激光辐照充压壳体的破坏评价(Ⅰ)——破坏概率分析

时激光辐照充压壳体破坏(失效)的结果进行评价时,对有关物理参量的不确定性进行定量分析是必要的.以充压壳体破坏(失效)的断裂机理为基础,讨论了如何建立壳体结构破坏(失效)的评价方法,问题的核心是建立壳体结构破坏(失效)的概率模型.该模型中,将影响结构破坏的各个物理参量划分为驱动力和抗力两种类型,通过计算驱动力和抗力的均值和标准差,可得到结构的破坏概率.在此基础上,给出了数值算例,得到了不同加载条件下模型壳体的破坏概率.     

应变率对复合材料壳体外压性能的影响

对Φ200 mm的复合材料壳体的应变率相关性进行了试验研究。分别对准静态和应变率约为0.105 s-1的动态情况进行了试验。在动态加载过程中,采用了航天四院设计的脉冲压力发生器和外压试验装置,该装置可在10～200 ms将结构件加载至破坏。试验结果表明:复合材料壳体具有比较明显的应变率相关性,与准静态加载条件相比,当应变率达到0.105 s-1时,Φ200 mm的复合材料壳体其外压承载能力可以提高1.55倍左右。     

点火建压过程对药柱结构完整性影响试验研究

针对发动机点火建压过程中药柱损伤的问题,建立了一种用于模拟发动机点火瞬态的快速充压系统。该系统通过并联多个快速电磁阀实现气体通道的瞬间打开,选用节流控制阀实现建压时间的调节,在较短时间内使得高压气源与试验发动机气压平衡,实现对发动机点火建压过程的模拟。针对某发动机进行了不同充压速度的试验,获得了对应充气速度下的试验数据和药柱CT照片。结果表明,在试验发动机自由容积和节流孔径不变的情况下,系统建压时间与目标压强无关;建压后压强曲线存在震荡段、平衡段、下降段;系统建压过程中,气流的温度会迅速上升,最高实测温度为205℃;不同充压速度会引起不同程度的药柱损伤。该快速充压试验系统及方法对于药柱损伤评价、固体火箭发动机故障分析和药柱结构完整性研究具有重要意义。     

低温动态加载下老化HTPB推进剂细观损伤研究

采用扫描电镜(SEM)对低温动态单轴拉伸后的HTPB推进剂断面形貌进行了观察,分析了不同加载条件下推进剂的细观损伤形式。结合盒维数数值方法,进一步讨论了推进剂的细观损伤程度变化情况。结果表明,热老化后HTPB推进剂在低温动态加载时,其细观损伤更复杂、更严重;温度、应变率和热老化均能改变推进剂的细观损伤形式,存在细观损伤发生改变的临界加载条件;随温度持续降低、应变率持续升高及热老化时间增长,盒维数值最终保持在1.866附近,即推进剂的细观损伤程度不再发生改变。研究结果对分析低温点火时战术导弹固体火箭发动机药柱的结构完整性具有一定参考价值。     

力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体轴压稳定性分析

为了研究炭纤维缠绕壳体在力热联合载荷下的轴压稳定性,通过试验测试了炭纤维复合材料单层板在不同温度下的弹性常数,计算出炭纤维复合材料壳体在不同温度下的等效弹性常数。基于层合板理论计算了炭纤维复合材料壳体的临界轴压,设计了力热联合载荷下炭纤维缠绕壳体试验方案,测试了壳体在不同温度下的轴压破坏载荷。结果表明,炭纤维复合材料壳体的临界轴压随温度升高逐渐降低;当使用温度超过树脂玻璃化温度后,壳体轴压破坏载荷呈指数级下降;在临界轴压理论计算公式的基础上取修正系数为0.04,可准确预示炭纤维复合材料壳体的轴压破坏载荷。相关结论和方法可为固体发动机复合材料壳体和外防热结构设计提供依据。     

三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

采用1 315 nm波长连续激光,在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池,通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据,研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm~2、辐照时间为60 s时,三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著,转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下,引起电池串联电阻(R_s)、并联电阻(R_(sh))的恶化,且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。     

带有基体裂纹角铺设层合板的刚度

纤维缠绕固体发动机壳体在内压试验爆破之前,体常常发生一定规律分布的裂纹.采用细观力学原理,研究了基体裂纹对角铺设层合板刚度的影响,结果表明该影响比较明显.最后讨论了刚度变化与铺设角等之间的关系.     

药柱对燃烧室外压失稳载荷的影响

通过外压屈曲计算及外压试验研究了某固体火箭发动机壳体与燃烧室的外压稳定性。外压屈曲计算得到了壳体、燃烧室的外压屈曲载荷、屈曲失稳波形以及径向位移(环向应变)随外压载荷的变化规律。对比壳体与燃烧室的计算结果发现,燃烧室径向位移(环向应变)-载荷曲线上拐点处对应的外压载荷相对壳体明显偏高,说明药柱对燃烧室外压承载能力贡献较大。对不同推进剂松弛模量的计算表明,推进剂松弛模量与燃烧室外压承载能力呈正相关。壳体、燃烧室外压试验所得失稳波形以及药柱对燃烧室外压承载能力的影响规律与计算结果吻合较好。     

内压作用下壳体刚度对药柱强度的影响

在厚壁圆筒内、外压强作用下弹性应力解的基础上,利用三维问题的应力-应变关系,得到了厚壁圆筒内的应变和位移表达式;由圆管型药柱与复合材料壳体连接处的径向位移连续性条件,得到了内压作用下药柱与壳体之间的压强;讨论了该压强对药柱内应力和应变的影响,给出了药柱内的应力和应变表达式.结果表明,提高壳体圆筒的刚度或减小药柱的m数,...     

基于超声红外热成像技术的复合材料损伤检测

采用超声红外热成像技术,对某飞行器的复合材料壳体损伤进行了检测研究。采用数值分析模拟了超声激励下复合材料损伤处的摩擦生热及热传导过程,分析了裂纹处的温度分布及裂纹尺寸对检测结果的影响;利用超声波发生器对含分层损伤复合材料试件进行了试验,根据表面温度的分布实现了对损伤的定量识别。结果表明,超声红外热成像技术能够快速准确地检测到复合材料表面及浅表面的界面贴合型损伤(如分层,疲劳裂纹等);对损伤的定位准确、检测结果直观、不存在加热非均匀等问题;选择恰当的耦合材料能有效消除"驻波"现象的产生,并提高损伤检测效果。     

C/C复合材料表面烧蚀细观形貌损伤分析

基于C/C复合材料烧蚀表面细观形貌和细观结构上的流场分布规律研究,着重分析了微裂纹尺寸对C/C复合材料中Z向纤维和基体界面上因变温引起的开裂损伤的影响,给出了微裂纹随温度变化的扩展规律及微裂纹特征尺寸随温度变化的表达式;提出了在高温下因变温而造成的损伤模型,为C/C复合材料结构烧蚀计算提供了一种基础性理论。研究结果表明,高温下变温会引起C/C复合材料力学性能的劣化。     

连续波激光推力器稳定工作条件的解析计算模型

连续波激光推力器工作需要稳定的等离子体以吸收激光。为得到推力器中等离子体稳定维持的参数条件,根据吸收室内绕等离子体区域流动的流场特征,考虑高温状态下工质的热物理性质、激光吸收和辐射效应,建立了推力器吸收室内的能量平衡模型,该模型包含入射激光功率、推力室压强、等离子体区核心温度以及工质质量流量等参数。计算表明,该模型所得稳定质量流量随压力、激光功率的变化趋势与实验结果一致,并解释了稳定质量流量区间存在的原因。     

考虑内压影响的加筋柱壳高效屈曲优化

针对运载火箭贮箱结构,基于渐近均匀化法建立考虑内压的非等厚筋条的加筋壳承载力快速计算方法。首先,采用渐近均匀化法获得加筋单胞的等效刚度阵,进而基于瑞利-里兹法计算考虑内压的整体失稳载荷,并基于板壳理论发展了加筋柱壳的蒙皮和筋条局部失稳载荷计算方法。此外,基于自适应代理模型优化方法,开展了考虑多种失效模式的加筋柱壳承载力最大化设计,以最优设计为例,分析了内压对加筋柱壳整体失稳载荷的影响规律。     

带轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩试验

在Ma 6风洞内，通过高频脉动压力测试技术和基于纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术，分别对带前向、后向轴对称台阶的圆锥高超声速边界层转捩进行了试验研究。采用功率谱密度分析和互相关计算等方法对脉动压力数据进行分析，得到了边界层中扰动波的发展规律，定量分析了第二模态波的相关参数。结果显示：两种模型中第二模态波在沿流向向下游发展的过程中，其幅值均先增大再衰减、特征频率均逐渐减小；特征频率和传播速度整体上均随雷诺数的增大而增加(后台阶模型中特征频率由100 kHz增至196 kHz，前台阶中则由 97 kHz 增至174 kHz)、波长变化规律则与之相反(后台阶中由6.35 mm降至4.54 mm，前台阶由7.35 mm降至 4.66 mm )；后台阶模型中第二模态波初次出现位置比前台阶中更靠近上游，边界层转捩位置较前台阶前移。将NPLS结果与高频脉动压力测试结果进行对比，两者吻合较好。     

激光辐照充压柱壳温度场和应力场数值模拟

考虑了材料参数随温度的变化,用有限元法计算了充压柱壳在不同预应力载荷、光强分别为均匀分布和高斯分布的激光辐照下的瞬态热力学耦合过程,计算出温度场和应力场。分析了热力学耦合规律,给出了破坏的危险部位。计算得到,应力峰值出现在激光加热的高温区和常温区的交界处;对于光强高斯分布,破坏首先发生在光斑中心附近;而对光强均匀分布,破坏首先会发生在边缘处。     

Results of Kirari optical communication demonstration experiments with NICT optical ground station (KODEN) aiming for future classical and quantum communications in space

Bi-directional ground-to-satellite laser communication experiments were successfully performed between the optical ground station developed by the National Institute of Information and Communications Technology (NICT), located in Koganei City in suburban Tokyo, and a low earth orbit (LEO) satellite, the “Kirari” Optical Inter-orbit Communications Engineering Test Satellite (OICETS). The experiments were conducted in cooperation with the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA), and called the Kirari Optical communication Demonstration Experiments with the NICT optical ground station (or KODEN). The ground-to-OICETS laser communication experiment was the first in-orbit demonstration involving the LEO satellite. The laser communication experiment was conducted since March 2006. The polarization characteristics of an artificial laser source in space, such as Stokes parameters, and the degree of polarization were measured through space-to-ground atmospheric transmission paths, which results contribute to the link estimation for quantum key distribution via space and provide the potential for enhancements in quantum cryptography on a global scale in the future. The Phase-5 experiment, international laser communications experiments were also successfully conducted with four optical ground stations located in the United States, Spain, Germany, and Japan from April 2009 to September 2009. The purpose of the Phase-5 experiment was to establish OICETS-to-ground laser communication links from the different optical ground stations and the statistical analyses such as the normalized power, scintillation index, probability density function, auto-covariance function, and power spectral density were performed. Thus the applicability of the satellite laser communications was demonstrated, aiming not only for geostationary earth orbit-LEO links but also for ground-to-LEO optical links. This paper presents the results of the KODEN experiments and mainly introduces the common analyses among the different optical ground stations.     

激光辐照充压壳体的破坏评价(Ⅱ)——局部热载作用下断裂参数的分布特性

在激光辐照充压壳体的破坏评价中,需确定断裂参数的分布类型及相关的分布参数.壳体材料的断裂韧性KIC是评估模型中对破坏结果有重要影响的断裂参量.因此,以壳体材料30CrMnSiNi2A的KIC为主要研究对象,利用数理统计的方法,对其相关分布特性进行了研究.首先,根据提供的样本,对于断裂参数的分布类型,利用Shapiro-Wilk W检验和正态概率纸检验,表明断裂参数的分布服从正态分布.其次,对于分布类型的数字特征,利用参数估计的方法给出了点估计结果,同时对估计精度及相关的最小样本容量进行了分析.这些问题为了解评估数据的可信程度提供了基础,同时也可为实验室数据处理提供了参考.     

激光制导武器的对抗技术研究

激光制导是目前制导精度最高的导引技术之一,在分析其原理和特点的基础上,探讨对抗激光制导武器的方法和技术,包括激光侦查、高重频激光干扰、激光致盲等。     

非同轴式喉栓变推力固体发动机试验

设计了非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统,进行了变推力原理性试验研究。解决了试验中出现的喉栓结构完整性问题;基于内弹道计算,分析了喉栓变推力固体发动机的压强特性;通过喉栓不同运动过程的试验,开展了喉栓发动机压强特性研究;通过试验结果的对比分析,发现了影响发动机压强爬升的主要因素。试验验证了喉栓式变推力固体发动机的原理可行,以及所设计的非同轴式喉栓变推力固体发动机试验系统可行,满足试验研究需求。