基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

使用超高速碰撞数值仿真技术,结合自主开发的碎片识别统计方法,以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例,进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析.通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法,从图形角度识别出碎片云中的大碎片,然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计,提取出了碎片数目...     

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。     

基于星载可见光相机的空间碎片探测

空间碎片在轨识别与参数辨识为空间轨道预警、航天器规避空间碎片提供了重要依据。文章在轨道相对动力学的基础上,模拟了空间碎片在光学探测过程中的拖尾成像特性;随后,采用 Hough变换对空间碎片尾迹特征.r进行提取与识别,获取碎片方位角信息,通过匹配多帧图像,获取碎片的方位角速度信息。同时,结合激光测距仪的测距信息,获取空间碎片的位置和速度信息;通过数值仿真验证,该方法能够实现对空间碎片探测、识别和定位,因而具有一定的工程应用价值。     

最小二乘无网格方法及其在近空间解体碎片绕流场模拟应用

针对航天器再入解体碎片绕流问题,通过分析无网格方法计算原理,推导了基于泰勒级数展开确定点云结构上的空间离散与适用于最小二乘无网格方法的无粘通量求解格式,采用三阶Strong Stability Preserving型Runge-Kutta时间推进与特征基础边界条件数值处理,研究建立了求解二维无粘气体流动的无网格数值方法。通过对典型算例和碎片简化模型等问题进行计算分析,表明设计的无网格方法通量格式能够很好地捕捉Euler方程描述的流场特征,具有较强的收敛适应性与鲁棒性。研究表明建立的最小二乘无网格数值方法具备推广应用到航天器解体碎片绕流模拟的潜在能力。     

基于SPH方法鸟撞航空发动机进气风扇的数值分析

目前鸟撞问题的数值分析方法主要以拉格朗日方法和欧拉方法为主。拉格朗日方法在计算时会遇到网格畸变和缠绕等问题,使计算无法进行。欧拉方法在确定模型的自由表面、变形边界和运动交界面时精确性较差。针对以上不足,本文创新性地应用一种无网格的SPH方法模拟鸟撞航空发动机进气风扇,旨在改善传统方法中网格畸形和精度不足的问题,并通过模拟数据和实验数据的对比,验证SPH方法对鸟撞问题分析的准确性。     

航天器无控再入解体非规则碎片散布范围分析研究

针对服役期满大型航天器在无控情况下再入大气层解体过程及再入点难以提前预测,再入解体后生成的碎片可能造成地面伤害等问题,采用基于空间方位角的碎片有限分组策略与飞行姿态角随机统计模拟技术,提出非规则碎片几何分类与质量分布模型及地面散布范围可计算建模方法,结合气动特性当地化快速算法和三自由度弹道方程,建立了空气动力融合弹(轨)道高精度数值积分碎片运动散布范围统计计算方法,初步实现了对航天器无控再入解体碎片的全程跟踪模拟。结果表明:解体点弹道倾角对碎片散布范围影响很大,散布区域整体呈细长条状,纵向达数千公里,横向仅为百余公里,质量越大的碎片航程越远。     

一种基于三阶WENO重构的无网格算法研究

提出了基于三阶WENO重构的无网格算法,以期替代传统的无网格线性逼近重构,提高无网格算法的求解精度。基于无网格点云卫星点分布特征,通过沿点云中心点与卫星点连线方向引入局部一维坐标系,并结合虚拟点的设置,构成了在点云中实施三阶WENO重构所要求的模板。算法涉及的卫星点连线中点处的左右状态值,则利用模板上各点的流场值,采用WENO重构方法计算给出。对于模板中设置的虚拟点上的流场值,本文则利用已有的无网格点云信息,基于最近节点流场值插值得到。文中给出了采用上述WENO重构方法,结合Roe的近似Riemann求解器确定通量,并采用三阶TVD Runge-Kutta方法进行时间推进求解Euler方程的具体实施过程。对模型问题的典型流动进行了计算分析,通过比较数值解和精确解,验证了算法获得的数值解能逼近三阶精度。给出的激波管流动和超声速半圆柱绕流算例展示出所发展的算法捕捉激波等间断问题具有更高分辨率,能体现出WENO重构"基本无振荡"的特性。文中最后给出了非定常激波过弯道绕双圆柱流场的数值模拟算例,展示了所发展的算法处理含非定常激波演化的复杂流动问题的效果。     

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

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。     

求解具有多层试验数据成败型单元混联系统可靠性近似限的信息论方法

研究了求解具有多层成败型试验数据时,系统可靠性置信下限近似解的信息论方法,给出了各层试验数据综合的方法和步骤,推导了各层数据信息论方法折合及综合的计算公式。根据单元试验信息提供的信息量与系统折合试验应提供的信息量相等的原则,将多层试验数据逐级折合为系统的等效成败型数据,导出了等效成败型数据信息论方法折合的基本公式;结合可靠性工程的基本原理,根据单个成败型单元可靠性评定的经典精确置信限方法,给出了系统可靠性置信下限的近似解。并以实例形式说明了该方法的具体应用。     

Fragment Identification and Statistics Method of Hypervelocity Impact SPH Simulation

A comprehensive treatment to the fragment identification and statistics for the smoothed particle hydrodynamics (SPH) simulation of hypervelocity impact is presented. Based on SPH method, combined with finite element method (FEM), the computation is performed. The fragments are identified by a new pre- and post-processing algorithm and then converted into a binary graph. The number of fragments and the attached SPH particles are determined by counting the quantity of connected domains on the binary graph. The size, velocity vector and mass of each fragment are calculated by the particles’ summation and weighted average. The dependence of this method on finite element edge length and simulation terminal time is discussed. An example of tungsten rods impacting steel plates is given for calibration. The computation results match experiments well and demonstrate the effectiveness of this method.     

Space Debris Reentry Analysis Methods and Tools

The reentry of uncontrolled spacecraft may be broken into many pieces of debris at an altitude in the range of 75-85 km. The surviving fragments could pose great hazard and risk to ground and people. In recent years, methods and tools for predicting and analyzing debris reentry and ground risk assessment have been studied and developed in National Aeronautics and Space Ad-ministration (NASA), European Space Agency (ESA) and other organizations, including the group of the present authors. This paper reviews the current progress on this topic of debris reentry briefly. We outline the Monte Carlo method for uncertainty analysis, breakup prediction, and parameters affecting survivability of debris. The existing analysis tools can be classified into two categories, i.e. the object-oriented and the spacecraft-oriented methods, the latter being more accurate than the first one. The past object-oriented tools include objects of only simple shapes. For more realistic simulation, here we present an object-oriented tool debris reentry and ablation prediction system (DRAPS) developed by the present authors, which introduces new object shapes to 15 types, as well as 51 predefined motions and relevant aerodynamic and aerothermal models. The aerodynamic and aerothermal models in DRAPS are validated using direct simulation Monte Carlo (DSMC) method.     

基于分形理论和节点分离有限元的泡沫铝防护结构数值仿真研究(英文)

利用数字图像处理技术对泡沫铝截面的分形特征进行了分析,使用对数线性回归方法计算了泡沫铝的分形维数。Serpinski垫片可以被用于泡沫铝截面建模。通过调整迭代次数和分割参数可以获得不同分形维数、不同相对密度的泡沫铝模型。使用节点分离的Lagrange有限元方法对超高速碰撞过程进行了分析,通过将数值仿真结果与实验结果对比表明了建模方法以及仿真方法的有效性。通过数值仿真,获得了等面密度的铝防护板以及泡沫铝防护板的弹道极限曲线。对比表明,泡沫铝板的防护性能明显优于铝板。泡沫铝材料适合应用于航天器防护。     

基于单故障叠加的航天器故障数据仿真方法

针对测试故障诊断系统可靠性的问题,在传统基于对故障航天器的参数估计模拟的故障数据仿真基础上,提出一种基于单故障叠加模型的航天器复杂故障数据仿真方法,新型数据仿真方法能够在有限次迭代的情况下逐次逼近仿真航天器故障数据,对航天器故障的仿真实验证明,该方法可广泛应用于各类航天器故障诊断系统的测试过程。     

空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统

再人航天器解体产生的空间碎片在高速气体加热作用下发生烧蚀,残存碎片对地面造成很大威胁.开发空间碎片再入烧蚀预测与地面安全评估软件系统(DRAPS),建立碎片三自由度(3DOF)弹道模型,在连续流,自由分子流和过渡区流分别采用牛顿流模型、无碰撞分子动理论和桥函数方法进行碎片气动力/气动热预测,利用零维或一维热传导模型模拟...     

Hypervelocity impact induced shock acoustic emission waves for quantitative damage evaluation using in situ miniaturized piezoelectric sensor network

Manmade debris and natural meteoroids, travelling in the Low Earth Orbit at a speed of several kilometers per second, pose a severe safety concern to the spacecraft in service through the HyperVelocity Impact(HVI). To address this issue, an investigation of shock Acoustic Emission(AE) waves induced by HVI to a downscaled two-layer Whipple shielding structure is performed,to realize a quantitative damage evaluation. Firstly a hybrid numerical model integrating smoothparticle hydrodynamics and finite element is built to obtain the wave response. The projectiles, with various impact velocities and directions, are modelled to impact the shielding structure with different thicknesses. Then experimental validation is carried out with built-in miniaturized piezoelectric sensors to in situ sense the HVI-induced AE waves. A quantitative agreement is obtained between numerical and experimental results, demonstrating the correctness of the hybrid model and facilitating the explanation of obtained AE signals in experiment. Based on the understanding of HVI-induced wave components, assessment of the damage severity, i.e., whether the outer shielding layer is perforated or not, is performed using the energy ratio between the regions of ‘‘high frequency" and ‘‘low frequency" in the acquired AE signals. Lastly, the direct-arrival fundamentalsymmetric wave mode is isolated from each sensing signal to be input into an enhanced delay-andsum algorithm, which visualizes HVI spots accurately and instantaneously with different sensor network configuration. All these works demonstrate the potential of quantitative, in situ, and real time HVI monitoring using miniaturized piezoelectric sensor network.     

离子发动机羽流特性的数值模拟

离子发动机羽流中产生的交换电荷(CEX)离子返流会影响航天器的正常工作.建立离子发动机羽流模型,采用单元内粒子方法(PIC)对羽流场进行数值模拟计算.结合DS-1探测器飞行实验的测量结果,分析了卫星电势、电子温度、卫星几何尺寸、推力器工作特性等对相关因素对CEX离子返流特性的影响.结果表明:从推力器出口附近到卫星背面,CEX离子密度为108~1012m-3.当卫星电势从-15V变化到27V,测量点位置处CEX离子密度从0.65×1012m-3变化到1.5×1012m-3.羽流中CEX离子密度和电势结构随电子温度变化不大,但电势大小随电子温度成比例地变化.同一位置处不同工况下CEX离子的密度可根据CEX离子生成率与工作点参数间的关系式准确地估计.卫星安装推力器的表面起着对CEX离子返流屏蔽和降低的作用.      

基于模糊变结构的空间飞行器姿态控制

根据空间飞行器姿态系统具有非线性、强耦合、多输入多输出的特点,对飞行器姿态模型的非线性和不确定性,提出分散模糊变结构控制方法。利用模糊系统对不确定性函数进行逼近,将获得的模糊系统函数作为系统不确定性界函数,对模糊逼近所带来的误差以及外部干扰项,采用控制补偿方法。理论分析和仿真研究表明,提出的控制方法具有姿态跟踪精度高,实时计算量小,便于工程实现等优点。