航天器波纹防护屏高速撞击实验研究

微流量及空间碎片的高速撞击威胁着航天器的安全运行 ,导致其严重的损伤和灾难性的失效。本文给出和分析了柱状弹丸高速撞击铝合金波纹防护屏 Whipple防护实验研究的结果。结果表明 :波纹防护屏具有分散不同入射角弹丸高速撞击所产生碎片云损伤能量的特性 ,并能降低弹丸滑弹碎片对航天器外部结构和子系统的损伤 ,该防护结构的防护性能优于铝合金板防护屏 Whipple防护。     

玻璃钢空间碎片防护构型性能的实验研究与仿真分析

在不增加空间碎片防护构型体积、质量的约束条件下提升防护构型的性能,一直是空间碎片防护领域的一项重要工作。文章设计了玻璃钢填充层结构与玻璃钢铝板贴合后壁结构2种防护构型,通过开展弹道靶超高速碰撞实验和数值仿真分析,探究这2种玻璃钢防护构型与等面密度Whipple构型的防护性能差异。实验中采用铝弹丸直径为4.0 mm,碰撞速度范围为4.64～4.80 km/s,同时使用Autodyn软件开展数值仿真进行补充论证。结果表明:玻璃钢铝板贴合后壁构型相对于传统的Whipple屏防护性能更好,玻璃钢填充层构型比玻璃钢铝板贴合后壁构型的防护性能更优;同时仿真分析显示,冲击波在后壁内反复振荡的构型可能具有更好的防护效果。     

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。     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

抗空间碎片碰撞穿透的航天器加强防护板设计

文章描述了以整体薄护罩和等效重量波纹薄护罩制作的双层板结构系统穿孔阻力的研究结果。指出如果以等效重量波纹缓冲器代替整体缓冲器可以显著地增加穿孔防护能力。针对在倾斜超高速碰撞事件中跳飞碎片的产生,波纹薄护罩的波纹参数可以用减少势的方法优化。     

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。     

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。     

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。     

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。     

美俄卫星太空碰撞事件及对航天活动的影响

文章介绍了最近发生的美俄卫星太空碰撞重大事件;深入剖析了导致碰撞的可能原因;详细评述了卫星碰撞事件对空间碎片环境的严重恶化和对人类航天活动的影响;分析了碰撞事件对空间碎片研究带来的新困难和新挑战。文章指出,从航天器安全角度来讲,减缓、控制乃至清除空间碎片是全人类共同的责任和唯一选择。     

载人航天器空间碎片防护与减缓设计

为降低空间碎片撞击所带来的威胁,文章针对某载人航天器进行了空间碎片撞击风险分析,并设计了空间碎片专用防护结构,制定了轨道规避策略;同时针对重点设备进行钝化设计,并采用寿命末期有控离轨制动方案。以上措施可有效实现空间碎片减缓。     

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。     

航天器空间碎片防护结构设计优化技术研究

航天器空间碎片防护结构设计优化在国际上属前沿研究课题,也是我国载人航天后续工程急需突破的技术。文章研究了防护优化理论方法,建立了适用于各类典型防护结构的两类防护优化数学模型,介绍了所采用的优化算法;完成了防护结构设计优化软件系统的重要模块防护优化算法库及防护优化求解器的设计开发;还对防护优化求解器进行了测试考核,验证了求解器的有效性、稳定性及高效性。     

球形弹丸高速撞击航天器防护结构的数值模拟分析

给出了空间碎片超高速撞击航天器双层防护结构模型，采用非线性有限元方法中的光滑粒子流体动力算法，计算了球形弹丸对航天器双层防护墙结构超高速撞击过程，获得了弹丸穿过第一层防护墙后，碎裂形成颗粒云团及其对第二层防护墙的损伤效应。计算结果表明多层防护墙结构能够有效地缓减高速空间碎片对航天器的破坏作用。     

Debris dispersion effect in N-shape configuration

Spacecraft shields play an important role in shielding against the impact of space debris. Increasing the dispersion degree of the debris produced by the impact of the space debris on the bumper of configuration is able to lower the concentration of debris impacting on the rear plate and thus to reduce the risk of debris perforating the rear plate. In order to improve the dispersion degree, the N-shape configuration is proposed and studied by hypervelocity impact test with the velocity of 4.80 km/s and numerical simulation with the velocities ranging from 3.0 km/s to 7.0 km/s. As a comparison, the distribution of debris impacting on the rear plate is also investigated for the parallel triple-wall configuration with the same areal density. It is found that this degree is increased in the N-shape configuration due to the oblique plate, and therefore the risk of debris perforating the rear plate is reduced compared to the case of parallel triple-wall configuration.     

基于弹丸最大碎片理论的碎片云模型

文章基于弹丸最大碎片理论,建立了一种新的碎片云模型。假设碎片云分为缓冲板碎片云、弹丸碎片云及弹丸最大碎片3个部分,而缓冲板碎片云和弹丸碎片云分别为2个大小不等的膨胀球壳,而弹丸最大碎片与这2个球壳头部相切。该模型与Schonberg模型和Swift模型的对比分析结果表明,新模型形式简单、精度高、适用范围广,可以有效指导航天器空间碎片防护结构设计与防护性能分析。     

Effect of Multi-wall System Composition on Survivability for Spacecraft Impacted by Orbital Debris

Long-duration spacecraft in low earth orbit such as the International Space Station (ISS) are highly susceptible to high-speed impacts by pieces of debris from past earth-orbiting missions. Among the hazards that accompany the penetration of a pressurized manned spacecraft are critical crack propagation in the module wall, crew hypoxia, and uncontrolled thrust due to air rushing out of the module wall hole. A Monte Carlo simulation tool was used to determine the effect of spacecraft wall construction on the survivability of ISS modules and crew following an orbital debris penetration. The simulation results indicate that enhanced shield wall designs (i.e., multi-wall systems with heavier inner bumpers) always lead to higher overall survivability of the station and crew due to an overwhelming decrease in likelihood of module penetration. The results of the simulations also indicate that changes in crew operations, equipment locations, and operation procedures can significantly reduce the likelihood of crew or station loss following an orbital debris penetration.     

Protecting spacecraft against meteoroid/orbital debris impact damage: an overview

Meteoroids and orbital debris pose a serious damage threat to all spacecraft. The effects of a meteoroid/orbital debris (M/OD) impact depend on a variety of factors, including where the M/OD impact occurs, the size, composition, and speed of the impacting object, and the function of the impacted spacecraft system. These effects can be minimal, can degrade a functional spacecraft component, or can compromise spacecraft functionality, even to the point of mission loss or loss of life. To minimize the damage threat from the meteoroid/orbital debris environment, it is often necessary to install protective shielding around critical spacecraft systems. If a system cannot be shielded, operational constraints may need to be imposed to reduce the damage threat. This paper presents an overview of the research and development activities performed since the late 1950s with an aim of increasing the level of protection afforded satellites and spacecraft operating in the M/OD environment and ultimately mitigating the mechanical and structural effects of an M/OD impact.