微米级空间碎片粉尘静电模拟加速设备现状原理及发展现状

由于微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞频率碰撞概率很高,虽然单次撞击不一定造成航天器损坏,但其累积效应仍然会影响航天器的性能。超高速地面模拟实验是研究微米级空间碎片撞击效应最直接、最有效的手段,国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。     

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.     

激光驱动飞片速度的理论分析

激光驱动飞片技术是模拟微流星体/空间碎片对航天器外露材料/部件超高速撞击,用于开展撞击累积损伤效应与材料性能退化的研究,也是进行航天器在轨寿命预估和空间碎片防护研究的重要技术手段。飞片速度是衡量激光驱动飞片技术水平的关键性参数之一。文章从Lawrence改进的Gurney模型出发,着重分析了激光输出能量、脉宽、聚焦光斑大小以及飞片靶厚度等参数与飞片速度大小的关系,提出激光驱动飞片技术中提高飞片速度的主要途径:其他条件一定时,薄靶较厚靶更易获取高速飞片;小光斑较大光斑更易获取高速飞片;长脉宽高能激光器或短脉宽低能激光器比较适合获取高速飞片。以上结论对从试验上获取高速飞片具有重要指导意义。     

一种新型空间微小碎片超高速碰撞试验地面模拟方法

文章简要叙述了空间微小碎片环境及其对航天器的影响,同时介绍了一种新型空间微小碎片超高速碰撞地面模拟方法——激光驱动飞片技术。     

激光驱动飞片系统模拟空间碎片超高速撞击

文章介绍了北京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片系统将厚度5μm的铝质飞片发射到8.3 km/s.该驱动系统采用调Q钕玻璃激光,脉宽15 ns,最大能量达到20 J.针对热控材料、舷窗玻璃及OSR等外部表面功能材料开展了超高速撞击实验研究,取得初步研究结果.实验结果表明激光驱动飞片技术可很好地用于模拟微流星/空间碎片超高速撞击效应研究.     

粉尘静电加速设备原理及发展现状

微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞概率很高,其累积效应会影响航天器的性能.国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应.文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论.     

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。     

飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

为考察空间碎片对航天器光学材料的影响,将光学材料撞击损伤与具体撞击碎片相对应,采用激光驱动飞片技术进行空间碎片地面模拟。设计了能形成速度可控的具体撞击碎片的激光驱动飞片装置,针对空间碎片不同速度和形态,通过改变激光能量和光束直径获得具有不同速度和长径比的飞片。研究了石英玻璃撞击损伤特征与飞片速度、长径比等参数的对应关系。结果发现:随着激光能量的增加,飞片速度的增加,撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小;随着飞片长径比的减小,主要撞击损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。通过碎片群平均参数改进为具体碎片参数,提高了地面模拟的有效性,利于高通量空间碎片环境中材料服役行为评价的研究,对空间碎片地面模拟技术和撞击损伤效应有一定的参考价值。     

地基模拟空间碎片速度测试技术

碎片速度测试技术是地基空间碎片模拟设备系统中的一项关键技术。文章对于毫米尺寸碎片的测速技术,介绍了电探针方法、激光遮断法、磁感应方法、X闪光照相以及激光干涉测速技术（VISAR）等;压电传感器方法、超高速条文摄影法及散射光法等微米级碎片,测速方法。通过介绍这些测速方法的基本原理及应用范围,并对相应的系统性能进行评价,可以为相关研究提供参考。另外,对常用的毫米和微米级空间碎片的地基驱动设备及其技术参数也进行了介绍。     

空间碎片防护研究最新进展

空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,对航天器的撞击事件频繁发生。随着空间碎片环境的日趋恶化,航天器的防护变得越来越重要。文章从空间碎片环境模型、撞击风险评估、航天器部件损伤、防护材料与结构的超高速撞击试验、撞击试验数据库建设、超高速发射设备、在轨撞击感知、机构间超高速发射设备交叉校验等方面对国内外空间碎片防护研究的进展进行了总结,并在此基础上给出我国未来空间碎片防护研究的发展建议。     

激光驱动飞片速度和完整性的影响因素分析

激光驱动微小碎片装置是一种地面模拟微小碎片对航天器损伤破坏的研究设备,其模拟碎片的速度和整体性是两个最关键的性能参数。文章从驱动设备的原理出发,介绍了激光器性能参数、飞片靶约束层及烧蚀涂层对碎片速度和整体性的影响,给出了约束层和烧蚀涂层厚度设计方法及选材范围,并比较了不同的飞片靶制备工艺对飞片速度和整体性的影响。     

激光驱动微小碎片对石英玻璃撞击损伤效应试验研究

空间碎片撞击对航天器表面材料性能具有很重要的影响。文章从碎片对材料撞击作用角度出发,使用激光驱动飞片技术对光学玻璃进行了撞击试验研究。为了便于对撞击损伤机理的研究和效应评价,开展了单次撞击试验和多次撞击试验,并对这些试验进行了测试分析。试验表明:高速飞片与撞击靶损伤处有很好的对应关系,且高速飞片撞击对石英玻璃表面造成了损伤结构,进而导致光透过率下降。     

激光驱动微小碎片技术可行性研究试验

文章介绍了激光驱动微小碎片技术的可行性研究试验.试验中,对4种粘膜方法进行了比较,在真空中测出了铝飞片的速度,并进行了两种防护材料的损伤评估.试验结果说明:在地面建立一套完整激光驱动微小碎片模拟装置不但必要,并且是可行的.     

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。     

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。     

航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估

用北京卫星环境工程研究所的18mm口径二级轻气炮(TLGG)和20 J激光驱动微小飞片装置(LDFF-20)对用作航天器舷窗玻璃的熔融石英玻璃的超高速撞击损伤特性进行了实验研究和分析.其中,TLGG发射的球形铝弹丸直径分别为1 mm和3 mm,速度2～6.5 km/s;LDFF-20发射的圆柱形飞片厚度7 μm,直径1 mm,速度1～8.3 km/s.撞击结果为:对12 mm厚的熔融石英玻璃,直径为3mm的弹丸甚至在2.8 km/s的低速下就将其穿透,而直径为1 mm的弹丸在6.5km/s的高速下没有穿透,这说明弹丸直径对撞击损伤特性有很强的影响;LDFF-20发射的微小飞片的撞击仅在玻璃表面产生很浅的凹坑,没有裂纹产生,但微小飞片的累积撞击损伤明显地降低了玻璃的透光性.实验初步获得了侵彻深度PC、侵彻直径D1与弹丸撞击速度Vp、弹丸质量Mp之间的经验关系.依据实验结果和目前的微流星体/空间碎片(M/OD)环境工程模型,建议对于高度为400 km、轨道倾角42°、寿命为3年的典型航天器,其舷窗玻璃的临界安全(非穿透)厚度至少为12mm.     

基于径向基函数神经网络的空间碎片撞击模式识别研究

RBF 神经网络是广泛应用的神经网络之一,可应用于航天器空间碎片撞击损伤模式的识别研究。采用AUTODYN 仿真软件模拟产生高速撞击声发射信号,并随机提取其中部分信号,以信号幅值和撞击观测点等作为输入参数,以撞击速度作为输出参数,建立RBF 神经网络,实现对空间碎片撞击速度的反演及穿透模式的识别。实际证明该神经网络能在一定程度上有效反演弹丸撞击速度。