航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心(CARDC )开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。     

卫星解体碎片生成数值模拟

提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。     

样本量对空间碎片测距精度的影响

日益增多的空间碎片严重威胁着在轨航天器的运行安全，对空间碎片的监督与防御逐渐引起了关注。高重复率激光测距技术为空间碎片测量提供了有效手段。激光脉冲的高重复率意味着大样本量。而在满足精度要求下，对样本量需求的研究较少。本文基于高重复率取样，研究了样本量对测距精度的影响，并得到了满足精度要求的最小样本量。首先，将空间碎片的轨道根数作为先验信息对测量数据进行预处理。通过多项式拟合和迭代获得有效样本点，逐渐减少样本量，绘制精度随样本量的变化曲线。从精度曲线变化阈值中可以获得最小样本量，可以此选取激光测距系统激光发射重复频率。对一些空间碎片的测距实验结果表明，有效样本量可以获得30%—60%的降低。     

天基在轨空间碎片撞击监测技术的进展

随着空间的开发利用,空间碎片与日俱增,对航天器的危害已不容忽视.作为航天器健康诊断系统和空间环境监测的空间碎片在轨撞击监测技术,可以提供航天器遭受空间碎片撞击的位置、撞击的严重程度分析、损伤模式识别,同时提供空问碎片的质量、速度、撞击的角度等空间碎片的环境参数,这些信息能够帮助地面工作人员和设计人员采取有效和措施来对维持航天器的正常工作和保证航天员的安全.在轨监测系统的重要性已为世界各国所共识.对目前应用于空间碎片在轨监测技术的原理进行了研究,主要包括声发射技术,PVDF压电薄膜技术,电容传感技术等,同时对监测技术的可行性和应用现状进行了分析,提出了存在的问题和发展的趋势.     

空间碎片的形成,危害及防护

对空间碎片的形成，危害及航天防护等问题进行了讨论，简述了领域内的研究成果，包括基本概念、理论模型和设计方案，并对今后空间碎片研究的重要性和研究的内容进行了分析。     

卫星在空间碎片撞击下的易损性分析方法研究

针对厘米/毫米级空间碎片对卫星的撞击风险评估,在对卫星部件的失效模式及影响分析(FMEA)的基础上,结合射线跟踪法和失效树分析法建立一种卫星目标的易损性分析方法,计算卫星在空间碎片撞击下导致不同损伤等级的系统失效概率PK/H。详细介绍了该易损性分析方法的总体思路和各项关键技术,并给出了应用实例。该方法可推广应用于载人航天器上,对于航天器的撞击风险评估和防护结构优化设计有重要意义。     

立铣空间力学模型分析研究

航空产品大量使用薄壁结构零件，但薄壁零件在加工中由于受力变形易产生让刀现象，造成零件尺寸精度难以保证，为研究其变形机理，建立准确的切削力学模型十分关键。本文在已有文献的基础上，建立了螺旋立铣刀切削的力学模型，并对铣削力的空间分布状态进行了必要的讨论，为进一步研究薄壁零件加工变形奠定了理论基础。     

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。     

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。     

航天器对空间碎片撞击危害的被动防护技术

本文介绍了人类对空间碎片的认识过程和被动防护屏的演变，着重讨论了多次冲击防护屏概念，各层的功能及多次冲击防护屏的优点，并提出了防护屏综合设计应考虑的若干问题。     

基于磨粒分析方法的发动机磨损故障智能诊断技术

磨粒是研究磨损状态时最直接、最重要的信息元，通过对滑油中的磨粒进行监测与分析来判断机械设备的磨损情况，可以预防并监测机械设备的磨损故障。本文运用显微形态学方法建立了一套磨粒显微特征描述体系，以提取磨粒信息并进行磨损故障的模式识别；并结合摩擦学理论和人工智能方法，实现对发动机磨损故障的智能诊断和预测。     

磨粒监测与分析系统在航空发动机状态监控中的应用(英文)

磨损颗粒是研究机器磨损状态时最直接、最重要的信息元 ,通过对滑油中的磨粒进行监测与分析以判断机械设备的磨损状况 ,可以监测并预防机械设备的磨损故障。本文介绍的磨粒监测与分析系统 ( DMAS)具有制谱简单、自动化程度高、能及时准确预报及诊断机器的各种磨损类故障等特点 ,可以有效地保障机器安全可靠地运行。本文详细地阐述了这套系统的基本原理、软硬件组成 ,以及在航空发动机磨损状态监测中的应用     

复杂背景下磨粒显微图像分割

针对DMAS系统中复杂背景下磨粒图像的自动分割问题，根据磨粒图像的相关特征，充分利用领域知识，基于图像分割和边界跟踪的思想，选取了适合磨粒图像分割的最大类间方差阈值法，并结合腐蚀、膨胀等图像处理技术，实现了复杂背景下磨粒图像的有效分割和目标提取。最后算例表明了本方法的简洁有效性。本文研究将对进一步展开磨粒识别和机械设备故障诊断研究工作提供前提和依据。     

发动机磨屑尺寸的分布模型及其应用

磨屑分析是研究零件摩擦表面破坏机理、监测机械磨损状态的主要方法之一。本文研制了一种将微机图象处理技术应用于铁谱技术的磨屑显微分析系统。根据对ＷＺ－６航空发动机长试过程的监测研究，提出了机械磨损磨屑尺寸的Ｗｅｉｂｕｌｌ分布规律、研究证实，Ｗｅｉｂｕｌｌ函数的参数、磨粒分布的均值和方差等特征能够清楚地指示出发动机工作过程中的磨损类型和程度。在此基础上，本文以统计检验和Ｊ散度指标为依据，探讨了航空发动机运行时的磨损状态监测和故障诊断的方法。     

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。     

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。     

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。