度阈值其中，需要通过实验确定。1、冲击波压力碎片撞击卫星贮箱后，推进剂中的冲击波压力为：式中，ρl表示推进剂密度；Cl表示推进剂声速；Sl表示推进剂的冲击波雨贡纽参数。要得到冲击波的压力P，还需要求解推进剂中碎片的速度up(t)。根据牛顿第二定律得到了速度up(t)的计算公式：式中，ρp表示碎片的密度；Vp表示碎片的体积；Ap表示垂直于速度方向上碎片的最大横截面积；Cx表示阻力系数，是一个无量纲量。阻力系数Cx等于碎片受到的阻力与动压、横截面积的比值。由于碎片形状、撞击角度和撞击位置等具有很大的随机性，贮箱内还会涉及湍流、涡流、边界层分离等一系列复杂物理现象，从理论上求解阻力系数Cx是一个十分复杂的过程。而数值仿真提供了一种新的研究手段，数值仿真不受碎片形状和撞击方式的限制，弥补了理论研究的不足。利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵继广，赵蓓蕾，崔村燕，杜小平，段永胜，王岩，辛腾达，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学，
类型：发明
国别省市：北京,11