二级轻气炮模拟空间碎片 超高速碰撞试验技术

二级轻气炮是用来模拟空间碎片超高速碰撞效应的重要设备。文章首先介绍了目前二级轻气炮国内外的发展的概况;阐述了其工作原理及所使用的工作气体和试验用品;然后讨论了影响二级轻气炮性能的初始注气压力、活塞速度、弹丸释放压力、活塞质量、弹丸质量等若干参量;最后对反映二级轻气炮性能的重要指标弹丸出口速度和动态碰撞角的测试技术和方法进行了分析。     

天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。     

低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究

文章研究了低温下空间碎片对典型Whipple防护结构的超高速撞击效应。首先在二级轻气炮设备上研制出使用液氮可将撞击靶冷却至-150 ℃且满足低温超高速撞击试验要求的低温装置。利用该装置开展了低温条件下的超高速撞击试验,对低温和室温两种条件下的试验结果进行了比对,并分别对缓冲屏穿孔特性、碎片云特性和后墙损伤特性之间的差异进行了分析。文章最后给出低温下典型Whipple防护结构的弹道极限曲线。     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

空间超高速撞击碎片云前端速度的预测模型

文章利用一组二级轻气炮发射2017-T4 铝质球形弹丸撞击6061-T6单层铝板的地面试验数据,通过选择适当的函数模型,采用多元函数拟合的方法,得到了碎片云前端速度与靶板厚度、弹丸直径和弹丸速度关系的三元二阶多项式模型。再用另外一组数据对该模型进行检验,验证了其对碎片云前端速度具有较好的预测效果。将以上两组数据同样用于建立“无量纲化”模型进行碎片云前端速度预测,并与前述多项式模型的预测结果进行比较发现,该多项式模型预测的方均根误差及平均相对误差均明显优于“无量纲化”模型。该多项式模型可用于预测空间碎片撞击航天器产生的碎片云的前端速度,有助于航天器的空间碎片防护设计。     

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金whipple防护结构进行了试验研究.根据试验结果分析了铝合金whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0-5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5film、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律.根据高速x光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析.     

超高速撞击损伤的声发射波特征研究

利用二级轻气炮发射铝弹丸撞击铝板来模拟空间碎片对航天器舱壁结构的撞击,通过声发射传感器得到结构中的应力波动信号.对声发射信号进行小波时频分析和重构,得到信号的低频和高频部分,将重构信号的峰值作为特征值,分析了速度、成坑深度、损伤直径与声发射特征之间的关系.结果表明声发射低频信号的第一与第二峰值幅度比值可以作为撞击损伤的特征参数,并得到了成坑深度、损伤直径与声发射特征之间的经验公式.     

空间柔性充气密封舱用新型填充防护结构碎片撞击计算分析与实验研究

为实现空间柔性充气密封舱在轨对空间碎片的防护需求,设计了一种以玄武岩纤维布和Kevlar纤维布填充的多层柔性防护结构。应用Christiansen撞击极限方程对Nextel/Kevlar填充防护结构在不同结构参数下的撞击极限进行计算分析,得出了防护层总间距、Nextel纤维布层数和Kevlar纤维布层数对防护结构撞击极限的影响特性,为柔性防护结构强重比的优化设计提供了依据。利用二级轻气炮对玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构进行超高速撞击实验研究,获取了防护结构在低速区、高速区和超高速区的撞击数据,并以Nextel/Kevlar填充防护结构撞击极限计算曲线为参照对实验结果进行分析,验证了玄武岩/Kevlar纤维布填充防护结构可对空间柔性充气密封舱起到防护空间碎片撞击的效果。     

空间碎片减缓标准研究

分析和研究了世界有关国家、国际组织机构已制定的空间碎片减缓方面的标准、文件和手册,并在此基础上,开展了航天行业标准《空间碎片减缓要求》的起草工作,介绍了该标准的编制原则、适用范围、标准结构和主要内容等。     

关于编制《空间碎片缓减标准》的研究

概述了国际上关于空间碎片缓减方面的研究成果与现状 ,结合我国国情提出了编写《空间碎片缓减标准》的构想和内容 ,并对应编制的技术要求作了分析和介绍     

2010年ISO发布的国际航天标准主要内容简介

简要介绍2010年ISO发布的有关空间系统风险评估、空间材料、空间碎片减缓、运载试验、卫星处置以及项目管理等12项国际航天标准的主要内容.     

空间碎片减缓标准的研究与探讨

概述了空间碎片的属性及形成的过程 ,论述了研究空间碎片减缓标准的必要性 ,介绍了国外空间碎片减缓标准的现状 ,并在充分研究国外成果的基础上 ,对制定空间碎片减缓标准的主要内容作了阐述     

《航天器环境工程》(2006)总目次

第1期月球探测工程中的月球环境问题叶培建,肖福根(1)空间摩擦学研究及其实验装置与数据库建设的思考孙晓军(12)二级轻气炮模拟空间碎片超高速碰撞试验技术杨继运(16)多维动力学环境模拟试验技术研究樊世超,冯咬齐(23)太阳模拟器复杂构型卫星稳态温度场的数值模拟刘阳,刘学,黄本诚(29)材料热膨胀系数对太阳电池板应力的影响王晓燕,耿洪滨,何世禹,等(34)航天器薄膜材料在原子氧环境中退化研究刘向鹏,童靖宇,李金洪(39)静电雾化(电子喷射)技术理论基础及实验验证杨宋(42)半导体激光准直仪设计范宁,杨林华,史瑞良(51)球面密封结构密封性能初步…     

微米级空间碎片超高速撞击地面试验技术的研究进展

微米级空间碎片对航天器的累积效应将对其性能造成严重的影响,国外已开展了相关的超高速撞击地面试验技术研究.针对微米级空间碎片特点,国外相继发展了激光驱动加速、粉尘静电加速、电炮加速和等离子体加速等四种主要的地面试验技术.主要介绍了四种试验技术的原理和方法以及国内外研究进展,并对上述试验技术的各自特点作了对比,对各自适用范围进行了讨论.     

三层铝板结构高速撞击损伤与极限特性

利用二级轻气炮发射铝球弹丸,在真空环境下高速撞击双层铝板和三层铝板结构,研究撞击速度、板间距、铝板厚度对结构撞击损伤的影响。然后分析三层铝板结构的撞击极限速度,并与相同面密度的双层铝板结构的试验结果进行比较。结果表明,当面密度相同时,三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力,增加首层铝板厚度有助于提高三层铝板结构高速撞击防护性能,当第二层铝板位于首层铝板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。     

长征四号乙/丙运载火箭末级空间碎片减缓技术研究与应用

为有效减少空间碎片的产生,避免空间碎片危及空间活动和航天器安全,保护空间环境,对长征四号乙/丙(CZ-4B/4C)运载火箭末级空间碎片减缓技术及应用进行了研究。基于国际上对运载火箭末级空间碎片减缓的钝化和离轨等基本要求,确定了CZ-4B/4C运载火箭末级的钝化和离轨技术。给出了改进后的剩余推进剂排放方案。介绍了其中推进剂管理、排放程序优化设计、推进剂排放污染分析、全系统地面冷流试验、排放程序兼顾离轨,以及高压气体释放等关键技术。对CZ-4B/4C运载火箭28次LEO轨道发射任务事后的末级离轨效果统计表明:末级留轨近地点高度平均下降约200km,留轨寿命降低约70%,采取的末级钝化措施在LEO任务中的离轨效果明显。讨论了CZ-4B/4C运载火箭末级留轨时间控制中后续三级发动机二次点火离轨、三级发动机三次点火离轨和姿控正推推力器离轨等主动离轨方法发展及其关键技术。研究对推动我国运载火箭空间碎片减缓的发展有重要参考价值。     

航天器空间碎片被动防护技术

文章介绍了空间碎片被动防护技术的主要技术路线及其三个核心研究内容,即风险评估、防护技术及超高速撞击试验,并对我国空间碎片被动防护技术体系的建设提出了一些初步建议。     

空间碎片环境与航天器可靠性

文章介绍了空间碎片环境、空间碎片对航天器可靠性的影响、空间碎片地面模拟试验技术,以及空间碎片的防护技术。     

对美国宇航公司使用的轨道碎片模型的评价

文章介绍了碰撞程序和碎片程序,并进行了评价。前一个程序说明了碎片撞击的破裂特性;后一个程序给出了当一个空间物体进入碎片云时的撞击概率。     

空间碎片减缓策略分析及相关政策和标准综述

文章在简述空间碎片环境现状及其危害的基础上,分析空间碎片减缓的主要策略,以及有关的法规、政策和标准。研究结果表明:当前的空间碎片减缓策略主要是"抑制增量",即尽可能减少新的空间碎片产生;国家层面、政府间组织、联合国等多个层级都出台了相应的法规和政策,为确保空间碎片减缓行动的具体落地实施提供了强制性保证;一系列的各层级标准为空间碎片减缓措施提供了可操作的、协调一致的、国际统一的经验做法,可直接用于指导工程实践。