一种监测-防护一体化填充式防护结构

1.本实用新型属于空间碎片的被动防护领域，具体涉及监测-防护一体化填充式防护结构。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，由人造碎片又称空间垃圾和自然微流星体引起的超高速撞击事件在外层空间普遍存在，对在轨航天器的安全运行构成了巨大的威胁，并可能导致空间探索任务的失败。其中，直径在1cm至10cm的空间碎片无法准确地预测其运行轨道、又没有有效的屏蔽结构能抵御其撞击，是目前航天器屏蔽结构急需解决的问题之一。
3.针对这个问题，夹层结构以其比刚度大、稳定性好、工艺性好的优势得到广泛关注和应用。夹层结构是一种复合构造的板，由两块很薄的板材作为表面，中间夹以夹心层，常见的夹层结构有蜂窝型夹层结构、波纹型夹层结构、点阵型夹层结构等。这种夹层结构的弯曲刚度比一般的板壳结构大得多，因此其失稳临界应力显著提升。
4.目前国内外普遍采用的空间防护结构主要是whipple防护结构，其基本原理是空间碎片在撞击前板时产生激波，当超高速撞击下前板强度足够高时，就可能使空间碎片破碎、液化甚至汽化形成碎片云，这种碎片云紧接着被后墙捕捉从而保护航天器内部结构。基于whipple防护结构，人们又设计出填充式whipple结构，在同等面密度下，填充式whipple防护结构的防护能力远高于whipple防护结构，这也是其被广泛应用的原因。这些结构有效减少了空间碎片对航天器的损伤程度，但是随着各国航天事业的迅速发展，国际空间安全进一步恶化，传统的防护结构已经逐渐难以满足防护需求，因此开发新型的防护结构迫在眉睫。
5.对于航天器遭受空间碎片撞击的感知与定位技术主要包括基于声发射技术的感知定位、基于热成像技术的感知定位、基于光栅传感器的感知定位等。但是考虑到太空恶劣环境、经济性等因素,声发射技术受到广泛关注。
6.声发射技术的定位方法有到达时刻法、时差定位法、区域定位法等，考虑到技术成熟度和适应性，在复杂的航空结构或者复合材料中多采用区域定位的方法，这种定位方法定位精度差且难以实现多点定位。声发射是一种常用的无损检测技术，因为其实时性、准确性的优势被广泛应用于结构损伤监测。其原理是固体物质在应力作用下会产生泛性应变，如材料的开裂等现象。在变形过程中能量以波的形式急剧释放产生了弹性波，这种弹性波便成为声发射。在空间碎片的的高速冲击下一般会对结构造成成坑或穿孔损伤，现有技术经过对hvi事件的大量实验及其声发射参数，采用k-means等聚类方法来识别hvi事件的损伤程度，但是这种损伤监测的准确性还有待提高。当空间碎片对结构造成穿孔损伤后，如果不能及时准确识别，将会对航天器结构产生巨大的灾难后果。


技术实现要素：

7.本实用新型要解决的技术问题是：为了解决现有航天器重要部位的防护结构防护
效果差、损伤监测准确度低的问题，本实用新型提供一种监测/防护一体化填充式防护结构，采用填充式球面夹层，有效提高航天器结构在空间碎片超高速撞击下的防护性能，同时能够实时多点定位监测改结构在空间碎片高速撞击下的损伤程度。
8.本实用新型解决技术问题采用的解决方案是：一种监测-防护一体化填充式防护结构，包括缓冲屏1、球面夹层2、填充材料3、多层式填充层、压力传感器5和平板6；
9.所述多层式填充层位于缓冲屏1与平板6之间，缓冲屏1与多层填充层之间、多层填充层与平板6之间，固定布设多个球面夹层2，多个球面夹层2外壁与缓冲屏1之间、多个球面夹层2与内部平板2之间形成腔体，所述填充材料3位于所述腔体中，所述填充材料3能够吸收冲击力；
10.所述球面夹层2内充满高压惰性气体，并设置有压力传感器5，所述压力传感器5用于实时监测球面夹层2中气体压力。
11.优选的，所述多层填充层为板状，包括第一填充层4和第二填充层7，所述第一填充层4位于两层第二填充层7之间；所述第一填充层4为耐高温纤维材料，所述第二填充层7为铝合金材料。
12.优选的，所述第一填充层4为碳化硅纤维材料。
13.优选的，所述第二填充层7采用5a06或5a90铝合金。
14.优选的，位于所述缓冲屏1与多层式填充层之间的球面夹层2与所述缓冲屏1相切；位于所述多层式填充层与内板6之间的球面夹层2，其球心位于内板6上。
15.优选的，固定于缓冲屏1上的球面夹层2和固定于内板6上的球面夹层2的布置方式是交错布置，即固定于内板6的球面夹层2的位置正对固定于内板6上的球面夹层2未覆盖区域。
16.优选的，球面夹层2与缓冲屏1或内板6之间通过氩弧焊方式连接。
17.优选的，所述缓冲屏1、球面夹层2和内板6采用铝合金材料。
18.发明效果
19.本实用新型一种监测-防护一体化填防护结构中的缓冲屏1、多层式填充层及球面夹层2能够有效分解高速撞击下的空间碎片并削弱其损伤能量，且结构中的填充材料3以及多层填充层中的纤维材料都具有过滤和吸收高温气体或熔融金属的能力，能够有效减少碎片云对内部结构的损伤。
20.(1)因为低密度的填充材料3和球面夹层2空腔的存在，使得防护结构在实现结构轻质化，同时显著提升防护效果。
21.(2)本实用新型防护结构中通过压力传感器5实时监测球面夹层2内高压惰性气体压力，从而进行损伤定位监测，操作简单，从撞击发生到捕获撞击位置的响应速度快，对结构依赖性小，尤其针对多点撞击等复杂的hvi事件有更好的适用性。
22.(3)现有的损伤识别方法大都依赖实验经验和算法识别，有很大的不确定性，当穿孔损伤发生时若系统未能准确识别，将对航天器结构甚至仓内的宇航员安全产生巨大威胁。本实用新型中的损伤识别是通过对腔内气压的变化来识别损伤模式，即使是很微小的穿孔损伤依旧能被识别出来。
附图说明
23.图1为本实用新型一种监测/防护一体化填充式防护结构的构型示意图。
24.图2为图1中球面夹层与缓冲屏之间的位置布设示意图。
25.图3为图1中球面夹层与内板之间的位置布设示意图。
26.图中，1-缓冲屏、2-球面夹层、3-填充材料、4-第一填充层、5-压力传感器、6-内板、7-第二填充层。
具体实施方式
27.为了进一步说明本实用新型的目的、技术方案及优点，下面结合附图对本实用新型的实施例中技术方案进行详细描述，应当指出的是本实用新型技术方案不局限于以下实施例，在此基础上对材料和结构参数进行调整或者对部分技术特征进行同等替换以此获得的实施例都属于本实用新型的保护范围。
28.在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.本实用新型一种监测-防护一体化填充式防护结构，包括缓冲屏1、球面夹层2、填充材料3、多层式填充层、压力传感器5和内板6；所述多层式填充层位于缓冲屏1与内板6之间，缓冲屏1与多层填充层之间、多层填充层与平板6之间，固定布设多个球面夹层2；多个球面夹层2外壁与缓冲屏1之间、多个球面夹层2与内部平板2之间形成腔体；所述填充材料3位于所述腔体中，所述填充材料3能够吸收冲击力；所述球面夹层2内充满高压惰性气体，并设置有压力传感器5，所述压力传感器5用于实时监测球面夹层2中气体压力。
31.参照图1-图3；本实用新型一种监测-防护一体化填充式防护结构，包括缓冲屏1、球面夹层2、填充材料3、多层式填充层、压力传感器5和内板6。所述多层式填充层位于缓冲屏1与内板6之间且与两者距离相等，多层填充层包括第一填充层4和第二填充层7，第一填充层4位于两层第二填充层之间；缓冲屏1与多层填充层之间、多层填充层与内板6之间分别固定设置多个球面夹层2，球面夹层2与缓冲屏1和多层式填充层之间形成腔体，所述腔体内填充有填充材料3；球面夹层2内充有高压惰性气体，并装有压力传感器，压力传感器5能够实时监测气体压力用以判断防护结构是否受损。
32.所述球面夹层2采用薄壳结构，这种结构起到减重作用同时可以对缓冲屏1起到支撑作用，薄壳结构在空间碎片撞击本实用新型防护结构时提供了更大的应变能消耗，同时使碎片云产生更大的扩散角从而削弱其损伤能力。固定于缓冲屏1上的球面夹层2和固定于内板6上的球面夹层2的布置方式是交错布置，即固定于内板6的球面夹层2的位置正对固定于内板6上的球面夹层2未覆盖区域。位于多层填充层与内板6之间的球面夹层2，其球面圆
心位于内板6上且与位于多层填充层和缓冲屏1之间的球面夹层2四个相邻球面的中心点平行。
33.球面夹层2与缓冲屏1和内板6之间分别采用氩弧焊的方式焊接，焊缝具有良好的气密性和塑性。
34.所述缓冲屏1、第二填充层7、球面夹层2以及内板6的材料相同，为5a06铝合金或者5a90铝合金。球面夹层2中充入高压惰性气体，惰性气体不易与铝合金发生反应从而减少其对结构的腐蚀作用。
35.在球面夹层2内布置的压力传感器5可以实时感知腔内的气压值，当腔内气压迅速降为0时，说明该球面夹层2被穿孔。当空间碎片对防护结构造成成坑损伤时，压力传感器5可以作为区域定位的传感器反映出空间碎片大致的撞击点。压力传感器如果经过一段时间的变化后恢复原先的数值则说明空间碎片对结构造成成坑损伤而未穿孔。压力传感器5监测不同层间的压力传感器数值变化，可以得到该夹层的损伤区域与损伤程度。
36.参照图1，所述多层填充层中第一填充层4位于两层第二填充层7之间，每层厚1mm。第一填充层4选用具有耐高温、高强度的性能的纤维材料，能够有效过滤高温气体或熔融的小分子物质，从而大幅减少空间碎片与前板撞击后产生的碎片云，本实施例中第一填充材料4采用碳化硅纤维。第二填充层7为铝合金板，本实施例中采用5a06或5a90铝合金，两层铝合金板有效地二次削弱了空间碎片的损伤能量，同时可以作为球面夹层的附着层与球面夹层2形成密封空腔。
37.本实施例中缓冲屏1以及多层式填充层有效减少了空间碎片的冲击能量，当空间碎片撞击缓冲屏后大概率会出现穿孔损伤即穿过缓冲屏并继续对后面的结构造成损伤。但是空间碎片穿过缓冲屏时一方面其能量会大幅下降，另一方面太空碎片被分解为碎片云的形式也充分削弱了其损伤能量。
38.所述填充材料3充满在球面夹层2与缓冲屏1和多层式填充层形成的密封腔体内。填充材料3选用具有低密度、高吸收冲击能力、耐高温且抗腐蚀等特点的材料，本实施例中采用泡沫铝。泡沫铝是在纯铝/铝合金中加添加剂发泡而成，密度小、耐高温、抗腐蚀且防火性好，此外该材料还具有良好的抗冲击性能，能够有效减少空间碎片的损伤能量并吸收部分碎片云。
39.所述压力传感器5采用航空航天压力传感器，该传感器可以实时监测球面夹层2内部的气压变化传输给数据监控中心，并具有良好的空气压力特性和良好的抗振强度和耐冲击性能。
40.航天器在正常运行过程中，压力传感器5监测值因为球面夹层2中高压惰性气体的存在会稳定在一个数值，当太空碎片撞击屏蔽结构造成成坑或穿孔后，球面夹层2内的压力传感器5发生急剧变化从而反映结构的撞击区域以及损伤程度。
41.作为一种实施方式，本实用新型防护结构采用多层板夹层结构。
42.作为一种实施方式，本实用新型防护结构采用填充式whipple结构。对于填充式whipple结构，不要求球面夹层2与缓冲屏1相切，具体球面大小可以根据所需监控的区域精度来决定；对于填充式whipple结构不要求填充材料3充满球面夹层与缓冲屏1形成的整个空腔。
43.采用本实用新型防护结构后，空间碎片在撞击本新型结构时，撞击力会受到各层
填充层的分解和吸收，大幅削弱其损伤能量，并且在hvi事件中，球面夹层2与压力传感器5的联合工作，能够实时监控空间碎片对本防护结构造成的损伤区域和损伤程度，同时实现多个撞击点的定位和损伤识别，解决了复杂结构多点定位的问题。
44.综上所述，本实用新型防护结构能够实现对小体积(直径在1-10cm)空间碎片超高速撞击的防护和监控一体化功能。
45.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，包括缓冲屏(1)、球面夹层(2)、填充材料(3)、多层式填充层、压力传感器(5)和内板(6)；所述多层式填充层位于缓冲屏(1)与内板(6)之间，缓冲屏(1)与多层式填充层之间、多层式填充层与内板(6)之间，固定布设多个球面夹层(2)，多个球面夹层(2)外壁与缓冲屏(1)之间、多个球面夹层(2)与内板(6)之间形成腔体，所述填充材料(3)填充于所述腔体中，所述填充材料(3)能够吸收冲击力；所述球面夹层(2)内充满高压惰性气体，并设置有压力传感器(5)，所述压力传感器(5)用于实时监测球面夹层(2)中气体压力。2.如权利要求1所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，所述多层式填充层为板状，包括第一填充层(4)和第二填充层(7)，所述第一填充层(4)位于两层第二填充层(7)之间；所述第一填充层(4)为耐高温纤维材料，所述第二填充层(7)为铝合金材料。3.如权利要求2所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，所述第一填充层(4)为碳化硅纤维材料。4.如权利要求2所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，所述第二填充层(7)采用5a06或5a90铝合金。5.如权利要求1所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，位于所述缓冲屏(1)与多层式填充层之间的球面夹层(2)与所述缓冲屏(1)相切；位于所述多层式填充层与内板(6)之间的球面夹层(2)，其球心位于内板(6)上。6.如权利要求5所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，固定于缓冲屏(1)上的球面夹层(2)和固定于内板(6)上的球面夹层(2)的布置方式是交错布置，固定于内板(6)的球面夹层(2)的位置正对固定于内板(6)上的球面夹层(2)未覆盖区域。7.如权利要求1所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，球面夹层(2)与缓冲屏(1)或内板(6)之间通过氩弧焊方式连接。8.如权利要求1所述的一种监测-防护一体化填充式防护结构，其特征在于，所述缓冲屏(1)、球面夹层(2)和内板(6)采用铝合金材料。

技术总结
本实用新型公开了一种监测-防护一体化填充式防护结构，包括缓冲屏1、球面夹层2、填充材料3、多层式填充层、压力传感器5和内板6，多层式填充层设置在缓冲屏与内板之间，多个球面夹层固定设置在缓冲屏1和内板6上，且与缓冲屏、多层式填充层及内板之间形成腔体，腔体内填有低密度填充材料3，球面夹层2内充满高压惰性气体并设有压力传感器5，用于实时监测球面夹层内部气压变化。缓冲屏、球面夹层和内板采用铝合金材料，有效减少空间碎片对防护结构的撞击力。本实用新型有效抵御小体积空间碎片带来的HVI事件，同时能够实现对撞击事件的实时区域定位和损伤识别。定位和损伤识别。定位和损伤识别。


技术研发人员：王翔 张宝玺 何思亮 贾翔婷 思慕瑶 武昊怡 李莞琪
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.01.04
技术公布日：2023/5/31