鸟撞高速摄影试验与过程研究

研究鸟撞问题时,一个很关键的问题是鸟撞载荷力学模型的建立.对飞机风挡进行全尺寸鸟撞试验,通过对鸟弹撞击风挡玻璃过程高速摄影、动态应变测量等试验结果的分析,提出了斜撞击过程的鸟撞载荷可以简化为三角形脉冲的简化分析模型,利用该简化载荷模型对风挡玻璃鸟撞进行的有限元分析,结果和试验结果很好地相符.      

双柔性杆多次撞击力分析

柔性构件的多次弹性撞击现象在工程中普遍存在,其中撞击力的求解一直是关键问题.利用瞬态波函数特征值展开法,给出多次撞击过程和分离过程的杆中瞬态波传播的理论解,提出计算双柔性杆多次撞击力的瞬态波效应法,该方法避免求解具有未知奇异载荷项的强非线性方程.实现了对多次撞击问题的精确的数值分析,研究了初始撞击速度对撞击力和撞击发生时间的影响,表明瞬态波效应法可以计算多次撞击力时间历程.初始撞击速度越大,撞击力幅值越大,而且撞击力的峰值在前三次撞击过程中是逐次增加的,后趋于稳定,并可以研究"次撞击"现象.为进一步研究复杂柔性结构系统多次撞击问题以及重复撞击引起的长期系统动力学行为提供了可借鉴的有效研究方法.      

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。     

悬停状态下直升机旋翼水滴撞击特性研究

介绍了直升机在悬停状态下,求解旋翼水滴撞击特性的数值方法.该方法根据直升机悬停状态下的准定常特性,对旋翼运动模型进行简化,并在对绕桨叶运动的气流场计算的基础上,采用有限差分方法求解水滴运动方程,得到水滴运动轨迹.进而,确定了水滴对旋翼表面的撞击特性参数,为旋翼防冰系统设计提供条件.最后,对NACA0012翼型的水滴撞击特性进行分析.      

蜂窝夹芯板超高速碰撞仿真

蜂窝夹芯板是一种多用于航天器的特殊结构,采用光滑粒子流体动力学算法(SP H)对蜂窝夹芯板进行超高速碰撞研究时主要存在2个问题:蜂窝芯的几何建模过程复杂;蜂 窝芯层非常薄,为保证仿真精度采用相等的粒子间距必然生成超过计算容忍的粒子数量.结 合参数化程序设计语言(APDL)、用户界面设计语言(UIDL)进行结构建模,编制了APDL生成蜂 窝芯的程序,采用UIDL将该程序集成到ANSYS交互式界面中,能够方便快捷的生成任意尺度 的正六边形蜂窝芯.针对此方法得到的模型,采用SPH单元与壳单元相结合的方法,其中蜂 窝芯采用壳单元,入射体、蜂窝夹芯板的前、后面板采用SPH单元,对蜂窝夹芯板进行了超 高速碰撞仿真研究.仿真结果与相关试验进行了对比,仿真得到的后板破口尺寸与试验比较 接近,证实了该方法适用于蜂窝夹芯板的超高速仿真.      

在轨航天器撞击解体特性分析与计算

对在轨航天器撞击解体问题进行了研究, 基于NASA 标准解体模型, 给出了在轨航天器撞击解体算法, 重点分析了解体计算时应该满足的几个约束条件. 编写了该算法的通用仿真计算程序, 并通过与P-78 卫星解体事件的实测数据比较验证了算法和程序的正确性. 研究结果对预测分析在轨撞击事件的毁伤特性具有重要的参考价值.      

异构多导弹网络化分布式协同制导方法

基于相邻局部通信的领弹-被领弹异构网络结构,提出了一种多导弹分布式协同制导方法,设计了分散化的协同制导律.运用图论的描述方法,分析了导弹分布式局部通信拓扑与领弹-被领弹异构网络化分布式协同制导系统性能之间的关系.该分布式协同制导律仅需要相邻导弹之间传输各自的可测状态信息,具有可扩展性好、通信量少等特点.给出了4个被领弹和一个领弹的协同制导律设计仿真算例,结果验证了该制导方法的有效性.     

多导弹分布式自适应协同制导方法

针对多导弹的齐射攻击问题,提出了一种具有异构"领弹-被领弹"的分布式自适应协同制导方法.该方法在局部通信和传统比例导引基础上,基于分布式网络同步原理设计了领弹和被领弹的分布式协同制导律.领弹的分布协同制导基于固定系数的比例导引律,而被领弹的分布协同制导则基于自适应可变系数的比例导引律,并设计了被领弹比例导引系数的分布式自适应调节规律.给出了5枚导弹协同目标攻击的仿真结果,验证了该自适应分布式协同制导算法的有效性.     

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。      

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。     

Application of hydrocode modelling to the study of hypervelocity impact crater morphology

In order to obtain a better understanding and model of the natural and artificial particulate environment from measurements of impact damage features on returned spacecraft materials, it is necessary to be able to determine how the size and shape of an impact feature are related to the parameters of the impacting particle. The AUTODYN-3D hydrocode has been used to study the effects of projectile density, velocity and impact angle on the depth, diameter and ellipticity of the impact craters. The results are used to determine the distributions of crater depth to crater diameter ratios and of crater ellipticities to be expected on an aluminium surface exposed to an isotropic distribution of incident particles of given densities and velocities. Comparison of these calculated distributions with those observed for craters on aluminium clamps on various faces of the Long Duration Exposure Facility shows that particles with a wide range of densities, including significant proportions both greater and smaller than that of aluminium, were responsible for these craters.     

Protecting Earth-orbiting spacecraft against micro-meteoroid/orbital debris impact damage using composite structural systems and materials: An overview

Spacecraft that are launched to operate in Earth orbit are susceptible to impacts by meteoroids and pieces of orbital debris (MMOD). The effect of a MMOD particle impact on a spacecraft depends on where the impact occurs, the size, composition, and speed of the impacting object, the function of the impacted system. In order to perform a risk analysis for a particular spacecraft under a specific mission profile, it is important to know whether or not the impacting particle (or its remnants) will exit the rear of an impacted spacecraft wall. A variety of different ballistic limit equations (BLEs) have been developed for many different types of structural wall configurations. BLEs can be used to optimize the design of spacecraft wall parameters so that the resulting configuration is able to withstand the anticipated variety of on-orbit high-speed impact scenarios. While the level of effort exerted in studying the response of metallic multi-wall systems to high speed particle impact is quite substantial, the extent of the effort to study composite material and composite structural systems under similar impact conditions has been much more limited. This paper presents an overview of the activities performed to assess the resiliency of composite structures and materials under high speed projectile impact. The activities reviewed will be those that have been aimed at increasing the level of protection afforded to spacecraft operating in the MMOD environment, and more specifically, on those activities performed to mitigate the mechanical and structural effects of an MMOD impact.     

Ion formation by high- and medium-velocities dust impacts from laboratory measurements and Halley results

The ion formation processes by dust impacts have been studied qualitatively as well as quantitatively by dust accelerator laboratory measurements. Iron, carbon and metallized glass particles in the femto- to nano-gram mass range had been impacted on various metal targets in a velocity regime of v = 2 - 64 km/s. In the high velocity regime as relevant for the (retrograde) Halley encounter more than 99% of the ions produced are singly charged atomic, the rest molecular ones. The ion/atom ratios are apparently modified SIMS yields, the modification parameter being impact velocity dependent. A semiempirical formula was deduced for the determination of mass and density of the impacting particle from target and projectile ion yields. When evaluating the Halley encounter results, the elemental distribution of p/Halley dust appeared nearly to be solar; the organic fraction (CHON) could be characterized in a rough manner as fairly unsaturated. Oligomers of the monomers C₂H₂ (65%), CH₂O (25%), and HCN (10%) are probable.

With medium velocities (for prograde comet encounter), i.e. v = 15-30 km/s molecular ion types govern the mass spectra. Consequently, more chemical information of the projectile can be expected in this case, additional to the elemental distribution. Mass and density of the impinging dust particles can be determined as well.     

飞行弹丸红外特性的地面模拟试验

设计并建立了用于飞行弹丸中段飞行状态实验室模拟的试验系统,测量获得了飞行弹丸的红外辐射特性.基于传热与辐射理论,分析了相关参数对实验结果的影响,获得飞行弹丸在一定飞行状态下的辐射特性变化规律.目标的初始温度和辐照条件是影响目标辐射特性的主要因素,自旋状态影响辐射特性的空间分布.试验测量与数值仿真和理论分析结果均具有很好的一致性,证明在实验室开展飞行弹丸的红外辐射特性模拟试验具有可行性.     

底凹结构减阻效应数值分析

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。      

具侧向脉冲力制导炮弹的非线性稳定性分析

研究了制导炮弹受侧向脉冲推力作用后处于大攻角情况下的非线性运动稳定性问题.应用首次积分描述了弹丸的运动方程,得到了描述攻角余弦变化的多项式,通过对多项式的分析将弹丸角运动稳定性的问题转化为求解多项式的负根问题,最后运用霍尔维茨定理给出了弹丸非线性运动稳定的充分条件,为非线性运动条件下弹丸的飞行形态的预测、脉冲执行机构的设计等问题提供了一定的理论依据.      

Hypervelocity impact on the GIOTTO Halley Mission dust shield: Momentum exchange and measurement

The two layer dust shield on the GIOTTO Halley Mission is constructed in a meteoroid bumper configuration. The dust shield is instrumented so that parameters associated with the hypervelocity collision of cometary particles on the exposed surface can be determined. A multisensor detector array provides simultaneous sensing of the momentum exchange of particles impacting and subsequently penetrating the outer layer of the dust shield. Current knowledge of momentum exchange during hypervelocity impact relative to the GIOTTO Halley Mission and the dust shield experiment is reviewed. The sensors used for determination of momentum exchange exhibit a functional dependence on projectile velocity leading to an enhancement of the sensor signal as the relative impact velocity increases. The GIOTTO Mission provides a very unique opportunity to obtain hypervelocity momentum exchange information at a known impact velocity. Therefore, with the dust experiment, a determination of the velocity index for both momentum and multilayered penetration sensor is possible. Results of analysis of analytical and laboratory studies indicate that the velocity index for hypervelocity impact is approximately 2.0 at the 68 km/sec encounter impact velocity of the GIOTTO Mission. A clear determination of the size and mass distribution of the cometary dust near the comet will be possible from the in-situ measurement of the DIDSY GIOTTO experiment.     

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型

Taylor撞击常用于测试材料的动态屈服强度。泡沫压缩密度与压缩应变的关系对泡沫子弹Taylor撞击的理论分析起着重要的作用。本文通过引入塑性泊松比,得到了泡沫压缩密度与压缩应变的准确关系,进一步建立了可压缩泡沫子弹撞击刚性靶板的理论模型。当塑性泊松比为常数时,文中建立的泡沫受压后密度比的一阶泰勒展开式可以退化到已有模型。当塑性泊松比为塑性应变和子弹相对密度的函数时,相对密度会影响泡沫子弹的冲击响应历程及最终变形,但对撞击持续时间影响较小。同时,初始速度也会影响子弹最终变形和撞击持续时间。本文的理论工作可以为分析泡沫材料的动态力学行为提供有益指导。