圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云特征仿真分析

为研究圆柱体弹丸超高速撞击薄板的碎片云特征,基于仿真软件AUTODYN-3D的光滑粒子流体动力学（SPH）方法,模拟圆柱体弹丸不同长径比、不同攻角条件下超高速撞击薄板的过程。设圆柱体弹丸撞击速度为5 km/s,长径比分别为0.5、1.0、2.0、4.0,攻角为15°～75°,数值模拟结果分析表明:圆柱体弹丸超高速斜撞击薄板形成的碎片云中,大部分是小质量碎片;大碎片的质量和动能占比较大,是造成后墙损伤的主要原因。同时,当弹丸长径比为0.5和1.0时,15°攻角下的碎片云侵彻能力最弱;长径比为2.0和4.0时,75°攻角下的碎片云侵彻能力最弱。研究结果可为航天器防护结构设计优化提供参考。     

超高速撞击下PTFE/Al含能材料薄板的载荷特性分析

不同于传统惰性材料的空间碎片防护结构,含能材料防护结构在超高速撞击下的冲击起爆特性是其防护能力得以提高的根本原因。PTFE/Al含能材料防护结构的冲击起爆特性改变了弹丸强冲击载荷下的破碎机制,弹丸内部的冲击压力对于分析含能材料在超高速撞击下的防护机理具有重要意义。对超高速撞击试验中回收的PTFE/Al防护结构后板进行损伤特性分析,获得了对应速度条件下弹丸的破碎特性。基于一维冲击波理论,分析PTFE/Al靶板在超高速撞击条件下的冲击响应过程,结合考虑化学反应效率的热化学反应模型,获得了弹丸在碰撞与爆炸联合作用下的载荷特性,通过与试验结果对比验证,获得该材料完全反应的临界撞击速度约为1800 m/s,弹丸的临界破碎速度为2875 m/s,小于铝防护结构中对应的临界破碎速度。给出了弹丸在PTFE/Al、铝两种防护结构中产生相同冲击压力时对应的临界速度,分别为弹道段的800 m/s和破碎段的3580 m/s。     

KrF激光照射约束层靶驱动产生高速飞片研究

微小空间碎片的超高速撞击对航天器性能有重要影响。为了研究撞击损伤机制,在"天光一号"装置上开展了Kr F准分子激光照射约束层靶产生高速飞片的实验研究,利用成像速度干涉仪(Imaging-VISAR)对飞片自由面速度进行诊断。采用1.9 J准分子激光将10μm的Al飞片加速至12 km/s,且整个过程为准等熵加载。研究结果表明准等熵加载下激光能量转化为飞片动能的效率(达39.4%)比冲击加载要高得多,飞片速度也高于后者。     

固体火箭发动机撞击靶板安全性数值分析

为研究固体火箭发动机撞击安全性,建立了固体火箭发动机撞击靶板的计算模型,模型中发动机的推进剂装药采用点火增长反应速率方程.采用非线性有限元流体动力学方法,对发动机径向撞击靶板过程进行了数值模拟,分析了不同撞击速度下发动机中推进剂装药的反应情况.计算结果表明,发动机径向撞击靶板爆炸的临界速度范围为150～200 m/s;低强度多次撞击过程中推进剂会发生延迟爆轰情况.     

飞片参数与玻璃撞击损伤特征关系的研究

为考察空间碎片对航天器光学材料的影响,将光学材料撞击损伤与具体撞击碎片相对应,采用激光驱动飞片技术进行空间碎片地面模拟。设计了能形成速度可控的具体撞击碎片的激光驱动飞片装置,针对空间碎片不同速度和形态,通过改变激光能量和光束直径获得具有不同速度和长径比的飞片。研究了石英玻璃撞击损伤特征与飞片速度、长径比等参数的对应关系。结果发现:随着激光能量的增加,飞片速度的增加,撞击坑的损伤面积和坑深表现为先增大后减小;随着飞片长径比的减小,主要撞击损伤特征逐渐由侵彻成坑转变为溅射污染。通过碎片群平均参数改进为具体碎片参数,提高了地面模拟的有效性,利于高通量空间碎片环境中材料服役行为评价的研究,对空间碎片地面模拟技术和撞击损伤效应有一定的参考价值。     

Whipple防护屏弹道极限参数试验

在中国空气动力研究与发展中心FD-18A超高速碰撞靶上进行了Whipple防护屏的超高速撞击试验。弹丸为LY12铝球,撞击速度为4.5km/s,撞击角为0°。通过固定弹丸速度、变弹丸直径、寻找弹丸临界直径的办法获得了该Whipple防护屏在试验条件下的弹道极限参数。试验结果表明速度为4.5km/s时的弹丸临界直径为0.35cm,大于用Christiansen方程预测的0.27cm。     

空间微小颗粒对卫星光学器件的污染研究

空间微小颗粒以低于临界黏附速度撞击卫星光学镜头时会附着在其表面,当大量的微粒黏附在卫星镜头上时会影响镜头的探测性能。精确计算临界黏附速度及找出影响临界黏附速度的因素对研究空间污染效率有着重要意义。在简化的EA模型的基础上,文章仿真分析了铜和石墨微粒撞击卫星镜头过程中的黏附力和临界黏附速度。结果表明:镜头表面粗糙度修正系数CR是影响黏附力和临界黏附速度的重要参数;在相同条件下,虽然石墨微粒受到的最大黏附力比铜微粒的小,但石墨微粒的临界黏附速度比铜微粒的高,说明石墨微粒更有可能黏附于镜头表面。     

复合材料壳体弹道侵彻数值模拟

采用LS-DYNA动力有限元软件显式算法,对芳纶纤维/环氧树脂复合材料壳体弹道侵彻进行了有限元数值模拟分析,获得了不同入射角及不同初始速度条件下枪弹在复合材料中的速度变化规律。计算结果表明,在入射角为90°、60°、30°3种状态下,在钨珠弹和穿甲弹垂直于壳体入射时,复合材料吸收能量最低,剩余速度最大;随入射角度的减小,子弹与靶体作用时间增加,动能损失较多,导致其剩余速度变小,减小到一定程度出现跳弹。计算获得了钨珠弹及穿甲弹垂直入射穿透该壳体时的临界速度,该计算结果与实验结果吻合较好。     

基于径向基函数神经网络的空间碎片撞击模式识别研究

RBF 神经网络是广泛应用的神经网络之一,可应用于航天器空间碎片撞击损伤模式的识别研究。采用AUTODYN 仿真软件模拟产生高速撞击声发射信号,并随机提取其中部分信号,以信号幅值和撞击观测点等作为输入参数,以撞击速度作为输出参数,建立RBF 神经网络,实现对空间碎片撞击速度的反演及穿透模式的识别。实际证明该神经网络能在一定程度上有效反演弹丸撞击速度。     

低温下Whipple防护结构超高速撞击效应研究

文章研究了低温下空间碎片对典型Whipple防护结构的超高速撞击效应。首先在二级轻气炮设备上研制出使用液氮可将撞击靶冷却至-150 ℃且满足低温超高速撞击试验要求的低温装置。利用该装置开展了低温条件下的超高速撞击试验,对低温和室温两种条件下的试验结果进行了比对,并分别对缓冲屏穿孔特性、碎片云特性和后墙损伤特性之间的差异进行了分析。文章最后给出低温下典型Whipple防护结构的弹道极限曲线。     

数字全息测量超高速撞击碎片云实验研究

在中国空气动力研究与发展中心(CARDC)超高速碰撞中心(HIRC)7.6 mm超高速碰撞设备的基础上，搭建纳秒级脉冲激光数字全息系统。提出滤波片和衰减片组合布置，减弱超高速碰撞等离子体自发光、提高信噪比的方法。实验获得了2.25 mm铝球弹丸以4.0 km/s的速度撞击0.5 mm厚铝板形成碎片云的全息图。采用小波变换算法对碎片云全息图进行重建，得到超高速撞击碎片云的三维结构和碎片大小。碎片云的轮廓呈椭球型，分为碎片云的前端、核心和外壳，碎片主要分布在弹丸破碎形成的碎片云核心，存在大碎片，且分布较集中，对后板的损伤也严重     

超高速撞击声发射信号在Whipple结构中的传播时序特性研究

为研究屏/舱声发射信号传播时序特性,以典型Whipple防护结构为例,利用二级轻气炮对其进行超高速撞击实验。首先,利用独立于靶件的“遮挡板”阻挡弹丸击穿前板形成的二次碎片云撞击后板,利用布置在前、后板特定位置的超声换能器采集单纯的前板声发射信号,分析信号模态特征,结果表明：前板信号主要包括S0、A0和S2等三种模态板波,经圆柱支撑构件传播进入后板之后,全部转换为A0模态板波。在此基础上,建立了屏/舱声发射信号到达时序预测公式。其次,撤除遮挡板,利用布置在后板特定位置的超声换能器采集前、后板信号的混叠信号,分析两种信号的到达时序并与预测结果进行对比,结果验证了达时序预测公式的有效性。     

三层铝板结构高速撞击损伤与极限特性

利用二级轻气炮发射铝球弹丸,在真空环境下高速撞击双层铝板和三层铝板结构,研究撞击速度、板间距、铝板厚度对结构撞击损伤的影响。然后分析三层铝板结构的撞击极限速度,并与相同面密度的双层铝板结构的试验结果进行比较。结果表明,当面密度相同时,三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力,增加首层铝板厚度有助于提高三层铝板结构高速撞击防护性能,当第二层铝板位于首层铝板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。     

不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究

基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。     

美国海基导弹拦截卫星任务的毁伤分析

基于经验模型和基本假设,研究了航天器撞击的解体特性,计算了碎片的尺寸分布、面质比分布和速度分布,考虑生存高度和大气阻力的影响计算了各种碎片的轨道寿命,提出了碎片留轨比例及数量的计算公式,分析了不同尺寸的碎片的留轨特性.结果表明:这次任务产生的碎片将快速坠毁,对空间环境的影响有限.分析结果可以作为参考,更准确的结果有赖于根据实际观测数据进行深入、详细的分析.     

Optimization of the Flight of a Spacecraft with a Solar Sail from the Earth to Mars with a Perturbation Maneuver near Venus

The trajectories of the fastest flight of a spacecraft (SC) with a solar sail from the Earth's sphere of activity to the Martian sphere of activity including the section of a perturbation maneuver near Venus are investigated. The planetary spheres of activity are assumed to be point-like; i.e., the maneuver section and the initial and final positions of the SC coincide with the corresponding positions of the planets. The initial velocity of the SC is assumed to be equal to the Earth's velocity, so that no leveling of the velocities of the SC and Mars in the final point of the flight is required. The perturbation maneuver is considered as a jump of the heliocentric velocity of the SC at the point of its contact with Venus, which does not change the magnitude of its Venus-centric velocity. The orbits of planets are assumed to be circular and coplanar; the SC trajectory lies at the plane of these orbits. The sail is planar with a specularly reflecting surface. The trajectories of optimum flights are determined as a result of solving the boundary value problem of the Pontryagin maximum principle. The families of solutions to this problem depending on the initial angular positions of Venus and Mars are constructed by the method of continuation over a parameter.     

凝胶模拟液直圆管流动特性数值模拟

采用POLYFLOW软件,对幂律型凝胶模拟液在直圆管内的流动和流变特性进行了数值模拟研究。结果表明：在流速和管径不变时,压降随管长的增加成线性增加;在流速和管长不变时,压降随管径的增大急剧减小;随着流变指数的减小,直圆管轴线附近出现明显的柱塞流动区,在此区域内,速度和剪切速率变化较小,剪切粘度值趋于最大;在管壁附近．速度和剪切速率变化较大。剪切粘度降低明显。     

某低燃速推进剂侵蚀燃烧模型研究

推进剂的侵蚀燃烧对发动机的内弹道性能会产生不利影响,侵蚀燃烧的程度取决于药 型设计的通气参数。设计了一种侵蚀燃烧试验发动机,并在不同通气参数情况下,进行 了多发某低燃速推进剂侵蚀燃烧试验,通过对试验数据的数值分析,得到了该低燃速推进剂 侵蚀燃烧的临界流速、侵蚀常数与燃通比之间的关系,并对此进行了试验验证,为类似推进 剂药柱通气参数的选择提供参考。     

Assessing the Risk of Orbital Debris Impact

A Space Debris Impact Risk Analysis Tool (SDIRAT) was developed and implemented to assess the orbital debris impact risk on a specified target in Earth orbit, in terms of flux, relative velocity, impact velocity, direction of the incoming particles, debris mass and diameter. Based on a deterministic approach, SDIRAT uses a realistic orbital debris population where each representative particle is identified by its rectangular coordinates (position and velocity) at a reference epoch. Using this information, some geometrical algorithms were developed and implemented to evaluate the contribution of each particle to the incoming flux. The position of the particle with respect to a specified target drives the selection criteria to reject, or select, it as a possible projectile. On the other hand, the relative velocity vector can be used to estimate the impact direction of the incoming flux. SDIRAT was conceived as a general tool for a variety of scenarios, such as low circular and elliptical orbits, up to the geosynchronous ring. This paper presents some examples of possible applications, including the computation of the incoming debris flux on SAX (low Earth orbit), SIRIO (geosynchronous orbit) and the IRIS upper stage (elliptical orbit). Other applications assess the impact risk for the Soviet Radar Ocean Reconnaissance Satellites Cosmos 1900 and Cosmos 1932.     

火箭低空级间热分离初期流场特性数值模拟

采用耦合求解轴对称非定常NS方程与一维分离动力学方程的方法,对多级火箭低空级间热分离初期过程进行数值仿真。依据仿真结果描述低空级间热分离初期流场的两种典型结构：内部为喷管扩张段流动分离以及外部为级间缝隙横向喷流与超声速外流的干扰流场;给出两种典型流场结构中位于上面级弹体表面（喷管内）的流动分离点位置以及壁面压力分布随仿真时间的变化;初步估算流动分离线偏斜时内外流动分离区域对上面级弹体的干扰力矩。通过分析数值模拟与力矩估算结果,发现在低空级间热分离内外流场中流动分离激波后方形成的高压区域是上面级所受干扰力矩的重要来源。研究结论可为级间热分离过程干扰机理研究提供理论方向,为级间热分离时序设计提供参考。