卫星高压气瓶的超高速撞击试验

微流星体及空间碎片超高速撞击对在轨航天器构成了严重威胁,星上压力容器受空间碎片撞击后所产生的威胁是十分严重的,可能导致航天器发生灾难性失效,过早结束其使命。文章通过星上常用气瓶的超高速撞击试验,获取了不同弹丸撞击参数下气瓶器壁的通孔孔径,得到了在弹丸撞击速度为(6.5±0.3)km/s、无防护情况下气瓶器壁的弹道极限,并分析了导致充压气瓶灾难性失效的弹丸直径范围;通过对试验数据拟合,初步建立了弹丸正撞击速度为(6.5±0.3)km/s、无防护情况下气瓶器壁的通孔孔径预测公式,为航天器遭遇空间碎片撞击的风险评估及防护措施制定提供依据。     

蜂窝夹层板超高速撞击极限方程分析

为分析撞击极限方程对蜂窝夹层结构的穿透特性的预测能力,调研得到了3类撞击极限方程的表达形式和等效方法,以及131个采用碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板结构的试验数据,并对撞击极限方程的预测能力进行了比较计算。结果发现,MET方程对他源数据的四种(未失效、失效、总体以及安全)预测率均大于80%,进行在轨航天器结构的失效分析时可优先选用;SRL方程对本源数据的安全预测率达到了100%,在他源数据上的安全预测率也很高,适用于航天器防护结构设计。探讨了撞击极限方程中的系数、速度分界值的优化思路,以提高撞击极限方程的预测率。     

基于缩放实验的Whipple结构撞击特性

针对航天器空间碎片防护问题,基于缩放实验方法,开展了7 km/s以上超高速碰撞仿真研究.建立了单板和Whipple防护结构的仿真模型,并对铝-铝撞击问题和镉-镉撞击问题进行了多工况仿真.通过实验结果与数值仿真的对比,表明了数值仿真技术的正确性,并从仿真角度验证了缩放实验方法的有效性.对缩放实验方法的适用性进行了仿真验证,结果表明该方法对弹丸形状适用性较好,对3～4 km/s以上撞击速度的适用性较好,但对Whipple防护结构后板存在一定误差.分析了Whipple结构后板的失效模式,提出了失效模式的不连续性导致了缩放实验方法的误差.最后通过数值仿真计算了Whipple结构7 km/s以上弹道极限特性,提出了失效模式的不连续性造成了在该速度段弹道极限曲线的分叉现象.     

航天器空间碎片防护方案的评价方法

在综述国际上已采用和研究的航天器防护空间碎片超高速撞击防护方案评价方法的基础上,对航天器防护方案的评价方法进行了分析与探讨,给出了各种防护方案的撞击极限曲线和撞击极限方程。     

柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验

充气展开密封结构是未来空间站以及大型空间居住舱的理想构建形式,其外蒙皮由气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射保护层以及热控层组成。为了既满足对空间碎片的防护,又满足折叠、收纳以及展开的要求,空间碎片防护层需要采用多层冲击防护结构设计。基于多层冲击防护结构,采用国产的玄武岩纤维材料和芳纶织物的特性参数,根据弹道极限方程设定了柔性空间碎片防护层的设计参数,并通过高速撞击试验对根据设计参数生产的试验件进行了试验验证,试验结果与柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程吻合较好。     

单层板撞击成坑声发射辨识及参数估计研究

空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求,为研制基于声发射技术的感知系统,有必要研究利用声发射波形分析对防护结构进行损伤模式辨识的方法。文章利用超声传感器进行了铝弹丸超高速撞击单层板的声发射信号采集实验及其数值仿真,并对波形在时域和频域内进行分析,结果表明:声发射波形的主波谷值随撞击速度增加而线性增加,直到防护结构被击穿;声发射波形中的高频分量与低频分量幅值之比存在一个区别成坑模式与击穿模式的阈值。基于上述结果提出了一种在撞击弹丸尺寸已知条件下辨识成坑模式并对其撞击速度及其弹坑尺寸进行估计的方案。     

基于电学成像的蜂窝夹层结构超高速撞击损伤监测

针对航天器遭受空间碎片和微流星体撞击的问题,对蜂窝夹层结构的超高速撞击损伤监测进行研究。提出将碳纳米管薄膜共固化在蜂窝夹层结构面板表面使之具有自感应能力,结合电学成像技术对超高速撞击造成的损伤进行监测和识别。采用二级轻气炮对自感应蜂窝夹层结构进行了超高速撞击,在撞击前后分别向感应层注入微小的激励电流,根据边界电压变化重建损伤引起的电导率变化图像,从而提供有关撞击和损伤的信息。试验结果表明,基于碳纳米管薄膜的感应层性能良好,重建的电导率变化图像能够较好地反映损伤个数、位置和近似尺寸,验证了所提出技术方法的有效性,为航天器结构超高速撞击监测提供了一种新的技术手段。     

高速撞击充气压力容器前壁损伤数值模拟

针对空间碎片超高速撞击充气压力容器前壁损伤问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN采用拉格朗日方法对球形弹丸撞击球形压力容器前壁穿孔进行了数值模拟研究。在建模过程中通过对容器壁内侧施加压力边界条件来模拟由于内充气体的作用在容器壁内产生的应力场,并通过与试验结果的比较验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上针对容器的内充气体压力、球形弹丸直径及撞击速度对充气压力容器前壁穿孔的影响进行了研究。结果表明:在一定的气体压力下,气体压力对压力容器前壁穿孔直径与穿孔形态的影响可以忽略不计;而撞击速度及弹丸直径对穿孔直径及穿孔形态有着较大的影响,当撞击速度大于3km/s时,撞击穿孔边缘开始有裂纹产生,并且穿孔直径与裂纹直径随着弹丸直径及撞击速度的增加而增大。利用压力容器前壁穿孔的数值模拟结果进行计算可以得出当容器受到撞击速度大于3km/s的弹丸撞击后比撞击速度不大于3km/s时更易发生破坏。     

Micro-meteoroids and space debris impact risk assessment for the ConeXpress satellite using ESABASE2/Debris

Micro-meteoroid and space debris impact risk assessments are performed to investigate the risk from hypervelocity impacts to sensitive spacecraft sub-systems. For these analyses, ESA’s impact risk assessment tool ESABASE2/Debris is used. This software tool combines micro-particle environment models, damage equations for different shielding designs and satellite geometry models to perform a detailed 3D micro-particle impact risk assessment. This paper concentrates on the impact risk for exposed pressurized tanks. Pressure vessels are especially susceptible to hypervelocity impacts when no protection is available from the satellite itself. Even small particles in the mm size range can lead to a fatal burst or rupture of a tank when impacting with a typical collision velocity of 10–20 km/s. For any space mission it has to be assured that the impact risk is properly considered and kept within acceptable limits. The ConeXpress satellite mission is analysed as example. ConeXpress is a planned service spacecraft, intended to extend the lifetime of telecommunication spacecraft in the geostationary orbit. The unprotected tanks of ConeXpress are identified as having a high failure risk from hypervelocity impacts, mainly caused by micro-meteoroids. Options are studied to enhance the impact protection. It is demonstrated that even a thin additional protective layer spaced several cm from the tank would act as part of a double wall (Whipple) shield and greatly reduce the impact risk. In case of ConeXpress with 12 years mission duration the risk of impact related failure of a tank can be reduced from almost 39% for an unprotected tank facing in flight direction to below 0.1% for a tank protected by a properly designed Whipple shield.     

空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法

利用光滑质点动力学SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟.在数值模拟中,为了充分发挥SPH方法和有限元方法FEM(Finite Element Method)的优点,利用有限元单元和SPH节点混合建模,将有限元单元和SPH节点(SPH nodes)通过定义接触条件相结合,在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模,而小变形区域则采用有限元单元建模,从而大大节省求解时间,提高计算效率.计算结果表明,弹丸在穿透前板后,形成二次碎片,碎片云经膨胀和拉长,对后板造成轻微的损伤,这和文献的相关试验数据是符合的.利用SPH方法对空间碎片的超高速碰撞过程进行数值模拟,不仅很好地预测了Whipple防护结构的破坏情况,而且对整个碰撞过程,包括碎片云的形成、膨胀和拉长过程都有形象的描述,符合超高速碰撞的试验测试结果.     

Hypervelocity impact on the GIOTTO Halley Mission dust shield: Momentum exchange and measurement

The two layer dust shield on the GIOTTO Halley Mission is constructed in a meteoroid bumper configuration. The dust shield is instrumented so that parameters associated with the hypervelocity collision of cometary particles on the exposed surface can be determined. A multisensor detector array provides simultaneous sensing of the momentum exchange of particles impacting and subsequently penetrating the outer layer of the dust shield. Current knowledge of momentum exchange during hypervelocity impact relative to the GIOTTO Halley Mission and the dust shield experiment is reviewed. The sensors used for determination of momentum exchange exhibit a functional dependence on projectile velocity leading to an enhancement of the sensor signal as the relative impact velocity increases. The GIOTTO Mission provides a very unique opportunity to obtain hypervelocity momentum exchange information at a known impact velocity. Therefore, with the dust experiment, a determination of the velocity index for both momentum and multilayered penetration sensor is possible. Results of analysis of analytical and laboratory studies indicate that the velocity index for hypervelocity impact is approximately 2.0 at the 68 km/sec encounter impact velocity of the GIOTTO Mission. A clear determination of the size and mass distribution of the cometary dust near the comet will be possible from the in-situ measurement of the DIDSY GIOTTO experiment.     

双层防护屏结构的正撞击研究

以惠普尔（Whipple）防护屏结构为例， 通过实验研究了铝合金柱状弹体以第一门槛值附近的速度正撞击LY12合金防护屏的特点；研究了在不同速度下防护屏损伤随速度的变化规律；对于速度在第一门槛值附近的速度正撞击，得到了撞击速度、防护屏及靶体厚度、防护距离的变化地防护屏及靶体作用的影响效果。     

防护结构在斜撞击下的行为研究

以惠普尔（Ｗｈｉｐｐｌｅ）防护屏结构为例,通过实验研究了铝合金柱状弹体以第一门槛值附近速度斜撞击ＬＹ１２合金防护屏的特点,研究了不同速度下,不同撞击角度下,防护屏损伤的变化规律,对于速度在第一门槛值附近的斜撞击,以斜撞击存在一个临界入射角度,当入射角度大于临界入射角度时,发生滑弹现象,入射角度越大,产生的滑弹碎片数量就越多。