两种物态方程在超高速碰撞数值模拟中的比较

材料在超高速碰撞下将发生熔化甚至气化相变。为反映超高速碰撞中材料相变带来的影响,文章采用GRAY三相物态方程与Tillotson物态方程,对超高速碰撞进行数值模拟对比研究。研究表明:当碰撞速度在3 km/s以下时,除了靶板穿孔直径外,两种物态方程所给出的碎片云的结果基本一致;但当碰撞速度在3 km/s以上时,两种物态方程给出的数值模拟结果有较大差异,这说明在超高速碰撞中相变的产生对碎片云形状参数有较大影响。     

数字全息测量超高速撞击碎片云实验研究

在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速碰撞中心(HIRC)7.6 mm超高速碰撞设备的基础上，搭建纳秒级脉冲激光数字全息系统。提出滤波片和衰减片组合布置，减弱超高速碰撞等离子体自发光、提高信噪比的方法。实验获得了2.25 mm铝球弹丸以4.0 km/s的速度撞击0.5 mm厚铝板形成碎片云的全息图。采用小波变换算法对碎片云全息图进行重建，得到超高速撞击碎片云的三维结构和碎片大小。碎片云的轮廓呈椭球型，分为碎片云的前端、核心和外壳，碎片主要分布在弹丸破碎形成的碎片云核心，存在大碎片，且分布较集中，对后板的损伤也严重     

航天器典型防护结构节点分离FEM的数值模拟

建立了一种航天器防护结构超高速碰撞数值模拟的节点分离有限元方法。通过重合节点网格转换和添加节点集约束建立了节点分离有限元模型。在显式积分迭代中,将达到断裂判据的节点集解离,从而生成裂纹。对网格畸变问题进行分析,并建立了几何识别方法,进而删除畸变单元,改善了算法的稳定性。应用节点分离方法模拟了单层板超高速撞击问题,并分析了撞击速度对弹丸变形程度和碎片云形状的影响。应用节点分离方法对Whipple防护结构、填充式防护结构和多层网结构进行了模拟,获得了与实验一致的结果。多种算例表明,节点分离有限元方法改善了以往断裂侵蚀有限元方法处理网格畸变、碎片云模拟以及二次碎片云碰撞等方面的能力,对典型防护结构模拟具有很好的适用性,能够成为光滑粒子流体动力学(SPH)方法的有效补充和替代。     

空间碎片超高速碰撞数值分析

采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对空间碎片超高速碰撞问题作了模拟分析,给出了靶孔直径和碎片云宽度随碰撞速度的变化、累积碎片分布、碎片云无量纲向前总动量随膨胀距离的变化、碎片云前端速度的变化规律以及碎片云速度矢量等。     

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。     

克服地球轨道空间碎片的航天器防护结构几何规划设计

文章描述了一个用于航天器防护结构综合优化的独特方法——几何规划优化技术,以减小暴露于流星体和空间碎片超高速碰撞环境下的航天器防护结构系统的重量。空间碎片和流星体环境由广义加权目标函数的公式来定义。通过Wilkinson,Burch和Nysmith超高速碰撞预示模型说明几何规划的性能。表明遵循几何规划形式的超高速碰撞模型,可以进行综合非线性设计优化。     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

球形弹丸超高速撞击铝靶的分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS建立球形铝弹丸超高速撞击铝靶的计算模型,模拟弹丸以10 km/s的速度超高速撞击单层靶、双层靶和半无限厚靶;获得了超高速碰撞靶板的物理过程及靶板损伤特性,与超高速碰撞宏观现象相似;厚靶成坑坑深与宏观经验公式计算结果基本一致。模拟结果初步表明,分子动力学方法可以对弹丸超高速碰撞薄靶和半无限厚靶进行模拟,为揭示碰撞过程中的微观机理提供了一种新的研究方法。     

航天器撞击解体碎片的短期危害评估

讨论了航天器与短期碎片云碰撞概率的计算流程。基于碎片云中碎片的数量、航天器的横截面积和碰撞概率风险阈值,提出了“风险区域判据”的方法,用于快速判断筛选航天器是否存在与碎片云碰撞的风险。推导了基于NASA标准解体模型的碎片分离速度概率密度函数,建立了计算航天器与单颗碎片碰撞概率的时间积分算法。针对在计算航天器与整个碎片云碰撞概率时的数据量无限制增长问题,提出了近似简化的“准平均概率”方法,有效地解决了计算速度的瓶颈问题。分析讨论了航天器与碎片云的轨道误差对计算碰撞概率的影响。最后,采用仿真算例进行计算分析与验证。     

超高速撞击弹丸形状效应数值模拟研究

为保证在轨航天器的安全运行，微流星体和空间碎片的防护成为现有航天器，特别是长寿命、大尺寸航天器设计时必须考虑的问题。本文采用AUTODYN软件进行了不同形状弹丸超高速撞击whipple防护结构的数值模拟，对不同形状弹丸撞击Whipple防护结构的撞击极限曲线进行了比较，分析了各形状弹丸撞击防护屏后形成的碎片云状态，以及分析了各撞击极限曲线之间差异的原因。不同形状弹丸对Whiple防护结构的损伤能力有很大差异，弹丸破碎和碎片云分散程度随弹丸速度、长径比和撞击方向的改变而改变。     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。     

圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云特征仿真分析

为研究圆柱体弹丸超高速撞击薄板的碎片云特征,基于仿真软件AUTODYN-3D的光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟圆柱体弹丸不同长径比、不同攻角条件下超高速撞击薄板的过程。设圆柱体弹丸撞击速度为5 km/s,长径比分别为0.5、1.0、2.0、4.0,攻角为15°～75°,数值模拟结果分析表明:圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板形成的碎片云中,大部分是小质量碎片;大碎片的质量和动能占比较大,是造成后墙损伤的主要原因。同时,当弹丸长径比为0.5和1.0时,15°攻角下的碎片云侵彻能力最弱;长径比为2.0和4.0时,75°攻角下的碎片云侵彻能力最弱。研究结果可为航天器防护结构设计优化提供参考。     

空间碎片撞击气瓶穿孔孔径预测公式研究

星上压力容器中储存有高压气体或液体,在受到空间碎片和微流星体超高速撞击时可能发生灾难性事故。文章采用均匀实验设计方法对星上常用高压气瓶的超高速撞击仿真方案进行了试验设计,并通过LS-DYNA仿真软件对其进行了超高速撞击数值仿真,获取了不同参数的弹丸撞击气瓶时气瓶器壁穿孔孔径。通过对器壁穿孔孔径的数据拟合,建立了无防护情况下气瓶器壁的穿孔孔径预测公式。与试验结果对比表明,建立的穿孔孔径预测公式具有一定的预测精度。     

超高速撞击中靶后碎片云的内外边界方程研究

研究超高速撞击防护靶形成的碎片云的形状模型对航天器防护结构设计具有重要意义。文章用数值仿真的方法研究靶后碎片云的内外边界模型:将碎片云根据其材料来源分为靶板碎片云和弹丸碎片云,分别根据各碎片云的分布特点建立碎片云形状的内外边界方程;在双纽线边界方程的基础上,修正为由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程。对比整体碎片云的适用率表明,由双纽线方程和圆弧方程组成的边界方程比单一的双纽线边界方程描述碎片云实际分布更为贴合。     

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。     

超高速撞击声发射信号在Whipple结构中的传播时序特性研究

为研究屏/舱声发射信号传播时序特性,以典型Whipple防护结构为例,利用二级轻气炮对其进行超高速撞击实验。首先,利用独立于靶件的“遮挡板”阻挡弹丸击穿前板形成的二次碎片云撞击后板,利用布置在前、后板特定位置的超声换能器采集单纯的前板声发射信号,分析信号模态特征,结果表明：前板信号主要包括S0、A0和S2等三种模态板波,经圆柱支撑构件传播进入后板之后,全部转换为A0模态板波。在此基础上,建立了屏/舱声发射信号到达时序预测公式。其次,撤除遮挡板,利用布置在后板特定位置的超声换能器采集前、后板信号的混叠信号,分析两种信号的到达时序并与预测结果进行对比,结果验证了达时序预测公式的有效性。