Полиимидные аэрогели для защиты от баллистических ударов.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 13933 (2022) Цитировать эту статью

2079 Доступов

2 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Баллистические характеристики монолитных полиимидных аэрогелевых блоков (толщиной 12 мм) с креплением по краям были изучены посредством серии ударных испытаний с использованием гелиевой газовой пушки, соединенной с вакуумной камерой, и сферического стального снаряда (диаметром около 3 мм) с диапазон скоростей удара 150–1300 мс-1. Аэрогели имели среднюю объемную плотность 0,17 г/см3 и высокую пористость примерно 88%. Баллистическая предельная скорость аэрогелей оценивалась в диапазоне 175–179 мс-1. Более того, аэрогели продемонстрировали хорошие характеристики поглощения баллистической энергии (например, при скорости удара 1283 мс-1 было поглощено по меньшей мере 18% энергии удара). При низких скоростях удара аэрогели разрушались из-за расширения пластичных отверстий с последующим разрушением при растяжении. Напротив, при высоких скоростях удара аэрогели разрушались в результате адиабатического процесса сдвига. Учитывая достаточно надежные баллистические характеристики, полиимидные аэрогели могут преодолеть множество ограничений, таких как ограничения по стоимости, весу и объему, в авиационных и аэрокосмических приложениях с высокой взрывостойкостью и требованиями к баллистическим характеристикам, например, в набивных щитах Уиппла для сдерживания орбитального мусора. .

Орбитальный мусор — это остатки запущенных объектов, которые все еще находятся на орбите Земли1. Наиболее распространенным источником мусора являются взрывы космических объектов, в результате которых образуются частицы обычно размером в миллиметр2. Из-за своей высокой скорости орбитальный мусор на протяжении десятилетий считался одной из важнейших угроз безопасности космических полетов3. Скорость удара находится в диапазоне 7–10 км/с на низкой околоземной орбите4. Эта угроза стала еще больше с ростом глобальной космической активности5. Поэтому разработка легкой, но эффективной системы защиты от сверхскоростных частиц имеет решающее значение для любой миссии по исследованию космоса.

В связи с этим Фред Уиппл в 1940-х годах предложил систему орбитальной защиты от мусора для космических кораблей, состоящую из жертвенного тонкого листа бампера и толстой задней стенки, разделенных определенным расстоянием6,7. Роль жертвенного бамперного листа состоит в том, чтобы разбить мусор и создать облако мусора. Толщина задней стенки должна быть достаточной, чтобы выдержать импульс взрыва облака обломков. Кроме того, чтобы повысить защитные характеристики экранов Whipple, они обычно набиваются высокопрочными тканями, такими как несколько слоев тканей Nextel и Kevlar7.

В настоящее время набивные щиты Уиппла в основном используются на Международной космической станции (МКС) для сдерживания орбитального мусора8. Обычно на МКС бамперы изготавливаются из Al 6061-T6 толщиной 2 мм, задние стенки — из Al 2219-T87 или Al 2219-T851 толщиной 4,8 мм, а набивка — 6 слоев кевлара 29 типа 710 с 6 слоями Ткани Nextel AF62 на разном расстоянии друг от друга7,9. Общее расстояние между стенкой бампера и задней стенкой составляет более 11 см без промежутка между материалами. Текущая конфигурация конструкции по существу основана на максимальном соотношении прочности к весу внутренней части щита. Однако такая конструкция по-прежнему громоздка и может быть усовершенствована за счет дальнейшего уменьшения не только общего веса, но и общего объема щита. Одним из известных подходов является использование ударопрочных материалов низкой плотности в пространстве между набивными щитами Уиппла для замедления/захвата вторичных облаков мусора в их микроструктурах10. Использование ударопрочных материалов низкой плотности в качестве усиления внутреннего щита позволяет повысить баллистические характеристики набивочных материалов. Это также позволяет уменьшить толщину тяжелой металлической задней стенки защитной системы, а также уменьшить расстояние между бампером Whipple и задней панелью, что потенциально может привести к значительной экономии массы и объема.