不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化，开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸，以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种，冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下，冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量，并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律，结果表明：撞击坑直径和深度的主导机制不同，坑深主要由弹丸侵彻作用形成，而坑径主要由冰块的剥落所致；坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性，高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性；撞击坑体积与撞击能量成正比，高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“能量缩比”行为，而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“动量缩比”行为。     

一种提升近地小行星防御中拦截效率的方法

利用核爆直接炸毁小行星或改变小行星的轨道以避免其与地球相撞,是近地小行星防御最主要的手段之一。文章基于美国爱荷华州立大学的超高速小行星拦截器(HAIV)概念,提出一种将原撞击引导器改为长杆撞击器的方案,采用自主研发的欧拉型冲击动力学仿真软件NTS模拟长杆撞击器对小行星连续开坑的过程,并在仿真中加入能量源以模拟核爆装置在不同深度爆炸对小行星产生的偏转与破坏效应。研究结果表明,采用长杆撞击器并合理控制撞击速度,能够引导核爆装置进入更深的地下爆炸,从而更加高效地耦合核爆能量,提升偏转小行星或直接摧毁小行星的能力。     

球形气囊的超高速撞击损伤特性试验与仿真研究

低成本、可自主展开的气球卫星是未来卫星技术的应用方向之一,而日益增多的空间碎片是低轨航天器,包括气球卫星所面临的主要威胁之一.为满足气球卫星的生存力分析以及在轨被撞击产生空间碎片的评估需求,开展球形气囊超高速撞击试验与仿真研究,获得了不同材质气囊的撞击损伤特性,并初步揭示弹丸贯穿球形气囊过程的破坏细节以及碎片云团特性,...     

空间目标碰撞概率的等效矩形域快速算法

针对线性相对运动假设下的碰撞概率计算问题，提出了等效矩形域方法。利用该方法将概率积分计算进行近似处理，推导出概率密度积分的解析表达式。针对空间目标误差椭球形状固定的情况，给出了最大碰撞概率的计算方法。对目标在交会时刻相距较远和接近碰撞的情况进行了碰撞概率以及最大碰撞概率计算。通过将计算结果与空间压缩无穷级数法的对比，验证了等效矩形域方法近似计算碰撞概率积分的可靠性，同时对于不同的碰撞概率计算情况，等效矩形域方法显示出更高精确度和更好的估计偏差稳定性。     

一种新的卫星超高速撞击解体阈值模型研究

为定量描述卫星在超高速撞击下的解体阈值与解体程度,本文提出了一种新的卫星解体阈值模型,即用能量密度em(来袭物动能与卫星在撞击通道内的质量之比)的大小来判断卫星是否发生解体,用卫星解体后碎片累积质量统计曲线中平滑无突变部分的碎片质量与碎片总质量之比μc来描述卫星的解体程度,μc越大,卫星解体程度越高。采用数值仿真方法获得了卫星最小解体撞击能量密度阈值为3.62×102J/g,研究了不同em和不同η(卫星在撞击通道内的质量与卫星总质量之比)条件下卫星解体碎片的统计规律,建立了μc与em和η之间的函数关系,初步完成了这种新的卫星超高速撞击解体阈值模型的构建。     

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。     

超高速碰撞碎片云质量分布快速预测技术

在航天器防护构型设计中,快速预测空间碎片超高速碰撞防护屏产生碎片云的质量分布及其变化规律具有重要意义。本文初步探索了采用深度学习方法预测超高速碰撞碎片云的二维质量分布及其变化过程。训练数据来自约2000个弹丸（铝球）超高速正碰撞靶板（铝板）的光滑粒子流体动力学数值模拟结果,共考虑4个变量（弹丸速度范围3～8 km/s、弹丸半径范围2～8 mm、靶板厚度范围1～4 mm以及观测时间范围1～12 μs）。系统比较了反卷积模型和多层感知机两种模型的预测效果,重点考察了模型的外推能力（应用于训练参数范围之外）。研究结果表明:在训练参数范围内两种模型的预测精度都很高;反卷积模型能够捕捉到碎片云质量分布的颗粒特征,但外推能力较差;多层感知机模型将碎片云中的质量进行了局部均匀化处理,具有较强的外推能力;多层感知机模型通过学习1～12 μs的碎片云质量分布,能够以一定精度预测24 μs时刻的质量分布;反卷积模型的预测时间为毫秒量级,多层感知机模型的预测时间为秒量级。     

航天器碰撞解体碎片分析软件SFA2.0及其应用

为了实现对航天器在轨解体事件及其碎片分布特性的快速分析,中国空气动力研究与发展中心(CARDC)开发了SFA(Spacecraft Fragmentation Analysis)软件。该软件主要基于CSBM航天器解体模型开发形成,同时集成了NASA的标准解体模型。SFA软件具有解体程度分析、解体碎片生成、碎片分布统计等功能,并可以实时显示计算结果、绘制统计曲线。文章着重介绍了SFA软件2.0版的功能模块、主要算法、界面及使用方法等,并针对Iridium 33-Cosmos 2251碰撞、Solwind P78航天器解体等在轨事件进行了分析。     

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s~4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明：碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。
     

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。