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。     

KrF激光照射约束层靶驱动产生高速飞片研究

微小空间碎片的超高速撞击对航天器性能有重要影响。为了研究撞击损伤机制,在"天光一号"装置上开展了Kr F准分子激光照射约束层靶产生高速飞片的实验研究,利用成像速度干涉仪(Imaging-VISAR)对飞片自由面速度进行诊断。采用1.9 J准分子激光将10μm的Al飞片加速至12 km/s,且整个过程为准等熵加载。研究结果表明准等熵加载下激光能量转化为飞片动能的效率(达39.4%)比冲击加载要高得多,飞片速度也高于后者。     

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.     

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。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

一种非接触式微小飞片速度原位测量技术

文章提出了一种新的微小飞片平均速度原位测量技术,并研制了速度测量装置。在飞片的飞行路径上设置片激光,通过测量飞片经过片激光的时间间隔及对应的飞行距离,便可获得飞片的平均速度。测量装置的主要部件是高频激光器和高灵敏度光电接收器,无其他复杂或者大型设备,易于与激光驱动微小飞片发射装置等配套衔接,操作方便,成本低。大量试验数据表明,测量装置工作稳定可靠,对厚度不小于3μm、速度不大于10 km/s的飞片,速度测量精度优于5%。     

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。     

Lawrence-Gurney模型对于激光驱动飞片的适用性分析

Lawrence-Gurney模型给出了求解激光驱动飞片速度的方程组。文章从理论和试验两个方面对Lawrence-Gurney模型的适用性进行了分析,发现该模型不能较好地描述厚度为10μm以下飞片的驱动过程。主要原因是Lawrence-Gurney模型对激光与飞片的具体相互作用过程进行了简化假设,依据能量守恒和动量守恒定律建立数学方程组,而这些假设条件和近似求解条件对于厚度小于10μm的飞片均不能很好地成立,导致对飞片速度、能量耦合效率、冲量耦合系数和飞片烧蚀深度随激光能量变化的理论预估结果与试验结果偏差较大,需要进行修正。     

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.     

载人航天器安全性概率算法

本文从载人航天的工程实际出发，对载从航天器的安全性定义、安全性模型、安全性和可靠性之间的关系进行了深入的讨论。通过全状态事件树分析，给出了载人航天器安全性分析模型，并在此基础上推导出了载人航天器安全性概率算法公式。最后，通过宇航界一个载人航天器实例，说明了该方法的具体应用。     

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.     

燃气流速对EPDM绝热材料炭化层结构特征的影响

基于一种可变流速的烧蚀发动机,在含铝燃气环境中对三元乙丙绝热材料炭化层的结构特征开展了烧蚀试验研究,并对绝热材料表面炭化层进行了SEM分析及能谱分析.试验结果表明,绝热层表面燃气流速不同,所生成的炭化层表面、背面及侧面形貌及孔隙都有很大区别;燃气流速增大,炭化层厚度明显变薄,表面铝、硅氧化物沉积增加,同时炭化层材质疏松程度加大,结构强度减弱.