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。     

卫星解体碎片生成数值模拟

提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法,对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合,能够模拟获得孤立碎片的特性数据。通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元,能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片,结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性,表明了该方法的有效性。     

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。     

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。     

铝-铝超高速碰撞闪光现象的初步实验测量

 为了研究不同碰撞参数条件下超高速碰撞闪光的特点及闪光温度的变化规律,构建了高温计及附属实验测量系统平台,利用该平台进行了超高速碰撞闪光的初步测量。根据Planck辐射的基本理论,对每次实验的碰撞闪光强度进行了4种波长的采集并对温度进行了拟合计算,得到了碰撞闪光温度历史。实验结果表明：对于弹丸、靶板材料均为LY12铝而言,碰撞角度（与靶板平面夹角）相同、碰撞速度在5.35~5.97 km/s范围内时,碰撞速度对碰撞闪光温度影响不明显;然而,碰撞速度相近,碰撞角度越大,碰撞闪光温度越高。     

基于SPH方法的射流撞击仿真

为了研究液体推进剂的撞击雾化问题,采取光滑粒子流体动力学方法 (SPH)进行了射流撞击形成液膜过程的数值模拟。修正了基于连续表面力模型的表面张力算法,推导了考虑粘性与表面张力作用的SPH形式的控制方程,对撞击雾化模型进行了合理简化,采用水作为推进剂模拟液。得到了不同撞击速度、角度下的液膜图像及液膜的形成过程图像。证明了SPH方法适于解决存在自由表面及大变形的射流撞击问题。     

不同形状砂尘高速冲蚀TC4平板的数值仿真

含有砂尘的空气吸入发动机,会与压气机转子叶片以较高的相对速度发生碰撞,产生砂尘冲蚀现象,严重影响到飞行器飞行安全。通过采用能较好适应大变形的光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元(FE)耦合的方法,建立不同形状砂尘冲蚀TC4平板模型,研究TC4平板表面受砂尘高速冲蚀的典型损伤形式及其规律。结果表明:砂尘尖角越小,冲击产生的弹坑越深,所造成的损伤也越大;随砂尘逐颗撞击平板,弹坑的深度变化越来越小,表现为平板表面的塑性硬化过程;在砂尘连续冲击下,受到冲击角的影响,损伤处的堆积物可能被砂尘冲脱平板,也可能被重新压回弹坑。      

基于李群谱配点法的卫星姿态仿真

为了提高卫星姿态控制系统仿真的精度、可信性和长时间稳定性,提出了一种基于李群谱配点法的卫星姿态仿真方法。对于李群上动力学系统的仿真,李群谱配点法具有独特的优势,不仅能很好地保持系统的几何结构,而且具有几何收敛性。主要结合李群算法和谱方法各自的优势,给出了几何动力学与控制系统李群谱配点法的构造方法并将该算法应用于欠驱动卫星系统的姿态控制系统仿真中。     

幂律型流体雾化SPH方法数值分析

幂律型流体的雾化过程存在复杂的界面运动,用传统网格法很难精确追踪运动界面.为研究幂律型流体的雾化特性,运用SPH方法对典型的双股幂律型流体撞击雾化问题进行三维数值分析.根据文献实验,采用SPH方法模拟获得与实验条件相应的数值结果,对比后表明,二者雾化角相当吻合,数值结果还成功捕捉到液膜向液丝的破碎过程及网状的液丝分布状态,验证了方法的有效性.分析了射流速度和撞击角度对雾化角的影响,得到雾化角随着射流速度和撞击角度的增加而增大;对雾化后的速度场进行数值分析后表明,撞击点附近,惯性力的作用使速度场变化剧烈;在流体远离撞击点的过程中,粘性耗散作用使速度场趋于稳定,但速度大小小于初始撞击速度.     

基于目视间隔条件下的碰撞风险分析

为研究目视间隔条件下进近过程中前后两飞机的碰撞风险问题,通过Reich碰撞模型和碰撞风险模型,引入目视误差作为影响因素之一,建立基于目视间隔条件下的风险评估模型.从纵向、横向、垂向三个维度分析前后两飞机碰撞的概率,求得目视条件下进近两机碰撞的概率,以此作为风险分析的结果.计算结果表明,利用模型计算出的碰撞风险符合国际民航组织规定的航空器空中碰撞概率规定值.故而可证明,目视间隔和目视进近可作为一种安全的空中交通管制运行模式缩小安全间距,提高空域利用率,增加飞行流量.     

一种适用于颗粒非规则分布的阻止SPH数值断裂的方法

 〖HT5”H〗摘〓要〖HTSS〗: 光滑粒子流体动力学(SPH)方法已广泛应用于航空航天领域中大变形的碰撞计算。数值断裂是SPH计算中一种常见问题,可严重影响计算结果。把适用于颗粒规则分布的阻止SPH数值断裂的方法推广到颗粒非规则分布的情形,得到了一种适用于颗粒非规则分布的阻止数值断裂的加颗粒方法。然后将该方法应用于存在数值断裂的悬臂梁弯曲仿真计算,验证了其有效性。最后把该方法应用于弹丸撞击飞机蒙皮的非规则颗粒模型计算,并和规则颗粒模型得到的结果及试验结果进行比较。对比结果表明：对于非规则分布的颗粒模型,该加颗粒方法可有效地阻止数值断裂,提高计算精度,并可较为普遍使用。     

基于SPH方法的圆柱形贮箱液体晃动研究

在飞行器燃油供给方式的选择和飞行姿态控制调整中,必须充分考虑贮箱内燃油的晃动情况及其对贮箱冲击力的影响。然而液体晃动问题的高度非线性使得其研究极具挑战性。采用光滑质点流体动力学方法对圆柱形贮箱内液体的晃动进行建模仿真,将晃动液体的控制微分方程组离散到一系列流体粒子上,从而将不同物理量函数的连续积分转换成支持域内粒子的离散化求和形式,通过求解线性方程组得到数值解。在固壁边界上布置一组虚粒子,以对内部粒子产生排斥力来模拟固壁边界条件,同时采用狄利克雷边界条件方法模拟自由液面,实现对自由液面的追踪。将仿真的液面变化与试验结果作了对比,吻合较好。得到了贮箱壁面上不同监测点的压强变化以及贮箱与液体之间的相互作用力,并说明了结果的准确性。数值计算方法对液体晃动问题的研究提供一定参考价值。     

SPH方法对气液两相流自由界面运动的追踪模拟

气液两相流动是自然界中常见的流动现象,对其进行数值模拟时要求必须能够准确跟踪界面运动变形。本文利用光滑粒子流体动力学方法,结合微可压缩模型(SCM),引入界面控制方法XSPH速度修正以及Van Derwaals状态方程修正,对典型的气液两相流动如二维溃坝、气泡上浮等问题进行了数值模拟,分析了空气和水相互作用机理以及界面运动规律,并同实验结果和其他数值计算结果进行了比较。结果表明,该方法在模拟多相介质界面运动问题准确有效,可用于处理更为复杂的多相流动工程问题。     

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。     

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。     

基于ANCF和SPH的柔性降落伞流固耦合动力学仿真

针对降落伞在展开后下降过程中;降落伞与空气流场之间的柔性结构流固耦合动力学问题;鉴于绝对节点坐标方法（ANCF）在描述柔性结构大变形问题时;克服了传统有限元建模方法带来的弹性变形与刚性变形强耦合问题;本文基于ANCF建立柔性伞绳和伞衣的力学模型。同时;考虑到光滑粒子流方法（SPH）在流场极大变形时;能够自然地捕获快速移动的界面和自由表面;本文采用SPH模拟空气流场;通过弹簧-阻尼模型描述流体粒子和柔性结构之间的耦合效应;对大柔性降落伞进行流固耦合动力学仿真研究。通过数值试验发现:随着流场速度的增大;降落伞有效面积平均值虽然只出现小幅下降;但随时间变化的幅度显著增加。本文研究结果将为柔性降落伞设计提供理论支撑。     

等质量异形粒子超高速撞击侵蚀

用数值方法模拟双锥，圆柱，椭球、圆锥和倒圆锥五类等质量异形铝粒子五种高宽比共２５种粒子对半无限铝靶的超高速撞击侵蚀，撞击速度为４ｋｍ／ｓ，给出了坑深、坑径、坑形参数和坑体积随粒子形状及高宽比的变化曲线。结果与非圆球异形粒子超高速撞击侵蚀计算有重要参考价值。