[发明专利]一种碎片高速撞击作用下卫星贮箱临界起爆的计算方法

摘要

本发明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。

主权项

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，ρ_l表示推进剂密度；C_l表示推进剂声速；S_l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u_p(t)。根据牛顿第二定律得到了速度u_p(t)的计算公式：式中，ρ_p表示碎片的密度；V_p表示碎片的体积；A_p表示垂直于速度方向上碎片的最大横截面积；C_x表示阻力系数，是一个无量纲量。阻力系数C_x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C_x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u_p(t)，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产生冲击波，与此同时还会在自由液面上形成稀疏波，任意一点的压力持续时间等于稀疏波和冲击波作用时间的差。式中，d为自由液面距碎片撞击线的高度；h为任意一点距碎片撞击线的高度；l为任意一点距撞击点的水平距离。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。目前，液态肼是卫星推进系统使用最广泛的单组元推进剂。根据美国NASA白沙试验靶场(WSTF)和美国科学应用国际公司(SAIC)开展的射弹超高速撞击液态肼试验，确定液态肼临界起爆的功率密度阈值，从而构建卫星贮箱的临界起爆模型。步骤三、验证卫星贮箱临界起爆模型的有效性。基于ANSYS/LS‑DYNA有限元软件对WSTF#TITANK试验进行数值仿真，根据仿真结果得到弹丸射入贮箱后速度衰减曲线，利用最小二乘法拟合出弹丸速度衰减函数u_p(t)。然后，分别计算出卫星贮箱临界起爆模型中冲击波压力和压力持续时间。利用卫星贮箱临界起爆模型判断WSTF#TITANK试验中碎片撞击是否引发贮箱爆炸。卫星贮箱临界起爆模型的计算结果与试验结果具有良好的一致性，验证了模型的有效性。