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。     

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。     

航天器微流星体及空间碎片环境与风险分析

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。文章对低地球轨道微流星体及空间碎片环境进行了分析 ,给出了微流星体及空间碎片对航天器威胁方向的确定方法 ,得到了空间碎片撞击航天器相对撞击角的概率分布以及地球对微流星体遮挡的影响。编制了风险分析软件 ,以采用单防护屏防护结构的柱状低地球轨道航天器为例进行风险分析。     

基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测

填充式防护结构的显式弹道极限方程在对弹丸进行超高速撞击损伤预测时,由于填充材料、填充方式的不同,会导致预测结果与实测数据存在一定偏差。对此,采用机器学习方式将该问题转化为二分类问题,以碰撞过程中的弹丸撞击参数、防护结构参数作为分类特征,构建了基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测模型。该模型以分类回归树（CART）作为弱分类器,通过对一系列弱分类器的加权组合生成强分类器,并通过对训练样本的循环使用,实现了小样本集下的撞击损伤预测。实验结果表明,建立的Adaboost预测模型对填充式防护结构的超高速撞击损伤具有良好的预测效果,总体预测率与安全预测率相比于NASA的弹道极限方程均提高了14.3%,具有更强的通用性。通过不同训练样本规模下的交叉检验,证明了该模型具有良好的鲁棒性与准确性。      

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。     

在轨航天器撞击解体特性分析与计算

对在轨航天器撞击解体问题进行了研究, 基于NASA 标准解体模型, 给出了在轨航天器撞击解体算法, 重点分析了解体计算时应该满足的几个约束条件. 编写了该算法的通用仿真计算程序, 并通过与P-78 卫星解体事件的实测数据比较验证了算法和程序的正确性. 研究结果对预测分析在轨撞击事件的毁伤特性具有重要的参考价值.      

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.     

单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能影响

钛合金蜂窝夹层结构在制备或使用过程中可能会产生面板裂纹损伤。采用试验和有限元结合的方法研究了单侧面板裂纹损伤对钛合金蜂窝夹层结构弯曲性能的影响。结果显示:单侧面板裂纹损伤会明显降低钛合金蜂窝夹层结构面板弯曲强度，弯曲强度近似随裂纹长度的增加而线性降低；有限元模型能够准确预测结构的破坏模式和破坏强度，预测得到的面板弯曲强度与试验结果最大偏差仅为6%。采用的有限元方法可用于含面板裂纹损伤的钛合金蜂窝壁板结构弯曲性能的工程预估。      

基于PLS-SEM的航天器控制系统能力建模方法

为提升航天任务完成品质,航天器需根据任务及环境针对性调整自身能力,而对航天器控制系统高层次能力的定量刻画,即系统能力建模是实现上述调整的重要理论依据。针对一类航天器姿态控制系统,提出一种基于偏最小二乘-结构方程模型(partial least square structural equation model, PLS-SEM)的航天器控制系统能力建模方法,实现对包括控制能力、观测能力等抽象能力的定量描述。首先,根据航天器闭环控制系统的结构要素,综合设计能力建模所需的指标类型,生成建模数据样本。在此基础上,设计并构建SEM框架下的能力变量体系,进而通过PLS算法完成模型路径、载荷、权重等关键参数的确定,并对所得PLS-SEM能力模型的结构方程与测量方程的有效性、可信性等分别进行评估。最终,根据航天器PLS-SEM能力模型对控制系统的各抽象能力进行定量描述与分析,验证本文所提出建模方法的可行性。     

发动机进气道水滴撞击特性分析

针对某发动机进气道的防冰系统设计,对进气道的水滴撞击特性进行了研究.在对进气道流场进行计算的基础上,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数;此外,还研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响;研究发现水滴撞击极限、总收集系数和局部水收集系数随飞行速度的减小、飞行高度的增加或者水滴半径的增加而增大.这些为进气道的防冰系统设计奠定了基础.     

蜂窝夹层结构剥离应力分析

为了研究蜂窝夹层结构受剥离力时面板的变形和蜂窝芯中的应力,对蜂窝夹层梁进行了数学分析和实验验证.将建筑中的弹性地基上梁的理论用于蜂窝夹层结构分析,视面板为弹性地基上的梁,视蜂窝芯为弹性地基,得出了蜂窝夹层结构受剥离力时的面板变形和夹芯中的应力分布的计算公式.通过分析和实验指出,将建筑中的弹性地基上梁的理论用于蜂窝夹层结构分析,具有计算量小、精确度较高和公式直观等优点.      

热载荷蜂窝夹层板作用下固有频率预测与分析

针对热载荷作用下蜂窝夹层板固有频率变化的问题,分析了蜂窝夹层板在热载荷作用下的应力分布及固有频率,并根据应力分布预测了夹层板的固有频率变化,与仿真得到的频率变化一致。仿真结果表明:碳纤维蒙皮蜂窝夹层板在热载荷作用下的固有频率基本不变,且约束形式对频率变化的影响很小;铝合金蒙皮蜂窝夹层板在热载荷作用下时,约束形式对频率变化影响很大,当约束较少时频率基本保持不变,当约束较多时将引起结构固有频率大幅下降。     

基于欧拉法模拟旋转帽罩水滴撞击特性

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟。通过引入耗散函数求解水滴相无黏欧拉方程,实现了欧拉法求解三维旋转帽罩的水滴撞击特性。分析了旋转帽罩转速对水滴撞击特性的影响。发现旋转帽罩转速越大,其表面水滴撞击极限稍有减小。在典型飞行条件与气象条件下,离心力对水滴运动轨迹的影响远小于惯性力对其的影响,旋转帽罩转速对水滴撞击特性影响较小。     

小行星防御动能撞击效果评估

以动能撞击防御潜在威胁小行星概念为背景,采用物质点法(Material Point Method,MPM)模拟了铝弹高速撞击S型小行星的过程,将撞击结果导入引力N体–离散元动力学模型中,对其后续演化过程进行仿真,并分析了撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示小行星在高速撞击的作用下部分破碎,大量碎片以与撞击方向相反的速度向外喷射,从而提升了小行星的撞击偏移效果。研究采用了两种不同结构的小行星模型:完整结构(monolithic structure)的小行星在遭受撞击后会喷射出比原小行星小得多的碎片,而碎石堆结构(rubble-pile structure)的小行星在撞击作用下可分裂成大小和速度分布较为均匀的碎片。威胁指数的分析表明动能撞击方式确实有效减小了小行星的威胁程度,撞击后的最大剩余碎片可被成功偏移至安全轨道,但仍有部分碎片会与地球相撞。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好,次生灾害主要为大质量碎片的撞击。研究方法可用于未来开展防御小行星的动能撞击任务的撞击条件选择和撞击结果预估。     

辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响

通过对一种碳纤维复合材料面板铝蜂窝夹层结构辐照前后力学性能的试验 ,得到了辐照影响该种蜂窝夹层结构力学性能的变化规律。在试验的基础上 ,讨论分析了空间辐照对碳纤维面板铝蜂窝夹层结构力学性能的影响机理。通过试验和比对 ,从中找出了具有一定普遍性的规律 ,提出了如何提高该蜂窝夹层结构抗空间辐照的研究方向。     

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。     

日本的隼鸟号小行星探测器

5月7日报载．日本宇宙航空研究开发机构似计划利用即将返回地球的隼鸟号小行星探测器．对正在研发的小行星撞击地球预测系统的精确度进行测试．这再次引起了人们对隼鸟号航天器的关注。     

曲面夹层结构成形压力和反弹分析

针对曲面夹层结构制造过程中的力学问题,分析了制造过程中曲面夹层结构的刚度变化,说明了曲面夹层结构的成形机理并给出了刚度计算公式.讨论了曲面夹层结构成形压力的计算方法,使用板壳理论推导出了小曲率曲面夹层结构的成形压力计算公式,给出了算例和计算结果.讨论了曲面夹层结构反弹的计算方法,给出了小曲率曲面夹层结构的反弹计算公式和算例的计算结果.分析了普通蜂窝、柔性蜂窝和微型桁架的变形特点,提出了曲面夹层结构夹芯的选择原则.