超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.     

超高速碰撞碎片云的激光阴影照相技术

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性，在中国空气动力研究与发展中心超高速碰撞靶上建立了激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪和成像系统组成，在采用补偿式滤光等技术后，获得了撞击速度v≈6km／s时清晰的碎片云图像。本文对该系统的工作原理、系统构成以及调试情况进行了介绍。试验结果表明：(1)该系统可以获得清晰的超高速碰撞碎片云图像；(2)扩束镜、成像物镜质量本身是影响碎片云激光阴影成像质量的主要因素；(3)各光学元件的不同结构及不同放置也会严重影响阴影成像质量。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心超高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1.94km/s(犕犪=5.65),单位雷诺数4.32×107~1.20×108 m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0.6~2.2mm 之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0.3~0.8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明:弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性，设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法，并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验，测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像，对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析，获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息，可为分析气化产物运动特性提供数据支持；测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符，证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。     

空间碎片超高速碰撞问题的SPH方法模拟

采用Tillotson物态方程和Steinberg-Cochran-Guinan(SCG)本构模型,利用光滑粒子流体动力学方法对铝质球形弹丸和柱状弹丸超高速撞击薄铝靶作了数值模拟.对于球形弹丸,通过对比实验结果和计算结果,二者吻合得较好,表明SPH方法能很好地模拟弹丸超高速碰撞问题及碎片云的形成过程.不同长径比的柱状弹丸45o斜碰撞碎片云前端均有一个近似锥形的突出,随着碰撞倾角的增大,突出的锥形前端逐渐消失,喷射角迅速增大,当碰撞倾角达到75o时绝大部分弹丸质量发生了跳弹.比较三种弹丸,长径比大的弹丸对靶板的破坏能力更强.     

200犿自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0.5~30kg模型发射速度0.3~5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1.5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0~80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2.5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34.4MPa。研究发现:在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2.5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2.0~2.3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23°,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

超高速碰撞可见光谱辐射强度测量技术

针对航天器防护技术及超高速碰撞物理现象研究需要,为超高速碰撞靶研制了超高速碰撞光谱辐射强度测量系统.笔者对该系统的设计和应用该系统对半无限靶碰撞可见光谱辐射强度测量结果进行了介绍.结果表面:所研制的可见光谱辐射强度测量系统满足超高速碰撞可见光谱辐射强度测量要求,并具有成本低、使用方便和易于扩展功能等特点.     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3~10km/s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0.2~10km/s速度范围内可实现直径为0.1mm量级粒子的有效探测.     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

通过超高速撞击试验,获得了铝球撞击铝板反溅粒子云团在250~340nm波段的辐射特征光谱。在该波段辨认出铝原子的六条特征谱线,并对其伴线进行了解耦。根据所测光谱数据,使用多谱线法测量出不同撞击条件下的超高速撞击反溅粒子云团的温度,发现超高速撞击反溅粒子云团温度随弹丸直径和撞击速度的增加而增加;相较弹丸直径,反溅粒子云团温度对撞击速度更加敏感;最后拟合出反溅粒子云团温度与撞击参数之间的经验公式。对每条谱线波峰和整个波段分别进行了积分,研究发现谱线波峰积分强度、整个波段积分强度均与弹丸动能呈线性关系,并获得了谱线波峰积分强度与撞击动能之间的斜率系数,该系数可以表征在超高速撞击条件下该峰值的辐射效率。最后结合所得超高速撞击反溅粒子云团温度经验公式推导出基态原子数与撞击参数之间的关系,在此基础上探讨了超高速撞击反溅粒子云团原子离化率、气化率与撞击参数的关系。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3.0mm 的钢球高速(0.96和1.88km/s)及超高速(3.52和4.98km/s)撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明:高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面:一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

基于CVAE的超高速碰撞碎片云运动过程的快速预测技术

在航天器防护构型设计中，需要快速、精确预测空间碎片超高速撞击防护屏产生碎片云的质量分布及其运动过程。采用深度学习方法，基于条件变分自编码器（CVAE）模型和大量铝球超高速正撞击铝板的光滑粒子流体动力学（SPH）方法的数值模拟结果，初步构建了碎片云空间质量分布与运动特征的快速预测模型。数值模拟中把铝球速度（3.00～8.00 km/s）、铝球半径（2.00～8.00 mm）、铝板厚度（1.000～4.000 mm）以及观测时间（1.0～12.0 μs） 4个变量作为输入控制参数，生成大量格式统一的训练集数据。模型隐藏层采用200个特征数据来描述碎片云质量分布，训练集参数范围内平均误差在0.6%以内，生成一个碎片云质量分布的平均时间小于7 ms。