柱状弹丸撞击防护屏形成碎片云材料状态特性研究

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着长寿命、大尺寸航天器的安全运行，导致其严重的损伤和灾难性的失效。为精确估计微流星体及空间碎片高速撞击防护屏所产生碎片云对舱壁的损伤，必须确定碎片云中三种状态材料的特性，建立了碎片云特性分析模型，分别计算了柱状弹丸撞击防护屏所产生碎片云以及碎片云中弹丸和防护屏材料三种状态物质的质量分布。通过计算分析可见，弹丸以不同速度撞击防护屏所产生碎片云三种状态物质的质量分布是不同的，速度增大，液化和气化增强，对靶件的损伤小。而在速度小于7km/s时，碎片云以固体碎片的形式存在，对靶件的损伤大。     

卫星高压气瓶的超高速撞击试验

微流星体及空间碎片超高速撞击对在轨航天器构成了严重威胁,星上压力容器受空间碎片撞击后所产生的威胁是十分严重的,可能导致航天器发生灾难性失效,过早结束其使命。文章通过星上常用气瓶的超高速撞击试验,获取了不同弹丸撞击参数下气瓶器壁的通孔孔径,得到了在弹丸撞击速度为(6.5±0.3)km/s、无防护情况下气瓶器壁的弹道极限,并分析了导致充压气瓶灾难性失效的弹丸直径范围;通过对试验数据拟合,初步建立了弹丸正撞击速度为(6.5±0.3)km/s、无防护情况下气瓶器壁的通孔孔径预测公式,为航天器遭遇空间碎片撞击的风险评估及防护措施制定提供依据。     

弹丸撞击防护屏形成碎片云速度特性研究

微流星及空间碎片的高速撞击威胁着长寿命，大尺寸航天器的安全运行，导致其严重的损伤和灾难性的失效，为精确估计微流星及空间碎片主速撞击防护屏产生的碎片对舱壁的损伤，必须确定碎片云速度特性。文章在冲量和能量守恒的基础上，建立了碎片速度性分析模型，研究了碎片云的速度特性，得到了碎片云材料传播及碎片云喷射角随弹丸撞击速度的变化规律。     

单层板撞击成坑声发射辨识及参数估计研究

空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求,为研制基于声发射技术的感知系统,有必要研究利用声发射波形分析对防护结构进行损伤模式辨识的方法。文章利用超声传感器进行了铝弹丸超高速撞击单层板的声发射信号采集实验及其数值仿真,并对波形在时域和频域内进行分析,结果表明:声发射波形的主波谷值随撞击速度增加而线性增加,直到防护结构被击穿;声发射波形中的高频分量与低频分量幅值之比存在一个区别成坑模式与击穿模式的阈值。基于上述结果提出了一种在撞击弹丸尺寸已知条件下辨识成坑模式并对其撞击速度及其弹坑尺寸进行估计的方案。     

高速撞击充气压力容器前壁损伤数值模拟

针对空间碎片超高速撞击充气压力容器前壁损伤问题,应用非线性动力学分析软件AUTODYN采用拉格朗日方法对球形弹丸撞击球形压力容器前壁穿孔进行了数值模拟研究。在建模过程中通过对容器壁内侧施加压力边界条件来模拟由于内充气体的作用在容器壁内产生的应力场,并通过与试验结果的比较验证了数值模拟方法的有效性。在此基础上针对容器的内充气体压力、球形弹丸直径及撞击速度对充气压力容器前壁穿孔的影响进行了研究。结果表明:在一定的气体压力下,气体压力对压力容器前壁穿孔直径与穿孔形态的影响可以忽略不计;而撞击速度及弹丸直径对穿孔直径及穿孔形态有着较大的影响,当撞击速度大于3km/s时,撞击穿孔边缘开始有裂纹产生,并且穿孔直径与裂纹直径随着弹丸直径及撞击速度的增加而增大。利用压力容器前壁穿孔的数值模拟结果进行计算可以得出当容器受到撞击速度大于3km/s的弹丸撞击后比撞击速度不大于3km/s时更易发生破坏。     

超高速撞击航天器二次碎片云能量特性分析

为了评估空间碎片超高速撞击航天器的碎片云破坏能力,挖掘超高速撞击数值模 拟结果数据的应用价值,基于9.53 mm铝球以6.64 km/s速度对2.2 mm铝靶撞 击的Ls-Dyna/SPH(Smoothed Particle Hydrodynamic)数值模拟研究结果,对靶后碎片云的 粒子动能进行求和统计,建立了碎片云比动能概念和函数形式;碎片云比动能综合考虑了靶 后所有碎片云粒子的动能,反映了一定距离处垂直于撞击方向平面上单位面积上的碎片云粒 子所蕴含的撞击能量;应用碎片云比动能概念,揭示出随着演化距离的增加,碎片云能量的 衰减规律;通过不同速度条件下的SPH计算,得到了碎片云的比动能函数的曲线形式随撞击 速度的变化规律;最后对采用2种材料模型进行数值模拟所对应的结果误差进行碎片云比动 能函数的曲线比较,反映出数值模拟中不同材料模型引起的差异.      

深空撞击载荷总体技术分析与效能仿真

以近地小行星2016HO3为深空撞击目标开展科学探测，从爆炸成型弹丸技术、安全可靠爆炸技术、撞击载荷分离技术、撞击效能仿真技术等7个方面系统详细地进行了基于聚能爆炸成型弹丸的撞击载荷技术体系解析与技术内涵阐述，给出了深空撞击载荷初步总体设计方案；通过弹丸撞击靶板的数值模拟仿真，得到了撞击速度在0.2～0.4cm/μs变化范围下产生32～47cm大小的撞击坑坑径结果，得出了撞击坑直径随弹丸不同撞击速度、靶材不同密度、不同强度和不同厚度的变化规律，为撞击载荷总体优化设计提供了撞击效能仿真技术支撑。     

航天器空间碎片防护方案的评价方法

在综述国际上已采用和研究的航天器防护空间碎片超高速撞击防护方案评价方法的基础上,对航天器防护方案的评价方法进行了分析与探讨,给出了各种防护方案的撞击极限曲线和撞击极限方程。     

双层防护屏结构的正撞击研究

以惠普尔（Whipple）防护屏结构为例， 通过实验研究了铝合金柱状弹体以第一门槛值附近的速度正撞击LY12合金防护屏的特点；研究了在不同速度下防护屏损伤随速度的变化规律；对于速度在第一门槛值附近的速度正撞击，得到了撞击速度、防护屏及靶体厚度、防护距离的变化地防护屏及靶体作用的影响效果。     

航天器微流星体及空间碎片环境与风险分析

微流星体及空间碎片的高速撞击威胁着长寿命、大尺寸航天器的安全运行 ,导致其严重的损伤和灾难性的失效。文章对低地球轨道微流星体及空间碎片环境进行了分析 ,给出了微流星体及空间碎片对航天器威胁方向的确定方法 ,得到了空间碎片撞击航天器相对撞击角的概率分布以及地球对微流星体遮挡的影响。编制了风险分析软件 ,以采用单防护屏防护结构的柱状低地球轨道航天器为例进行风险分析。     

高速撞击梯度电势靶板产生等离子体诱发的放电

针对在轨运行航天器在空间等离子体环境和空间带电粒子活动下诱发航天器表面梯度电势存在的客观现实,航天器在空间碎片的撞击下会诱发表面带电或深层电介质带电的航天器放电。为了在实验室模拟航天器表面存在电势差的真实情况,采用对航天器外表面分割的方法,在分割的表面间预留不同间距且在2靶板间加装电阻的方法创造具有梯度电势的高电势2A12铝板作为靶板。利用自行构建的梯度电势靶板的充放电测试系统、超高速相机采集系统和二级轻气炮加载系统,开展高速撞击梯度电势2A12铝靶的实验室实验。实验中,弹丸以入射角度为60°（弹道与靶板平面的夹角）、撞击速度约为3 km/s的条件撞击间距分别为2、3、4和5 mm的2A12铝高电势靶板,利用电流探针和电压探针采集放电电流和放电电压。实验结果表明:放电产生的等离子体形成了高电势与低电势靶板间的放电通道,且在梯度电势靶板间距分别为2、3 mm时诱发了一次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加而减小;在梯度电势靶板间距分别为4、5 mm时诱发了二次放电,放电电流随高低电势靶板间间距的增加变化不明显。      

基于缩放实验的Whipple结构撞击特性

针对航天器空间碎片防护问题,基于缩放实验方法,开展了7 km/s以上超高速碰撞仿真研究.建立了单板和Whipple防护结构的仿真模型,并对铝-铝撞击问题和镉-镉撞击问题进行了多工况仿真.通过实验结果与数值仿真的对比,表明了数值仿真技术的正确性,并从仿真角度验证了缩放实验方法的有效性.对缩放实验方法的适用性进行了仿真验证,结果表明该方法对弹丸形状适用性较好,对3～4 km/s以上撞击速度的适用性较好,但对Whipple防护结构后板存在一定误差.分析了Whipple结构后板的失效模式,提出了失效模式的不连续性导致了缩放实验方法的误差.最后通过数值仿真计算了Whipple结构7 km/s以上弹道极限特性,提出了失效模式的不连续性造成了在该速度段弹道极限曲线的分叉现象.     

柔性多层冲击空间碎片防护结构设计与试验

充气展开密封结构是未来空间站以及大型空间居住舱的理想构建形式,其外蒙皮由气密层、增强层、微流星体和空间碎片防护层、辐射保护层以及热控层组成。为了既满足对空间碎片的防护,又满足折叠、收纳以及展开的要求,空间碎片防护层需要采用多层冲击防护结构设计。基于多层冲击防护结构,采用国产的玄武岩纤维材料和芳纶织物的特性参数,根据弹道极限方程设定了柔性空间碎片防护层的设计参数,并通过高速撞击试验对根据设计参数生产的试验件进行了试验验证,试验结果与柔性多层冲击防护结构的弹道极限方程吻合较好。     

空间碎片对长寿命低轨遥感卫星的影响研究

<正>从当前我国卫星技术的发展来看,低轨遥感卫星的设计寿命要求逐渐从2~3年提高到5~8年,遭受空间碎片撞击的概率大幅提高,空间微小碎片对卫星的累积撞击效应的危害性研究也日益受到重视。俄罗斯的和平号空间站在轨飞行15年,其70%的外体遭受到腐蚀,坚固程度下降了约60%,美国的"长期暴露装置"(LDEF)在轨运行了5.75年后回收,地面检测到的撞击坑达34000个,其中85%以上是微小碎片撞击形成的。现对卫星遭受空间碎片的影响及其危害进行分析,为长寿命低轨遥感卫星的空间碎片防护设计提供思路,提高卫星在轨运行的可靠性。     

防护结构在斜撞击下的行为研究

以惠普尔（Ｗｈｉｐｐｌｅ）防护屏结构为例,通过实验研究了铝合金柱状弹体以第一门槛值附近速度斜撞击ＬＹ１２合金防护屏的特点,研究了不同速度下,不同撞击角度下,防护屏损伤的变化规律,对于速度在第一门槛值附近的斜撞击,以斜撞击存在一个临界入射角度,当入射角度大于临界入射角度时,发生滑弹现象,入射角度越大,产生的滑弹碎片数量就越多。     

小行星防御动能撞击效果评估

以动能撞击防御潜在威胁小行星概念为背景,采用物质点法(Material Point Method,MPM)模拟了铝弹高速撞击S型小行星的过程,将撞击结果导入引力N体–离散元动力学模型中,对其后续演化过程进行仿真,并分析了撞击后碎片对地球的威胁指数。结果显示小行星在高速撞击的作用下部分破碎,大量碎片以与撞击方向相反的速度向外喷射,从而提升了小行星的撞击偏移效果。研究采用了两种不同结构的小行星模型:完整结构(monolithic structure)的小行星在遭受撞击后会喷射出比原小行星小得多的碎片,而碎石堆结构(rubble-pile structure)的小行星在撞击作用下可分裂成大小和速度分布较为均匀的碎片。威胁指数的分析表明动能撞击方式确实有效减小了小行星的威胁程度,撞击后的最大剩余碎片可被成功偏移至安全轨道,但仍有部分碎片会与地球相撞。与完整结构相比,针对碎石堆结构小行星的撞击防御的总体效果更好,次生灾害主要为大质量碎片的撞击。研究方法可用于未来开展防御小行星的动能撞击任务的撞击条件选择和撞击结果预估。     

基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测

填充式防护结构的显式弹道极限方程在对弹丸进行超高速撞击损伤预测时,由于填充材料、填充方式的不同,会导致预测结果与实测数据存在一定偏差。对此,采用机器学习方式将该问题转化为二分类问题,以碰撞过程中的弹丸撞击参数、防护结构参数作为分类特征,构建了基于Adaboost的填充式防护结构超高速撞击损伤预测模型。该模型以分类回归树（CART）作为弱分类器,通过对一系列弱分类器的加权组合生成强分类器,并通过对训练样本的循环使用,实现了小样本集下的撞击损伤预测。实验结果表明,建立的Adaboost预测模型对填充式防护结构的超高速撞击损伤具有良好的预测效果,总体预测率与安全预测率相比于NASA的弹道极限方程均提高了14.3%,具有更强的通用性。通过不同训练样本规模下的交叉检验,证明了该模型具有良好的鲁棒性与准确性。      

中国三管齐下应对空间碎片

作为一个负责任的航天大国,中国高度重视"太空环保",目前已逐渐形成监测预警、航天器防护和空间环境保护三大工程体系应对空间碎片问题,有效减缓了空间碎片的产生,得到国际社会好评。空间碎片是指人类在航天活动中产生的太空废弃物,也称"太空垃圾"。     

空间碎片移除势在必行

正国际空间碎片研究之父、美国宇航局空间碎片计划首任首席科学家凯斯勒曾于1978年提出"凯斯勒灾难"的概念。他指出,当近地轨道上的卫星碎片等太空垃圾多到一定程度,人造卫星和航天器会时常遭到撞击,由此滚雪球般产生更多碎片,最终将迫使人类不得不放弃继续发射卫星到这一区域。据专家估算,地球周边的太空中直径大于10厘米的碎片已经超过2.3万个。人类已处于"凯斯勒灾难"的边缘,清理太空垃圾刻不容缓。     

如何应对空间碎片的威胁?

作为发展中的航天大国,中国十分重视空间碎片问题,致力于空间碎片减缓和防护研究,积极推进国际交流与合作。1995年6月,中国以国家航天局的名义加入了"机构间空间碎片协调委员会"(IADC),开始了空间碎片领域的研究。今年5月12-15日,中国国家航天局将在北京主办IADC第32次会议。本刊特邀请中国科学院国家天文台专家刘静介绍空间碎片问题的国际环境及应对的最新进展。