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。     

航天器空间碎片超高速撞击防护的若干问题

空间碎片对航天器的超高速撞击损伤已受到国内外的普遍重视,如何使在轨航天器对空间碎片进行有效防护是航天器长寿命、高可靠安全运行的重要保障。文章概述了空间碎片环境现状、空间碎片超高速撞击危害以及国内外空间碎片防护的研究现状和趋势。重点介绍了航天器常用的Whipple防护结构及其各种衍生结构的防护性能和弹道极限方程（BLE）,评述了这些防护结构防护性能的优缺点。     

空间碎片撞击在轨感知技术研究综述

随着航天发射活动的日益频繁,空间碎片环境随之恶化。为了应对空间碎片的撞击威胁,人们提出了用空间碎片撞击在轨感知系统实时监测航天器在轨遭受空间碎片撞击的情况。文章在对国内外相关研究机构研究成果的调研基础上,介绍了国内外在空间碎片撞击在轨感知技术领域的研究现状,对各国基于超高速撞击声发射技术的空间碎片撞击在轨感知技术的发展状况进行了全面评述,重点介绍了国内的研究进展。最后基于国内航天事业需要,探讨了未来发展方向。     

弹丸超高速撞击单层和多层板结构的碎片特征研究

针对空间碎片撞击航天器典型结构形成的碎片特征问题,开展了单层板和多层板在4.4～5.8 km／s速度下的超高速撞击试验,利用激光阴影照相技术和碎片软回收方法获得了不同试验状态下碎片尺寸及质量分布等信息,同时采用数值仿真方法分析了碎片的形成机理。研究结果表明,碎片数量随弹丸及靶材尺度的增大、撞击速度的提高而增加,且随碎片尺寸的减小呈指数关系增长。碎片尺寸与其形成机理有关,小碎片主要是在应变率较高的冲击加载和相变作用下形成,对撞击速度的变化更为敏感;大碎片则是在较低应变率下,因靶材的穿孔损伤造成局部强度下降,在冲击作用下材料沿薄弱处撕裂并脱落而形成。     

多孔铝板高速撞击声发射定位方法

目前,声发射定位技术在空间碎片撞击航天器事件中的撞击源定位问题中得到了广泛研究。在定位算法上,声发射信号传播机理的复杂性表现为输入量的随机性;多次撞击的复杂性则表现为声发射信号传播的弯曲路径。文章针对多孔铝板声发射定位问题进行研究,采用伽马分布对声发射信号传播的弯曲效应进行建模,采用相对时间差方法对声源进行定位,最后通过仿真分析对所提供的模型与算法性能进行了数值演示。该方法可应用于空间碎片撞击航天器的撞击源定位与损伤评估。     

用于验证数值仿真的Whipple屏超高速撞击试验结果

为提供验证超高速撞击数值仿真所需的试验结果,给出了在中国空气动力研究与发展中心超高速所进行的铝质Whipple屏超高速撞击试验部分结果。试验中,球形弹丸均为LY12铝合金材料,直径为0.4~0.5cm;靶材为间距10cm、厚0.192cm的LY12板材。撞击速度为4.47~6.15km/s,撞击角为0°和45°。给出的试验结果包括弹丸和靶材参数、撞击速度、撞击角、弹孔尺寸、后墙损伤情况和碎片云激光阴影照片等。实验结果表明,撞击速度越高,Whipple屏的防护效果越好,而斜撞击比正向撞击造成的破坏更严重。     

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径研究

微流星体及空间碎片的超高速撞击对在轨航天器,特别是长期留轨的栽人航天器构成了严重的威胁,甚至可导致灾难性失效,为此航天器采用了各种Whipple类防护方案以提高其在轨生存能力。穿孔孔径是研究弹丸超高速撞击下航天器舱壁撞击损伤的重要参数之一。文章对目前所建立的Burch损伤经验公式与Schonberg—Williamsen穿孔经验公式进行了研究,比较了其各自特点;同时,基于上述模型提出了适用范围更广的弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径经验公式,为航天器的灾难性失效分析提供有效的工具。     

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。     

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。     

A fast numerical approach for Whipple shield ballistic limit analysis

Whipple shield is widely used on manned spacecraft, numerical simulation is an important way for obtaining the ballistic limit. The large population of particles and the large space span of Whipple shield simulation model restrict the computational efficiency. A fast numerical approach is presented for Whipple shield ballistic limit analysis. First, the critical penetration analysis of the rear walls is converted into specific impulse analysis delivered by the secondary debris cloud, because the maximum of specific impulse is the main determinant of the penetration. The dual plate simulation model is then converted into single plate model and the population of particles is reduced. Second, based on the isotropic expansion theory of secondary debris cloud, the specific impulse analysis is further converted into particle position and velocity analysis when the stable secondary debris formed. The space span of the simulation model is reduced. An example of Whipple shield ballistic limit analysis is provided for the verification of the fast numerical approach, it shows that this approach can significantly increase the computation efficiency with acceptable accuracy.     

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。     

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。     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

三层铝板结构高速撞击损伤与极限特性

利用二级轻气炮发射铝球弹丸,在真空环境下高速撞击双层铝板和三层铝板结构,研究撞击速度、板间距、铝板厚度对结构撞击损伤的影响。然后分析三层铝板结构的撞击极限速度,并与相同面密度的双层铝板结构的试验结果进行比较。结果表明,当面密度相同时,三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力,增加首层铝板厚度有助于提高三层铝板结构高速撞击防护性能,当第二层铝板位于首层铝板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。     

基于聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的密封舱壁穿孔损伤识别技术

日益恶化的空间碎片环境将严重威胁空间站及航天员的在轨安全。文章基于聚偏二氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）压电薄膜设计了一种密封舱壁穿孔损伤识别技术方案,用于识别空间碎片超高速撞击对航天器密封舱壁造成的损伤模式,可为航天员合理选择应急措施提供依据。首先,发射超高速弹丸穿透铝合金靶板以模拟密封舱壁被击穿损伤的情况,形成的碎片云撞击PVDF压电薄膜探头,利用信号采集设备获取高速撞击引起的去极化效应信号,识别该信号的频率特征;其次,对PVDF压电薄膜探头及其支撑结构进行敲击试验,模拟在轨运行时因碰撞产生的干扰信号,掌握此类干扰信号的频率特征。试验结果表明,当系统采样频率为20 MHz时：1）所获得的探头去极化效应信号具有极为陡峭的上升沿,且上升沿的时长为亚μs量级;2）去极化效应信号主要由1 MHz以下的信号组成,但也包含少量的3～10 MHz高频成分;3）敲击探头及其支撑结构所产生的干扰信号频率在20 kHz以下。可根据频率差异进行两种信号的识别。     

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的撞击载荷分析

文章为了分析超高速弹丸对Whipple防护结构后墙的撞击损伤,利用质量守恒、动量守恒及能量守恒等分析了碎片云运动特性,在此基础上构造了碎片云对Whipple防护结构后墙的法向撞击载荷函数,为进一步分析弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后其后墙的裂纹长度提供了有效的分析工具。