On the effect of considering more realistic particle shape and mass parameters in MMOD risk assessments

One of the primary mission risks tracked in the development of all spacecraft is that due to micro-meteoroids and orbital debris (MMOD). Both types of particles, especially those larger than 0.1 mm in diameter, contain sufficient kinetic energy due to their combined mass and velocities to cause serious damage to crew members and spacecraft. The process used to assess MMOD risk consists of three elements: environment, damage prediction, and damage tolerance. Orbital debris risk assessments for the Orion vehicle, as well as the Shuttle, Space Station and other satellites use ballistic limit equations (BLEs) that have been developed using high speed impact test data and results from numerical simulations that have used spherical projectiles. However, spheres are not expected to be a common shape for orbital debris; rather, orbital debris fragments might be better represented by other regular or irregular solids. In this paper we examine the general construction of NASA’s current orbital debris (OD) model, explore the potential variations in orbital debris mass and shape that are possible when using particle characteristic length to define particle size (instead of assuming spherical particles), and, considering specifically the Orion vehicle, perform an orbital debris risk sensitivity study taking into account variations in particle mass and shape as noted above. While the results of the work performed for this study are preliminary, they do show that continuing to use aluminum spheres in spacecraft risk assessments could result in an over-design of its MMOD protection systems. In such a case, the spacecraft could be heavier than needed, could cost more than needed, and could cost more to put into orbit than needed. The results obtained in this study also show the need to incorporate effects of mass and shape in mission risk assessment prior to first flight of any spacecraft as well as the need to continue to develop/refine BLEs so that they more accurately reflect the shape and material density variations inherent to the actual debris environment.     

采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪研究CSCD

对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪进行了理论研究,采用角动量理论首次推导了双模压缩态输入的光子纠缠光纤陀螺仪的相位检测灵敏度,并证明了当光子数足够大时,可以达到海森堡极限。针对采用双模压缩态的光子纠缠光纤陀螺仪的二阶符合计数探测方案远未达到海森堡极限的情况,通过考察光子纠缠光纤陀螺仪各输出态的二阶符合计数对总的二阶相关光强的贡献,发现二阶符合计数探测方案存在量子增强信息的抵消,也即其中一个接收端光子数为偶数的输出态和光子数为奇数的输出态的二阶符合计数形成互补的倍频干涉条纹,进而相互抵消。因此,需要优化探测方案,提取完整的量子增强信息,才能实现海森堡极限的相位检测灵敏度。     

超椭球凸集合可靠性综合指标定义及求解方法

针对失效域与超椭球凸集合发生干涉与不发生干涉两种情况下,超椭球凸集合非概率可靠性与非概率可靠度两种指标各自存在的不足,将两指标相结合提出多个超椭球凸集合描述时的可靠性综合指标定义,并提出将改进的有限步长迭代法(MLSA)与Monte-Carlo法结合来求解综合指标的方法.MLSA是在有限步长迭代法的基础上提出的,根据增...     

地面系留对直升机动力响应的影响

 建立了系留状态下直升机旋翼/机体耦合非线性动力学模型,无铰旋翼简化为当量铰刚性桨叶模型,假定机体是刚性体并受起落架和系留索的约束,系留索静态时松弛并只能承受拉力。采用数值仿真研究了系留对模型旋翼地面共振的影响,对初始扰动和旋翼转速对系统动力学行为的影响也进行了仿真研究。对于无系留的模型旋翼来说,在任何转速下没有出现不稳定现象;地面系留时系统会呈现稳定响应、极限环以及大幅值振荡等非线性动力学行为,大幅值振荡将使系留索、接头和支持结构承受破坏性动力载荷。     

含金属纳米线多孔铝膜微偏振器的研究

含金属纳米线的多孔铝膜在近红外光区表现出较好的偏振特性。基于金属线栅偏振器的偏振原理,从金属纳米线对不同方向偏振光的消光机理出发,构建了以一排纳米线为研究对象的理论模型,分别计算了电矢量平行于纳米线轴向的偏振光（P）和电矢量垂直于纳米线轴向的偏振光（S）垂直入射时的光学损耗。在入射光波长固定的条件下,得到了P分量光、S分量光的透射率与模板孔径的关系。     

飞控系统极限环抑制对

舵机是电传飞控系统中非线性因素的重要组成部分,若参数选择不当,常会发生稳态不衰减的小幅值极限环振荡现象。应用非线性控制理论,将飞控系统稳定性要求转化为对舵机的幅频特性、相频特性和不灵敏区范围要求,从而通过舵机设计达到抑制极限环的目的。仿真结果表明,该方法简单、实用,具有较高的工程应用价值。     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

靶板抗轮盘碎片撞击能力的数值模拟

为研究机匣抵抗轮盘碎片撞击的能力和破坏方式,找到机匣结构优化设计的方法.用显式非线性动力学软件Dytran计算1/3轮盘碎片与单层和双层靶板的撞击过程.碎片及靶板均选用Johnson-Cook材料本构模型,结合Gruneisen状态方程.撞击过程基于Lagrange算法采用显式有限元计算.结果发现,靶板主要破坏方式为整体塑性变形、剪切撕裂和拉伸断裂;间距较大时双层靶板的弹道极限速度随间距的增加而增大;前靶板厚度比例较小或较大时弹道极限速度较大;单层靶板的抗击穿能力优于厚度均布的双层靶板.因此,通过对双层靶板的厚度和间距进行合理的搭配,能达到比同等厚度的单层靶板更好的抗击穿性能.      

螺旋锥齿轮安装误差敏感性与容差性研究

研究含刀倾法和变性法加工的螺旋锥齿轮齿面通用模型建立方法, 提出安装误差敏感性和容差性概念, 建立安装误差敏感性和容差性分析模型, 以包含安装误差的齿面接触分析方法为工具, 根据实际的齿轮副参数, 获得安装误差对接触质量的影响规律和保证接触质量的误差极限值.分析与实例计算表明:安装误差敏感性和容差性模型建立了安装误差与螺旋锥齿轮齿轮接触质量和安装工艺参数之间的联系, 为提高螺旋锥齿轮齿轮制造质量和制定科学的安装工艺参数提供了理论指导.      

基于均匀试验设计的Whipple结构弹道极限方程数值仿真研究

均匀试验设计是一种部分因子试验设计方法,将该方法引入航天器Whipple结构超 高速撞击弹道极限问题研究。采用均匀试验设计方法设计少量的试验,即可代表整个变量空 间的特性。针对试验方案,采用数值模拟获得了弹丸极限穿透直径同撞击条件的关系。将本 文研究结果与已有的物理试验和Whipple结构弹道极限方程对比,结果表明采用本文的方法 获得的弹道极限方程具有较好的预测准确度。