航天器舷窗玻璃超高速撞击损伤与M/OD撞击风险评估

用北京卫星环境工程研究所的18mm口径二级轻气炮(TLGG)和20 J激光驱动微小飞片装置(LDFF-20)对用作航天器舷窗玻璃的熔融石英玻璃的超高速撞击损伤特性进行了实验研究和分析.其中,TLGG发射的球形铝弹丸直径分别为1 mm和3 mm,速度2～6.5 km/s;LDFF-20发射的圆柱形飞片厚度7 μm,直径1 mm,速度1～8.3 km/s.撞击结果为:对12 mm厚的熔融石英玻璃,直径为3mm的弹丸甚至在2.8 km/s的低速下就将其穿透,而直径为1 mm的弹丸在6.5km/s的高速下没有穿透,这说明弹丸直径对撞击损伤特性有很强的影响;LDFF-20发射的微小飞片的撞击仅在玻璃表面产生很浅的凹坑,没有裂纹产生,但微小飞片的累积撞击损伤明显地降低了玻璃的透光性.实验初步获得了侵彻深度PC、侵彻直径D1与弹丸撞击速度Vp、弹丸质量Mp之间的经验关系.依据实验结果和目前的微流星体/空间碎片(M/OD)环境工程模型,建议对于高度为400 km、轨道倾角42°、寿命为3年的典型航天器,其舷窗玻璃的临界安全(非穿透)厚度至少为12mm.     

球形弹丸超高速斜撞击薄板的碎片云和侵彻特征仿真分析

低地球轨道航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。相较于正撞击,斜撞击现象更加普遍、更具研究价值。文章采用Autodyn-3D数值模拟软件,利用光滑粒子流体动力学（smooth particle hydrodynamics, SPH）方法,模拟Al2017-T4球形弹丸超高速斜撞击Al2A12薄板的过程,开展弹丸撞击速度为3～6 km/s、撞击角度为0°～60°时的撞击特征仿真分析。结果表明:撞击角度对碎片云形貌与几何尺寸,以及穿孔大小和形状特征有显著影响;当撞击角度为30°～45°时会发生滑弹反溅现象,造成弹丸侵彻能力下降。研究结果可为超高速撞击防护结构的设计和改进提供支持。     

铝金属基底月尘被动防护表面研究

月尘是探月任务中遇到的极大环境因素,对探月设备的粘附是影响其功能实现甚至重要部件失效的主要因素。月尘与铝金属基底粘附力可优化项为范德华力。针对以上理论结果,通过电化学刻蚀结合低表面能涂覆设计了一种月尘防护表面。通过控制防护表面制备过程中的时间和工艺得到不同粗糙度和表面能的防护样品,最终得出所制备样品的最优表面能为22.52mJ/m²,表面粗糙度为2.444μm。通过翻转测试得到翻转角度为60°时的月尘防护效率为58.41%。经测试,通过电化学刻蚀得出的样品,继续增加电化学刻蚀时间和电流,表面粗糙度继续增大,月尘容易卡在微结构中,并不能继续提高月尘防护效率。研究得出的月尘被动防护技术可以广泛应用于未来深空探测任务的部组件防护。针对不同的防护表面,后续可开展效果优良的防尘表面研究,本方法比主动月尘防护方法节省在轨电源损耗。     

空间粉尘高速撞击对光学玻璃透过率影响的研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量的微陨石及空间微小碎片撞击作用。这些微陨石和空间微小碎片可能吸附在航天器光学玻璃表面,也可能与光学玻璃表面碰撞产生陷坑等缺陷。文章采用爆炸式粉尘加速器加速微米级铝粉末撞击K8光学玻璃,在玻璃表面产生大量碰撞陷坑形成砂蚀磨损现象,利用CΦ-46型分光计测量光学玻璃的透过率。结果表明,光学玻璃磨损区域的透过率明显下降。透过率下降程度与陷坑数量成比例。通过对单个陷坑的计算,当陷坑深度大于或等于一个粒子直径时,光线衰减程度达到最大。     

射流推力矢量喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

用颗粒轨道模型对基于激波控制的二维收缩-扩张(2-DCD)喷管中的气固两相流动进行了数值模拟,研究了1～60 μm不同直径颗粒的运动轨迹.研究表明,颗粒尺寸越小,粒子的随流性越好;颗粒尺寸越大,主流中的粒子与收缩段壁面碰撞越剧烈,无粒子区越大,二次流中的粒子对下壁面的碰撞越剧烈.     

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。     

激光驱动飞片系统模拟空间碎片超高速撞击

文章介绍了北京卫星环境工程研究所采用激光驱动飞片系统将厚度5μm的铝质飞片发射到8.3 km/s.该驱动系统采用调Q钕玻璃激光,脉宽15 ns,最大能量达到20 J.针对热控材料、舷窗玻璃及OSR等外部表面功能材料开展了超高速撞击实验研究,取得初步研究结果.实验结果表明激光驱动飞片技术可很好地用于模拟微流星/空间碎片超高速撞击效应研究.     

空间微小碎片累积作用下材料光学性能退化预示模型适用性研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量空间微小碎片和微流星体的撞击作用,其中的微米级粒子将在航天器表面产生大面积砂蚀现象,并使材料或器件功能衰退。文章介绍了NASA空间微小碎片累积损伤材料光学性能退化预示模型并推导了两个预示模型之间的关系。利用ORDEM2000碎片分布模型估算了K8玻璃累积损伤面积。以K8玻璃为例,对比研究了两个预示模型的适用性。结果表明,当航天器外表面损伤程度小于40%,可利用Canoon模型评价和预示材料光学性能退化规律;当航天器外表面损伤程度大于40%,需利用Mirtich模型评价和预示材料光学性能退化规律。     

空间微小碎片对光学玻璃的污染效应研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量空间微小碎片撞击作用。这些微陨石和空间微小碎片可能在光学玻璃表面碰撞产生陷坑,也可能吸附在航天器光学玻璃表面造成污染。文章介绍了采用静电式粉尘加速器使微米级铝粉末低速撞击K8光学玻璃,在玻璃表面吸附大量的粉尘粒子。研究结果表明,被铝粒子污染的光学玻璃透过率明显下降。透过率下降与污染程度成比例。对光学玻璃表面单个粒子陷坑计算分析表明,粒子吸附在玻璃表面时,比粒子陷入一定深度造成的光线衰减更大。     

光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究

文章利用静电加速器模拟研究了微小空间碎片及微流星体(空间粉尘)高速撞击镀膜石英玻璃,光学透镜和反射镜的撞击效应与累积损伤特性.扫描电镜观察结果表明,被撞击试样表面的损伤形式为不连续的点缺陷,可发现撞击坑、机械破裂、局部熔化和粉尘微粒子附着;分光光度计测试结果显示,经粉尘累积撞击后,光学透镜的透射率和反射镜的反射率均发生...     

Meteoroid and technogenic particle impact on spacecraft solar panels

This paper presents calculated models and the results of estimates of meteoroid and technogenic particle impact on spacecraft solar panels. It is shown that optical losses resulting from the formation of microcraters on the surface of protective glasses of semiconductor photoconverters (PC) are negligible (less than 0.01%). Significantly greater losses can occur as a result of shunting the PC p–n junction. In high and medium orbits, these losses are 0.1–0.2%/year for the glass thickness of 150 μm and the area of one PC of 30 cm². Decreasing the glass thickness up to 100 μm can lead to increasing power losses up to 0.6%/year.     

激光驱动微小碎片对石英玻璃撞击损伤效应试验研究

空间碎片撞击对航天器表面材料性能具有很重要的影响。文章从碎片对材料撞击作用角度出发,使用激光驱动飞片技术对光学玻璃进行了撞击试验研究。为了便于对撞击损伤机理的研究和效应评价,开展了单次撞击试验和多次撞击试验,并对这些试验进行了测试分析。试验表明:高速飞片与撞击靶损伤处有很好的对应关系,且高速飞片撞击对石英玻璃表面造成了损伤结构,进而导致光透过率下降。     

High velocity impact characterization of Al alloys for oblique impacts

This paper describes the experimental and computational analyses of a high velocity aluminum projectile impact on an Al6061-T6 spacecraft inner wall at different oblique angles. Al2017-T4 spherical projectiles of 5.56 mm in diameter and 0.25 g in weight were chosen within the velocity range of 1000±200 m/s due to the limitation of the light gas gun. The energy absorbed was calculated by measuring the velocities before and after impact on the inner wall. The energy absorbed by the wall and the remaining energy carried by the projectile helped to estimate the severity of further damage to inner components. Afterwards, validation was done by using the commercially available software LS-DYNA with a dedicated SPH. On average, a 10% energy absorption difference between experimentation and simulation was found. By using C-SCAN, the damage area proportion of the total inner wall to impact penetration hole area was found to be on average 6%, 26% and 53% greater than the projectile cross sectional area for the oblique angle impacts of 30°, 45°, and 60°, respectively. These findings helped to understand the relationship between the oblique impact event and the damage area on a spacecraft inner wall along with space debris cloud propagation and comparison with experimental results using LS-DYNA.     

太阳同步轨道电子探测器的多方向设计研究

为实现观测电子投掷角分布的目标,本文讨论了太阳同步轨道三轴稳定卫星电子观测的多方向设计。分析了磁层电子投掷角分布特征,并根据太阳同步轨道卫星的轨道参数,计算得到卫星运行轨迹上,三个探测器常用安装面正入射粒子的投掷角。在此基础上,进行电子探测器的探测方向设计,结果表明探测器要在任何安装面都满足投掷角观测要求,至少需要在0°、10°、20°、25°、35°、45°、70°、80°和90°共9个方向上设计探测窗口。     

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,可为空间碎片撞击气球卫星的碎片化特征分析提供支撑。     

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。     

微重力环境模拟作业训练机器人碰撞力反馈控制

针对航天员在地球表面进行微重力环境中操作训练时微重力环境模拟作业训练机器人存在的碰撞力反馈控制问题,建立碰撞力反馈模型、提出单个柔索驱动单元控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略。利用Matlab/Simulink软件对碰撞力反馈模型和控制策略进行仿真验证,该模型和控制策略可以实现机器人碰撞力反馈,且具有计算量小、实时性好、不需要额外增加传感器等优势;结合提出的柔索驱动单元复合控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略进行机器人碰撞力反馈控制实验,提高机器人控制的准确性和实时性。结果表明,基于干扰观测器的柔索驱动单元复合控制策略将柔索驱动单元主动控制精度提升11%,被动控制多余力消除率达到81.82%;机器人碰撞力反馈控制策略可以有效提升航天员作业训练时碰撞力临场感体验。