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。     

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测,从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述,给出了深空撞击载荷初步总体设计方案;通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真,得到了撞击速度在0.2～0.4cm/μs变化范围下产生32～47cm大小的撞击坑坑径结果,得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律,为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。     

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.     

锥头圆柱体高速入水空泡数值模拟

采用流体体积法（VOF,Volume of Fluid）多相流模型,引入动网格技术,对锥头圆柱体垂直自由高速入水问题开展了数值模拟研究,分析了航行体入水后速度及入水空泡形态的发展规律,并与文献基于能量守恒定律的理论结果进行比较,两者吻合较好.研究结果表明,高速入水初期,结构受到极高的冲击载荷,导致速度迅速衰减;随着入水深度的增加,空泡不断拉长并向径向扩张,空泡内空化现象明显,空泡内混合相对空泡壁及空泡分离点附近压力分布影响显著.对于不同速度入水的研究结果表明,入水速度越高,航行体头部压力峰值越大,相同时刻入水空泡最大直径也越大.      

柱状弹丸撞击防护屏形成碎片云材料状态特性研究

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着长寿命、大尺寸航天器的安全运行，导致其严重的损伤和灾难性的失效。为精确估计微流星体及空间碎片高速撞击防护屏所产生碎片云对舱壁的损伤，必须确定碎片云中三种状态材料的特性，建立了碎片云特性分析模型，分别计算了柱状弹丸撞击防护屏所产生碎片云以及碎片云中弹丸和防护屏材料三种状态物质的质量分布。通过计算分析可见，弹丸以不同速度撞击防护屏所产生碎片云三种状态物质的质量分布是不同的，速度增大，液化和气化增强，对靶件的损伤小。而在速度小于7km/s时，碎片云以固体碎片的形式存在，对靶件的损伤大。     

超高速撞击航天器二次碎片云能量特性分析

为了评估空间碎片超高速撞击航天器的碎片云破坏能力,挖掘超高速撞击数值模 拟结果数据的应用价值,基于9.53 mm铝球以6.64 km/s速度对2.2 mm铝靶撞 击的Ls-Dyna/SPH(Smoothed Particle Hydrodynamic)数值模拟研究结果,对靶后碎片云的 粒子动能进行求和统计,建立了碎片云比动能概念和函数形式;碎片云比动能综合考虑了靶 后所有碎片云粒子的动能,反映了一定距离处垂直于撞击方向平面上单位面积上的碎片云粒 子所蕴含的撞击能量;应用碎片云比动能概念,揭示出随着演化距离的增加,碎片云能量的 衰减规律;通过不同速度条件下的SPH计算,得到了碎片云的比动能函数的曲线形式随撞击 速度的变化规律;最后对采用2种材料模型进行数值模拟所对应的结果误差进行碎片云比动 能函数的曲线比较,反映出数值模拟中不同材料模型引起的差异.      

黄道面内行星际激波相互碰撞作用过程研究—能量效应

本文用两维半MHD数值模型,数值模拟研究了两邻近扰动源所产生的激波在行星际空间黄道面内不同能量时的相互碰撞过程。在内边界(18R_s)两扰动中心的间距取为36°。结果表明:两弱激波(速度在500km/s左右以下)不会产生汇合,而是各自独立地传播;两中等强度激波(速度在1000km/s左右)将发生汇合,但在IAU尚可分辨;两强激波(速度在2000km/s以上)则在1AU以内已发生汇合,汇合后形成一个新激波,其磁场结构与单激波明显不同。激波能量越大,两激波汇合的越快。     

激发跃迁速率对热力学非平衡氮气紫外辐射的影响

基于氮气的碰撞-辐射（CR）模型,计算了速度为6.2 km/s、初始压力为133 Pa的高超声速流动激波中N₂和N₂+分子电子能级的分布情况,分析了不同激发跃迁速率模型对电子能级分布及辐射光谱模拟的影响。针对流动中热力学非平衡区域和平衡区域,在300~440 nm的辐射光谱开展了逐线法的数值模拟,并与激波管实验测量光谱进行了对比。结果表明,目前的激发跃迁速率均存在偏差,综合Park模型的爱因斯坦系数和Johnston模型的碰撞激发速率可以得到与实验结果最为接近的辐射光谱。      

再入飞行器表面磁流体发电装置数值模拟

提出了钝锥型再入飞行器上的表面磁流体发电装置方案,采用低磁雷诺数近似下的磁流体力学模型对其进行了流动与静电场耦合的数值模拟,由此建立了表面磁流体发电装置中的物理图像.数值模拟结果表明,在典型再入条件(飞行高度46 km,速度7 km/s)下,所提出表面磁流体发电装置方案能够实现兆瓦级(电功率1.28MW)能量输出,电能提取导致再入飞行器阻力增大13.7%,对飞行器壁面总热流值的影响并不显著,但发电区域及其下游壁面的热流密度分布发生明显变化,该区域内热流密度峰值发生于电极的前、后缘.     

2009年2月13日EUV波现象数值研究

结合STEREO卫星的观测和三维磁流体力学数值模拟方法, 采用WSO (Wilcox Solar Observatory)磁场数据和势场源表面模型建立日冕初始磁场, 并在日面活动区加上时变的压强扰动, 对2009年2月13日05:35UT爆发的CME-EUV波(Coronal Mass Ejections-Extreme Ultraviolet wave, 日冕物质抛射-远紫外波)事件进行研究. 从COR1/STEREO-A图像判断, 此次CME前沿速度约340km·s-1, 角宽度约60°; 分析EUVI/STEREO-B 195 ?的差分图像, 可以看到, 环形亮环波前从活动区向四周传播, 亮环波前后面是日冕暗化区, 取四个方向的波前位置进行线性拟合可知, 该EUV波速度为247km·s-1, 数值模拟得到的EUV波速度为245km·s-1, 将计算结果采用IDL可视化后可以看到明显的亮环和暗区结构, 数值模拟结果与卫星观测相一致, 表明该EUV波现象是快磁声波.      

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

空气域压力对高速射弹入水流场影响

为研究空气域压力对射弹入水流场的影响,采用流体体积法(VOF)多相流模型对锥头圆柱体高速入水过程进行数值模拟,得到射弹入水速度与入水深度以及空泡形态的分析结果,并将数值模拟结果与基于牛顿第二定律和文献的理论结果进行对比,验证数值方法的正确性.基于该方法针对不同空气域压力条件对入水过程进行分析,结果表明空气域压力对自由液面上方的喷溅形态、空泡表面闭合时间以及空泡内部空化效应影响较大.空气域压力越大,空泡敞开阶段的空泡口处半径越小,空泡发生表面闭合的时间越早,空泡内部空化效应越强.     

小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的数值模拟

针对最大流量原理法在设计小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴方面的不足,采用Fluent软件中的多相流混合模型,模拟了包含蒸气和水两相的喷嘴内部流动,得到了流量、喷雾锥角等宏观参数,并和实验测量数据以及理论计算值进行了对比,分析了不同结果产生的原因;同时,还对喷嘴内的气液两相体积分数、轴向与切向速度、压力分布等流场特性参数进行了分析,着重论述了与理论模型之间的差异以及相应的机理.数值模拟方法考虑了液体的粘性和壁面摩擦力等因素,较好地反映了喷嘴内部的流场特性,为小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的设计提供了借鉴.      

血管壁内应力分布研究

应力一直被认为是影响动脉血管平滑肌细胞组织性质变化的重要因素.利用零应力状态和张开角的概念,推导受内压的血管壁的内力分布的解析解,并对具体的实例进行计算分析.计算结果表明,张开角对于沿血管壁厚度方向变化的圆周方向应力分布具有非常强烈的影响.      

LDEF: Chemical and isotopic measurements of micrometeoroids by SIMS

Described is a passive experiment for LDEF (Long Duration Exposure Facility) to measure the chemical and isotopic composition of interplanetary dust particles >10⁻¹⁰g for most of the major elements expected to be present. The detector consists of Ge targets covered with a metallized plastic film. During impact micrometeoroid vapor and melt are deposited on the underside of the foil which can be analyzed be secondary ion mass spectroscopy (SIMS) after the return of LDEF. Additional information on projectile mass, velocity and density can be obtained from the study of the penetration hole and the impact crater. Criteria for the choice of materials are given and first results of impact simulation experiments are reported which demonstrate the viability of the basic concept and show that isotopic data can be obtained from the deposits.     

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。