空间超高速撞击碎片云前端速度的预测模型

文章利用一组二级轻气炮发射2017-T4 铝质球形弹丸撞击6061-T6单层铝板的地面试验数据,通过选择适当的函数模型,采用多元函数拟合的方法,得到了碎片云前端速度与靶板厚度、弹丸直径和弹丸速度关系的三元二阶多项式模型。再用另外一组数据对该模型进行检验,验证了其对碎片云前端速度具有较好的预测效果。将以上两组数据同样用于建立“无量纲化”模型进行碎片云前端速度预测,并与前述多项式模型的预测结果进行比较发现,该多项式模型预测的方均根误差及平均相对误差均明显优于“无量纲化”模型。该多项式模型可用于预测空间碎片撞击航天器产生的碎片云的前端速度,有助于航天器的空间碎片防护设计。     

超高速撞击中的弹丸形状效应数值模拟研究

文章用AUTODYN仿真软件对球形、圆锥形、圆柱形和盘形4种不同形状弹丸超高速撞击Whipple防护结构所产生的碎片云形貌特征及对后墙的毁伤程度进行了数值仿真研究。对比分析结果指出:质量与速度相等的4种不同形状弹丸撞击缓冲屏所产生的碎片云有明显差异;弹丸长径比越小,穿过缓冲屏后的破碎程度越大;在5 km/s撞击速度下,球形弹丸对后墙的毁伤程度最小,而圆柱形弹丸的毁伤程度最大。这说明弹丸的形状对超高速撞击结果有显著影响,在航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计中应充分考虑弹丸的形状效应。球形弹丸的弹道极限曲线在防护结构的碎片防护能力评价时存在高估的问题,在实际工作中要特别注意这一点。     

球形弹丸超高速撞击铝靶的分子动力学模拟

基于开源分子动力学程序LAMMPS建立球形铝弹丸超高速撞击铝靶的计算模型,模拟弹丸以10 km/s的速度超高速撞击单层靶、双层靶和半无限厚靶;获得了超高速碰撞靶板的物理过程及靶板损伤特性,与超高速碰撞宏观现象相似;厚靶成坑坑深与宏观经验公式计算结果基本一致。模拟结果初步表明,分子动力学方法可以对弹丸超高速碰撞薄靶和半无限厚靶进行模拟,为揭示碰撞过程中的微观机理提供了一种新的研究方法。     

铝合金平板超高速撞击声发射信号S2模态特征分析

对铝合金平板上形成的超高速撞击(HVI)声发射(AE)信号S2模态的特征进行研究,分析其与损伤模式之间的关系。以3 mm厚5A06铝合金平板为研究对象,通过数值仿真获得不同撞击工况下的超高速撞击声发射信号,提取信号中的S2模态,并分析其幅值、能量、频谱等特征。结果表明,S2模态能量随传播距离呈指数衰减;分别随撞击弹丸直径和撞击速度的增加先下降后上升,且在弹丸直径与靶板厚度相近、临界撞击速度时最低。S2模态的中心频率随弹丸直径的增加而降低;随撞击速度的增加而增加;随传播距离的增加向1500 kHz移动。S2模态小波包系数呈凹性的频域范围分别随撞击速度和弹丸直径的增大变窄。在此基础上,当靶板形成穿孔损伤时,可根据S2模态的中心频率推测弹丸的直径;在传播距离和弹丸直径已知的前提下,可根据S2模态小波包系数呈凹性的频域范围推测撞击速度。     

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。     

几种金属材料在2.6～7km/s弹丸撞击下的损伤行为

研究了ＬＹ１２、ＬＦ６、ＴＡ６、３０ＣｒＭｎＳｉＡ四种靶材在２．６￣７ｋｍ／ｓＧＣｒ１５高速弹丸碰撞下的损伤行为。结果表明，弹坑深度和直径一般随弹丸速度ｖ０的增大而增大，但在４ｋｍ／ｓ〈ｖ０〈５ｋｍ／ｓ碰撞速度范围内，弹坑深度和直径随ｖ０的增大而减小。对于所研究的弹靶材料的组合，在ｖ０≈５ｋｍ／ｓ时，弹丸侵长驱支材的能力都下降到最小。在量纲理论分析基础上，应用最小二乘法处理试验数据得到２．６ｋｍ／     

铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布损伤分析

高强度、高模量纤维防护材料是航天器空间碎片超高速撞击防护结构材料的发展趋势之一。开展弹丸超高速撞击高强纤维材料时的损伤分析是空间碎片防护结构研究开发设计的重要环节。玄武岩纤维是近年来受到人们关注的一种高强度、高模量纤维。文章对铝合金弹丸超高速撞击玄武岩纤维布的损伤特性进行了分析研究,观察到了弹丸前部的损伤形态。根据试验结果拟合得到了铝合金弹丸后部产生初始破坏的临界破碎速度方程。分析表明:在试验范围内,铝合金弹丸撞击玄武岩纤维布的临界破碎速度低于撞击铝合金板的,即玄武岩纤维布对铝合金弹丸的破碎能力优于铝合金板。     

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。     

不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下,冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量,并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律,结果表明：撞击坑直径和深度的主导机制不同,坑深主要由弹丸侵彻作用形成,而坑径主要由冰块的剥落所致;坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性,高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性;撞击坑体积与撞击能量成正比,高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“能量缩比”行为,而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出“动量缩比”行为。     

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.     

航天器单层板结构弹道极限的支持向量机预测模型

提出了一种基于非线性不可分支持向量机（SVM）方法的航天器单层板结构弹道极限预测模型。利用实验数据对SVM进行训练,建立穿透点和未穿透点的分隔面,进而预测新结构弹道极限特性。SVM的训练问题是以实验点分类正确性为约束,预测置信度最大化为目标的二次规划问题,用Lagrange对偶方法有效求解了该训练问题,并通过附加Lagrange乘子的上限约束处理不可分数据集。引入二次核函数将线性SVM推广到非线性,有效实现了实验点的分类。利用超高速碰撞实验数据对SVM弹道极限预测模型进行了验证,计算对比表明SVM方法有效预测了弹道极限,并且精度高于NASA JSC单层板弹道极限方程。对分离面方程分离变量,建立了基于SVM的弹道极限方程显式表达式。     

基于PVDF敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术

从理论和实验两个方面开展了基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术研究,分析了基于双曲线理论的定位方法,并在理论分析的基础上,利用气枪和超高速弹道靶分别开展了平面铝板、曲面铝板等单层结构和Whipple结构下的验证实验。弹丸速度范围100m/s-3km/s,实验靶材为2mm厚的单层铝板和铝板厚为1mm、前后间距为10cm的Whipple结构,靶材上安装了4个PVDF传感器。研究结果表明：基于PVDF传感器的感知定位技术可实现空间碎片撞击航天器的位置定位,是一种可应用于航天器在轨感知空间碎片撞击系统的可选技术。     

固体燃气发生器动力模拟水下发射试验研究

通过模拟水下试验,对导弹发射管充水工况下的固体燃气发生器动力发射技术进行了研究。结果表明,在发射管充水工况下燃气动力发射方式可行。与干式发射相比,该发射动力装置需要的装药量大,但发射管内的温度较低,热防护问题容易解决。在此基础上总结出发射深度、弹后空间、挡流板和装药量对发射内弹道的影响规律。试验表明,弹后空间越小,导弹出管速度越大;加装挡流板,可使导弹出管速度明显提高。通过试验对发射方案进行了优选。     

冲压增程炮弹流场数值仿真与分析

建立了冲压增程炮弹的三维计算模型,采用Navier-Stokes理论对冲压增程炮弹进行三维流场数值仿真,给出并分析了不同攻角下炮弹的流场结构和各部分的阻力系数,并与试验数据进行了对比.结果表明,在非设计状态下的总阻力系数比设计状态下的要大.且随攻角的增加而升高,主要是由炮弹空腔及底部的阻力变化所引起的,仿真结果与试验结果吻合较好,对冲压增程炮弹总体设计具有参考作用.     

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。     

天基轻气炮发射清除低轨碎片方案及关键技术分析

文章分析了现有的空间碎片清除方式,并以800~1200 km低地球轨道高度上1~10 cm量级的空间碎片为清除目标,提出了天基轻气炮清除碎片的新方法。首先分析了轻气炮有效载荷在典型参数下的弹丸加速能力;之后根据将碎片降轨使其坠入大气层烧毁的设想,提出天基轻气炮共面清除碎片的方式,并选择轨道高度800 km的圆轨道作为碎片运行轨道进行可行性分析。计算表明,对半径10 cm、厚度1 cm的铝合金圆板碎片(质量211.95 g),使用初速1 km/s、重10 g的黏性弹丸可按任务方案达到清除效果。此外,计算出该参数弹丸对轨道高度800~1200 km的圆轨道上可清除的最大碎片质量为500~825 g,证明轻气炮弹丸对1~10 cm的碎片具有较强的清除能力。最后,分析了以轻气炮为有效载荷的航天器在完成清除碎片任务时的关键技术。