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。     

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。     

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。     

一种基于声发射阵列的航天器在轨碰撞与泄漏定位方法

针对现有航天器碎片碰撞和泄漏定位方法难以兼顾高精度和实时性的问题,提出利用二级声传感器阵列检测航天器在轨碰撞与泄漏声发射信号,通过声达时差法对碰撞点进行定位并利用波束形成法对泄漏进行定位。试验结果表明,在1 m~2范围内,碰撞定位相对误差小于2%,直径1 mm以上漏孔的定位相对误差小于10%。     

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。     

航天器无控再入解体非规则碎片散布范围分析研究

针对服役期满大型航天器在无控情况下再入大气层解体过程及再入点难以提前预测,再入解体后生成的碎片可能造成地面伤害等问题,采用基于空间方位角的碎片有限分组策略与飞行姿态角随机统计模拟技术,提出非规则碎片几何分类与质量分布模型及地面散布范围可计算建模方法,结合气动特性当地化快速算法和三自由度弹道方程,建立了空气动力融合弹(轨)道高精度数值积分碎片运动散布范围统计计算方法,初步实现了对航天器无控再入解体碎片的全程跟踪模拟。结果表明:解体点弹道倾角对碎片散布范围影响很大,散布区域整体呈细长条状,纵向达数千公里,横向仅为百余公里,质量越大的碎片航程越远。     

空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统

再人航天器解体产生的空间碎片在高速气体加热作用下发生烧蚀,残存碎片对地面造成很大威胁.开发空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统(DRAPS),建立碎片三自由度(3DOF)弹道模型,在连续流,自由分子流和过渡区流分别采用牛顿流模型、无碰撞分子动理论和桥函数方法进行碎片气动力/气动热预测,利用零维或一维热传导模型模拟...     

基于空间密度的MEO星座长期碰撞风险研究

考虑到中轨道(MEO)区域将要部署越来越多的卫星,为确保星座的长期运行安全,有必要针对卫星离轨带来的长期碰撞风险问题开展研究。首先,列出了MEO区域的空间物体分布现状与国际规则;然后,以空间密度和长期碰撞风险等数学模型为基础,开展了不同离轨策略的MEO卫星带来的长期碰撞风险分析。研究表明：开展卫星离轨后的长期碰撞风险分析,对于MEO卫星离轨策略的确定具有明确的指导意义;MEO卫星离轨与自身星座、邻近星座以及坟墓轨道200年内碰撞风险在10^-5～10^-6量级,小于低轨(LEO)卫星的10^-3的碰撞风险阈值,当前MEO区域的空间物体运行是安全的。     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

基于星载可见光相机的空间碎片探测

空间碎片在轨识别与参数辨识为空间轨道预警、航天器规避空间碎片提供了重要依据。文章在轨道相对动力学的基础上,模拟了空间碎片在光学探测过程中的拖尾成像特性;随后,采用 Hough变换对空间碎片尾迹特征.r进行提取与识别,获取碎片方位角信息,通过匹配多帧图像,获取碎片的方位角速度信息。同时,结合激光测距仪的测距信息,获取空间碎片的位置和速度信息;通过数值仿真验证,该方法能够实现对空间碎片探测、识别和定位,因而具有一定的工程应用价值。     

Fragment Identification and Statistics Method of Hypervelocity Impact SPH Simulation

A comprehensive treatment to the fragment identification and statistics for the smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation of hypervelocity impact is presented. Based on SPH method, combined with finite element method (FEM), the computation is performed. The fragments are identified by a new pre- and post-processing algorithm and then converted into a binary graph. The number of fragments and the attached SPH particles are determined by counting the quantity of connected domains on the binary graph. The size, velocity vector and mass of each fragment are calculated by the particles’ summation and weighted average. The dependence of this method on finite element edge length and simulation terminal time is discussed. An example of tungsten rods impacting steel plates is given for calibration. The computation results match experiments well and demonstrate the effectiveness of this method.     

飞机油箱水锤效应影响因素及其影响程度研究

水锤效应是飞机燃油箱的一种主要损伤模式,它可能引起油箱结构灾难性的破坏,分析水锤效应的影响因素及其影响程度,对燃油箱易损性的评估、燃油箱防护性设计具有重要意义。以破片速度衰减、箱内液体压力和壁板变形为对比参量,模拟一个等效飞机油箱在不同破片速度、质量(材料)、形状、入射角度、入射方向打击下及不同充液率时的水锤效应;并采用最小二乘法拟合油箱的入/出射壁板变形公式。结果表明:随着破片速度、质量和油箱充液率的增大,水锤效应的破坏能力显著增强;破片形状对液体压力和壁板变形均具有一定的影响;破片的入射角度、方向将改变其在油液中的运动路径,进而影响水锤效应。     

复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法

基于赫兹接触定律,建立了复合材料层板低速冲击模型,在此基础上提出了复合材料层板冲击后永久凹坑的理论计算方法。通过对T700/5428和T300/5428两种材料层板低速冲击永久凹坑计算结果与试验结果的对比,证实了这种方法在较小冲击损伤情况下的可行性与有效性。通过这种方法,可以为复合材料冲击性能的预测提供一种参考。     

复合材料结构的低功耗冲击区域监测方法

复合材料凭借优异性能而被广泛应用于民用飞机结构,但复合材料结构可能会因冲击而产生内部损伤并严重降低结构的性能。因此,以低功耗方法不间断地对飞行器复合材料结构进行冲击监测就显得尤为关键。面向机载提出了一种基于反向加权和的低功耗冲击区域定位算法,该算法基于数字化冲击监测原理,依据冲击响应数字序列进行冲击事件的区域定位。算法运算过程简单高效,便于通过嵌入式软件编程至核心处理器,并显著减少在核心处理器执行算法所需的功耗、时间和存储空间,有利于冲击监测系统的低功耗设计和应用。此外,将算法应用在低功耗小型化冲击监测系统中,并评估了冲击区域定位算法在复合材料机翼盒段结构上的准确率。评估结果显示,低功耗冲击区域监测方法可以准确的监测每次冲击事件,且冲击区域定位准确率达到了96%。     

冲击韧性与断裂韧性间关系的探讨

 材料常规冲击试验的冲击韧性(αK)是工程上五大机械性能指标之一,已沿用多年,但一直没有明确的物理意义。本文利用近代发展的可测载荷-挠度曲线的冲击试验机,将测得实验结果区分为弹性变形功、塑性变形功、裂纹形成功与裂纹扩展功。据此明确了材料受冲击负荷时应力-应变的变化过程;同时,建立了断裂性能与冲击性能之间的关系,找到一种表征冲击负荷下材料断裂韧性的度量方法。     

APU 转子爆破对防火墙影响的研究

APU是安装在民用飞机上的辅助动力装置,是飞机上重要的部件,因此必须考虑APU 转子爆破时小碎片对飞机安全的影响。通过有限元软件LS-DYNA,分别模拟了APU 转子爆破时小碎片对APU 防火墙以及3种不同厚度加强板的冲击计算。根据数值计算结果,选择合适的加强板方案,既能防止防火墙碰撞区被小碎片击穿,同时付出的重量代价又较小。通过对APU 防火墙增加加强板,确保APU 转子爆破时飞机的安全 性,满足AC20-128A 的设计要求。     

齿轮传动线外啮出冲击建模与计算

基于齿轮传动线外啮出冲击原理,提出在啮合线方向上构建含系统等效误差和齿对综合变形的啮出冲击计算模型.根据齿轮变形随载荷变化的曲线推导出线外啮出冲击点的综合变形.将系统等效误差与齿对综合变形沿啮合线方向进行合成,求出线外啮出点与冲击点的位置.根据啮合点法向速度相等原理,求解线外啮出过程中被动齿轮最小转速和啮出冲击速度,进而求解出线外啮出冲击力.结果表明:线外啮出冲击力为啮入冲击力的70%~80%.即啮出冲击对齿轮传动较啮入冲击的影响要小,验证了啮出冲击和啮入冲击对"啮合合成基节误差"具有不同的作用效果.     

撞击平板的动力响应计算和实验研究

本文采用16节点立体等参元,进行了冲击速度为10～20m/s时的平板动力响应数值分析。程序中考虑了结构的大变形,采用全拉格朗日描述法,时间离散使用了纽马克法。文中分别对LY12CZ和PMMA两种材料平板的动力响应计算结果和试验结果作了比较。提出用HopkinsonBar装置测定平板在硬撞击下撞击总耦合载荷及撞击点挠度随撞击时间的分布关系。同时文中提供了上述两种材料的动态力学性能参数,由这些参数可以认为PMMA为应变率敏感材料,在高速撞击下呈现“脆化”现象,而LY12CZ则为应变率不相关材料,在冲击载荷下呈现良好的塑性变形特性。     

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。