空间大型功能形面薄膜结构的超高速撞击响应研究

Large space membrane structures used for functional surface of spacecraft , such as film antenna and solar concentrator, are characterized by large area, thin thickness, needing prestress to maintain the high surface precision etc. Space debris play important role on the service performance on orbit: impact of space debris forms voids and cracks, prestress results in extension of the cracks and destroy the structure integrality, space environment including temperature variation, atomic oxygen and ultraviolet rays radiation further damage the structure, and the dynamic deformation of the whole structure induced by the impact will decrease the surface accuracy. The hypervelocity impact response of these polymer membrane structures under prestress and complex space environment is a new problem in the field of impact dynamics. This project is focused on the following aspects: through experimental studies and numerical simulations, getting the failure mode of the membrane structure under hypervelocity impact of small space debris, and analyzing the effect of pretress, membrane and space debris parameters; by experiments, investigating how temperature and radiation environment affect the failure mode of the polymer membrane structure; by theoretical analysis and numerical simulations, obtaining the wave propagation and vibration responses in vacuum and microgravity, and analyzing the coupling effect of instantaneous/local failure and continuous/entire wave propagation. Results will provide basis for the space debris protection design and life evaluation of large membrane structure of spacecrafts.

空间大型功能形面薄膜结构如薄膜天线和聚光镜等，具有面积大、厚度薄、需要预应力维持结构刚度和形面精度等特点。空间碎片是影响其在轨服役性能的重要因素：撞击形成孔洞和裂纹，预应力导致裂纹扩展从而损坏结构完整性，温度变化、原子氧和紫外辐射等空间环境会加剧结构破坏，而撞击引起的结构整体动态变形将严重降低形面精度。此类聚合物薄膜结构在预应力和复杂空间环境下的超高速撞击响应，是冲击动力学研究领域的一个新问题。本项目通过实验手段和数值模拟获得微小空间碎片撞击下薄膜结构的破坏模式，分析预应力、薄膜参数和碎片特性的影响。通过实验研究温度和辐射等环境对聚合物薄膜破坏模式的影响，探索空间环境与超高速撞击的协同作用机理。通过理论分析和数值模拟研究真空与微重力条件下结构的波动和振动响应，分析瞬态局部失效与长期整体波动的耦合作用。研究结果为航天器大型功能形面薄膜结构的空间碎片防护设计和寿命评估提供依据。

空间大型功能形面薄膜结构，采用聚合物材料、面积大、厚度薄，并需要预应力维持结构刚度和形面精度，空间碎片与辐射环境是影响其在轨服役性能的重要因素。项目采用实验、数值模拟与理论分析相结合的方法，从不同的时间和空间尺度，开展了空间环境下预应力薄膜结构高速撞击响应机理研究。.采用激光驱动飞片撞击实验和光滑粒子流体动力学模拟方法，获得了微小碎片超高速撞击聚酰亚胺薄膜的局部破坏模式。薄膜宏观损伤形貌表现为中心穿孔并伴随若干条径向裂纹。撞击区经历了高温高压高应变率，边缘呈韧性断裂；径向断裂区为常温常压高应变率，呈脆性断裂；过渡区存在巨大的物理场梯度变化，是径向裂纹的源头。薄膜厚度越薄径向裂纹越显著；飞片速度越高损伤区域越大；预应力与薄膜尺寸对损伤影响很小。双层膜时后膜会发生多点裂纹贯穿。.通过辐照实验和蒙特卡洛方法，研究了质子及紫外辐照与超高速撞击的联合作用效应。撞击损伤区在质子辐照下进一步演化，注量越大对材料影响越大；真空紫外辐照对损伤区影响很小。质子辐照后的薄膜经过撞击会在微米级的表层形成密集微裂纹损伤；质子辐照对聚酰亚胺的损伤主要为电离效应，改变了表层材料性质，形成了双层复合薄膜材料体系。.通过固体力学基本方程，建立了薄膜结构局部瞬态响应-整体动态响应模型。撞击模型建立了飞片参数和薄膜撞击区响应的联系，预测了撞击区材料的速度与能量。应力波模型描述了薄膜非撞击区内的应力波传播特性，解释了径向应力波幅值衰减对微裂纹强度放射性减弱的影响。非均匀应力场振动模型描述了薄膜撞击后应力场变化对振动特性的影响，发现了一个频率非稳定区。均压圆膜力学敏度模型描述了载荷与材料属性对薄膜天线形面和应力状态的影响。.研究揭示了聚合物薄膜高速撞击与辐射环境协同作用破坏机理，以及瞬态/局部失效与长期/整体响应的联系，可为航天器功能形面薄膜结构的空间碎片防护设计与寿命评估提供依据。