跪式起落架在武装直升机坠毁过程中能量吸收能力研究(Ⅱ)——理论模型分析方法

 采用简化的弹簧 -刚性杆系统模型,通过 Lagrange方程解出了直升机以 6 m/ s的速度垂直撞击地面这一过程的动态响应,近似给出了起落架吸收的能量 (塑性功 )占初始动能的百分比;机体的动能变化曲线以及主缓冲器的载荷谱曲线。与有限元分析结果进行比较,符合程度很好,可为直升机抗坠毁初始设计提供理论指导。     

超高速碰撞碎片散布数值分析

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对低轨卫星与某空间物体的超高速碰撞问题进行了数值模拟。通过确立航天器轨道高低判定准则及判定方法,分析了碰撞角度、碰撞速度对碰撞碎片散布的影响情况。仿真结果表明,低轨卫星与空间物体碰撞产生的大部分空间碎片所处轨道高度位于原卫星轨道周围;碰撞碎片的散布情况与碰撞方式密切相关,相比于上升式碰撞,下压式碰撞产生的下降碎片个数较多,上升碎片个数较少;低轨卫星与空间物体碰撞产生的空间碎片总数与碰撞相对速度密切相关,碰撞相对速度越大,碎片数量越多;随着碰撞相对速度的增大,上升碎片、下降碎片及双曲碎片的个数逐渐增加;在不改变碰撞总动量数量级的条件下,改变空间物体的速度大小对空间碎片散布的影响并不明显。     

跪式起落架在武装直升机坠毁过程中能量吸收能力研究(Ⅰ)——数值仿真计算

 在简述直升机抗坠毁原理的基础上,模拟直升机机体的等效质量与跪式起落架构成的组合系统在 6m/ s硬着陆垂直撞击地面时的塑性动力响应和能量吸收过程。所用的模型为 :1基于真实几何构型和材料特性的起落架 FEM动力学计算模型;2简化的弹簧 -刚性杆系统模型。通过 Lagrange方程解出了直升机以6 m/ s的速度垂直撞击地面这一过程的动态响应,近似给出了起落架吸收的能量 (塑性功 )占初始动能的百分比;机体的动能变化曲线以及主缓冲器的载荷谱曲线。两者结果进行了比较,为直升机抗坠毁设计提供理论指导。     

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

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。     

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。     

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。     

薄壁管壳高速正撞击穿孔特性的数值研究

受径向曲率的影响,薄壁管壳遭受高速弹丸撞击产生的局部穿孔毁伤与薄板结构并不相同。本文利用LS-DYNA3D动力学程序,采用光滑粒子流体动力学和有限元法相耦合的方法(SPH-FEM),对球形弹丸高速正撞击不同直径薄壁钢管的穿孔毁伤特性进行数值研究。根据小弹丸高速撞击薄板的物理力学性质,可把穿孔过程简化为初始流动扩孔和随后的惯性扩孔两个阶段,提出一种圆柱管壳高速正撞击穿孔的简化物理模型,并分析圆管直径对轴向孔径和径向孔径尺寸差值比的影响。数值模拟结果表明,撞击速度为2~3 km/s时,薄壁钢管的正撞击穿孔略呈椭圆状,其轴向孔径尺寸稍大于径向孔径尺寸;随着薄壁钢管直径的增加,两个方向的孔径尺寸差值比减小。另外,薄壁钢管遭受小弹丸撞击穿孔后产生碎片云的分布形态受径向直径影响明显,相同撞击条件时,钢管直径越大,则产生碎片云的膨胀角和残余速度也较大。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

航天器分裂体或抛射物的轨道形成和演化

由卫星和碎片爆炸或相互间碰撞所产生的分裂体,或由在轨航天器向外抛射所产生的抛射物,对空间环境的影响正日益增大。对它们轨道形成和演化的研究可以为分析空间解体事件提供一种有效方法。本文利用Kep-ler运动积分以及受摄二体问题的分析解,建立了分裂体或抛射物的轨道形成及其演化与分裂或抛射速度之间的关系,从而为理解以各个方向、不同大小的速度分裂或抛射的物体的轨道演化特征提供理论依据。文章最后通过数值验证表明了该方法的有效性。     

空间物体的若干法律问题研究

对空间物体的概念、特征进行了研究，探讨了空间物体与空间碎片以及航空航天物体之间的关系，从而明确了空间物体的内涵与外延。此外，对空间物体发射国和空间物体的登记制度进行了研究，提出区分不同情况确定发射国和通过协议划分损害赔偿责任的创新观点。     

空间碎片防护问题的物质点无网格法与软件系统

空间碎片超高速撞击的防护是航天器结构设计须重点考虑的问题,超高速撞击过程的极强非线性对传统数值方法提出了巨大挑战。作为新兴的无网格法的一种,物质点法易于处理超大变形、断裂破碎和高速碰撞中的大量接触过程,非常适合求解超高速碰撞问题。对物质点法的算法理论进行了多项改进,自主研发了三维物质点法软件系统MPM3D,从多个角度模拟分析了空间碎片的超高速碰撞问题。模拟结果与实验吻合良好,能够正确再现开坑、层裂、碎片云等超高速碰撞典型现象,易于通过材料内禀结构建模研究泡沫、蜂窝等材料的撞击吸能和防护能力,显示出物质点法及其软件系统可以作为超高速碰撞的有力数值分析手段。     

航空发动机涡轮叶片包容试验及数值模拟

为了解断裂涡轮叶片与包容环的撞击过程,研究航空发动机的包容性能,提高飞机飞行安全。在高速旋转试验台上进行了飞断平板叶片与包容环的撞击试验,并采用基于撞击动力学理论的有限元数值计算方法模拟了撞击过程。结果表明,平板叶片撞击包容环产生两个撞击点,第二撞击点是较为危险的撞击点,撞击点处的径向凸起量随初始撞击动能的增大而线性增大,两撞击点间的距离随初撞击动能的增大而线性减小,数值模拟准确地反映了叶片与包容环的撞击过程。研究结果对航空发动机包容环结构的优化设计和包容能力的校核计算有一定的参考价值。      

民机燃油箱口盖耐轮胎碎片撞击分析及试验

CAAC25要求燃油箱口盖在遭受轮胎碎片撞击后不能发生燃油泄漏。参考AC25．963-1建议的验证方法,进行了轮胎碎片撞击口盖的有限元模拟分析以及两种类型燃油箱口盖结构的轮胎碎片撞击试验,根据分析结果的对比,优选出一种能够满足适航条款要求并保证燃油箱安全性的口盖方案。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

外物撞击航空发动机转子叶片速度估算

以飞机进气道为参照系，利用动量定理推导了外物在飞机进气道内运动的速度方程；以叶片为参照系，建立了外物撞击速度及撞击角度的表达式。为直观显示不同因素对速度变化的影响，以某型飞机及其发动机为例，研究了飞机离地时，发动机100%设计转速下，外物在飞机进气道内运动速度的变化规律。结果表明:影响运动速度的因素不仅包括外物的材质、形状、大小及姿态，而且涉及飞机进气道长度、发动机工作状态等；外物撞击方向与叶片表面不垂直。      

软着陆小行星的制导与控制规律研究

提出了一种微小探测器软着陆小行星的制导与控制策略，将软着陆小行星控制分解为速度方向控制和减速控制，为了控制速度方向，给出了一种带有终端控制项的比例导引规律，可以按闭环模式将探测器引向着陆点，并满足垂直下落的终端条件，为了实现无碰撞着陆，给出了一种减速控制规律，通过对理想速度曲线的跟踪，实现软着陆，仿具结果表明，提出的制导与控制策略可以实现探测器在小行星表面垂直软着陆。     

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。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。