冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

卫星在空间碎片撞击下的易损性分析方法研究

针对厘米/毫米级空间碎片对卫星的撞击风险评估,在对卫星部件的失效模式及影响分析（FMEA）的基础上,结合射线跟踪法和失效树分析法建立一种卫星目标的易损性分析方法,计算卫星在空间碎片撞击下导致不同损伤等级的系统失效概率PK/H。详细介绍了该易损性分析方法的总体思路和各项关键技术,并给出了应用实例。该方法可推广应用于载人航天器上,对于航天器的撞击风险评估和防护结构优化设计有重要意义。     

空间碎片防护问题的物质点无网格法与软件系统

空间碎片超高速撞击的防护是航天器结构设计须重点考虑的问题,超高速撞击过程的极强非线性对传统数值方法提出了巨大挑战。作为新兴的无网格法的一种,物质点法易于处理超大变形、断裂破碎和高速碰撞中的大量接触过程,非常适合求解超高速碰撞问题。对物质点法的算法理论进行了多项改进,自主研发了三维物质点法软件系统MPM3D,从多个角度模拟分析了空间碎片的超高速碰撞问题。模拟结果与实验吻合良好,能够正确再现开坑、层裂、碎片云等超高速碰撞典型现象,易于通过材料内禀结构建模研究泡沫、蜂窝等材料的撞击吸能和防护能力,显示出物质点法及其软件系统可以作为超高速碰撞的有力数值分析手段。     

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。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

一级轻气炮加载实验测试系统用于炸药装药发射安全性研究

论述了一级轻气炮加载实验测试系统用于研究微秒量级炸药安全性的可行性、实验原理、实验方法、数据采集及处理等问题。以某模拟炸药为例,用本测试系统对其开展了发射安全性实验研究,并与铸装B炸药和压装B炸药的大型落锤加载装置的实验结果进行了对比。结果表明,一级轻气炮加载实验测试系统研究微秒量级炸药安全性的实验方法能够实现对炸药装药撞击起爆基本现象的定性、定量观测与表征。     

充水压力容器超高速撞击特性试验与仿真研究

通过试验和数值仿真研究铝球以约2．5 km/s的速度撞击球形充水压力容器的撞击特性,容器为先充约80％的水再充2．0MPa氮气的球形不锈钢压力容器。结果表明：超高速撞击充水压力容器的主要损伤为穿孔和爆裂;铝球撞击穿透容器后在水中减速明显,未对容器后壁造成明显损伤;压力容器的工作压力相同时,在相近的撞击参数下,设计压力小的压力容器更易发生爆裂。研究结果可为在轨航天器上的压力容器设计和空间碎片防护提供参考。     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3～10km／s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0．2～10km／s速度范围内可实现直径为0．1mm量级粒子的有效探测。     

波纹倾角对填充式波纹夹层结构超高速撞击防护性能影响

基于SPH方法模拟了空间碎片撞击波纹倾角分别为30°、45°、56°和60°的填充式波纹夹层结构的过程,对防护特性进行对比分析,研究了波纹倾角对防护性能的影响。结果表明,撞击形成的碎片云膨胀程度随倾角增大而变大,倾角为56°时的结构对空间碎片破坏最大;4种结构所转化的不可逆功相差很小,倾角对结构不可逆功转换的影响较小;不同倾角的航天器舱壁损伤不同,倾角为56°时航天器舱壁损伤程度最小。     

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N 型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SP H 数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相

为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统。该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度 v=4．6km／s时碎片云的四序列阴影照片。笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍。调试及试验结果表明：（1）该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;（2）该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

蜂窝夹层板BLE的一种增强型协同优化建模方法

弹道极限方程(BLE)是进行飞行器防护结构设计与空间碎片撞击风险评估的关键技术,基于超高速撞击物理实验数据对已知形式的弹道极限方程进行修正,是获得高可信度新方程的一种常用方法。为了快速准确地获取新方程,以国外131个碳纤维复合材料(CFRP)面板的蜂窝夹层板实验数据为对象,运用增强型协同优化(ECO)方法对Christiansen方程进行优化。结果显示增强型协同优化方法与穷举法的优化结果一致,并给出了计算效率提升比例。为考核修正后方程的适用性,利用铝合金面板的蜂窝夹层板的25个实验数据对修正方程进行检测,结果显示修正方程可以将总体预测率从68%提升至84%,安全预测率从76%提升至92%,绝对误差平方和从0.046 2下降至0.006 3,相对误差平方和从1.046 0下降至0.109 0。     

航天测控虚拟现实系统的设计实现

利用虚拟现实系统进行航天测控监视，能够直观表现航天器的空间位置、轨道、姿态、外部件工作状况、以及日地星相对运动规律、设备跟踪情况，为指挥和技术人员分析掌握航天器的运行情况提供监控手段，同时能够对各种岗位人员进行任务培训。本文介绍了虚拟现实（VR）的一般概念，分析了航天测控系统的需求，详细论述了航天测控虚拟现实系统的设计实现方法以及主要的技术问题。     

超高速碰撞碎片散布数值分析

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对低轨卫星与某空间物体的超高速碰撞问题进行了数值模拟。通过确立航天器轨道高低判定准则及判定方法,分析了碰撞角度、碰撞速度对碰撞碎片散布的影响情况。仿真结果表明,低轨卫星与空间物体碰撞产生的大部分空间碎片所处轨道高度位于原卫星轨道周围;碰撞碎片的散布情况与碰撞方式密切相关,相比于上升式碰撞,下压式碰撞产生的下降碎片个数较多,上升碎片个数较少;低轨卫星与空间物体碰撞产生的空间碎片总数与碰撞相对速度密切相关,碰撞相对速度越大,碎片数量越多;随着碰撞相对速度的增大,上升碎片、下降碎片及双曲碎片的个数逐渐增加;在不改变碰撞总动量数量级的条件下,改变空间物体的速度大小对空间碎片散布的影响并不明显。     

混凝土房屋结构靶的超高速撞击特性研究

为了研究动能武器对混凝土类目标的毁伤效果,采用试验和数值仿真手段,对钨合金弹丸超高速撞击混凝土房屋结构靶进行了研究,探讨了混凝土房屋结构靶在超高速撞击条件下的毁伤特点。试验所用的钨合金弹丸重35g,长径比为5,撞击速度2．5km/s;混凝土房屋结构靶抗压强度34．4MPa。研究发现：在开展的试验条件下,房屋结构靶顶层板和底层板被穿透,未发生解体破坏;靶体中加筋对靶体的穿孔大小及结构破坏没有明显的降低作用;速度2．5km/s的弹丸经撞击40mm厚混凝土板后的速度降到2．0～2．3km/s 范围内;弹丸超高速撞击混凝土房屋结构顶层板形成的碎片云速度较高,部分碎片对人员具有较强的杀伤效果,该部分碎片的扩张角为23＆#176;,在底层板上的分布范围大于穿孔大小。     

空间微生物控制技术综述

空间微生物是长期载人航天面临的一个重大安全性问题,严重威胁航天员的生命健康和航天器的长期安全运行。载人航天器内微生物滋生会污染环境,导致航天员感染或生病,腐蚀材料,导致设备故障,在空间发生变异的微生物如被带回地球,还会威胁地球生态安全。空间微生物来源途径多样,种类复杂,且种群在航天环境下不断演变,控制难度大。空间微生物控制是在航天器的设计建造、在轨运行各阶段采取适当的监测、控制和防护措施,控制航天器的微生物水平,防范其风险。介绍了国际空间站飞行前和飞行阶段的微生物控制标准与监测要求,以及国外在载人航天器设计、消毒灭菌、洁净组装、发射及在轨飞行等阶段的微生物控制技术发展现状,并对我国空间微生物控制技术的发展提出建议。     

依靠发射动能物体消除碎片撞击危险的航天器自卫技术

空间碎片在动能物体的撞击下可以改变轨道,这可用作保护大型航天器安全的一种应急措施,其中发射动能物体的瞄准方法是关键技术之一。本文首先简化Hill方程的解析解,在此基础上给出动能物体与空阃碎片实现碰撞的相对运动方程,并进一步给出一种“线性化加修正”的初始速度方向求解算法。仿真表明,得出的初始速度方向可以满足对一定大小与距离的空间碎片的撞击要求,方法简便有效。