压缩氮气驱动的高速气炮实验技术

文章介绍压缩氮气驱动的二级气炮、三级气炮的研制背景、设计技术和发射性能特点,分析活塞质量、弹丸质量、驱动气压和泵管初充气压等发射参数对发射弹速和发射效果的影响,分析了制约提高弹速上限的主要因素,还介绍利用上述二级气炮和三级气炮开展的若干实验研究情况,评估压缩氮气驱动多级气炮的开发应用前景。     

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。     

球形弹丸超高速正撞击Whipple防护结构损伤分析

为了掌握航天器防护结构受空间碎片高速撞击的防护性能及其损伤破坏模式,采用二级轻气炮结合高速X光照相系统,对球形弹丸超高速正撞击5A06铝合金whipple防护结构进行了试验研究.根据试验结果分析了铝合金whipple防护结构的防护屏和舱壁在弹丸撞击速度为2.0-5.2km/s、弹丸直径为4mm和6.35mm及防护屏厚度为0.5film、1.5mm、2mm和3mm区间的损伤模式,总结了防护屏穿孔和舱壁损伤随弹丸撞击速度、弹丸直径以及防护屏厚度变化的规律.根据高速x光照片分析了碎片云速度和形态的变化趋势,进而从碎片云角度对舱壁损伤模式进行了分析.     

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。     

一种用于超高速撞击实验的新型弹丸弹托分离技术

文章自主研发了一种新型的气动力弹丸与弹托分离技术。在北京卫星环境工程研究所的φ18mm二级轻气炮上应用该技术在3~7km/s的速度内可以成功分离直径在3～10mm的弹丸,弹托分离非常干净,分离成功率达100%。对比分析显示,该技术分离效果优于目前公开报道的其它技术。     

弹丸高速碰撞过程中靶面三维面形数据获取方法

文章利用二级轻气炮作为高速碰撞弹丸的加载设备,结合基于傅里叶变换轮廓术的结构光三维测量方案实现高速碰撞过程三维面形数据的获取。系统由柯拉照明条纹投影部分和记录形变相位调制信息的百万帧频光电相机组成,根据所标定的相位高度映射参数和高速采集图像的相位分析数据计算出不同时刻穿甲靶面的三维坐标值。实验结果表明,该方法可实现2.976 km/s高速碰撞实验靶面几何变形的三维数据测量,能够为航天器防护结构设计及爆轰穿甲特性分析提供真实三维几何尺寸数据。     

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。     

CAST空间碎片超高速撞击试验研究进展

超高速撞击试验是开展载人航天器及大型应用卫星空间碎片超高速撞击风险评估和防护设计的基础,作为我国航天器环境效应和可靠性工程验证部门的北京卫星环境工程研究所在这个领域做了大量的工作。文章介绍了二级轻气炮超高速撞击地面模拟试验技术、典型防护结构防护性能的超高速撞击试验验证、载人航天器外露材料超高速撞击特性、毫米级弹丸7 km/s以上超高速稳定发射技术探索、高性能防护结构研究等方面的若干近期进展。展望了我国空间碎片防护需求和地面超高速撞击试验研究的发展方向。     

三层铝板结构高速撞击损伤与极限特性

利用二级轻气炮发射铝球弹丸,在真空环境下高速撞击双层铝板和三层铝板结构,研究撞击速度、板间距、铝板厚度对结构撞击损伤的影响。然后分析三层铝板结构的撞击极限速度,并与相同面密度的双层铝板结构的试验结果进行比较。结果表明,当面密度相同时,三层铝板结构比双层铝板结构具有更强的高速撞击防护能力,增加首层铝板厚度有助于提高三层铝板结构高速撞击防护性能,当第二层铝板位于首层铝板与舱壁中间位置时,三层铝板结构的高速撞击防护性能趋于最佳。     

超高速撞击损伤的声发射波特征研究

利用二级轻气炮发射铝弹丸撞击铝板来模拟空间碎片对航天器舱壁结构的撞击,通过声发射传感器得到结构中的应力波动信号.对声发射信号进行小波时频分析和重构,得到信号的低频和高频部分,将重构信号的峰值作为特征值,分析了速度、成坑深度、损伤直径与声发射特征之间的关系.结果表明声发射低频信号的第一与第二峰值幅度比值可以作为撞击损伤的特征参数,并得到了成坑深度、损伤直径与声发射特征之间的经验公式.     

超高速撞击声发射信号在Whipple结构中的传播时序特性研究

为研究屏/舱声发射信号传播时序特性,以典型Whipple防护结构为例,利用二级轻气炮对其进行超高速撞击实验。首先,利用独立于靶件的“遮挡板”阻挡弹丸击穿前板形成的二次碎片云撞击后板,利用布置在前、后板特定位置的超声换能器采集单纯的前板声发射信号,分析信号模态特征,结果表明：前板信号主要包括S0、A0和S2等三种模态板波,经圆柱支撑构件传播进入后板之后,全部转换为A0模态板波。在此基础上,建立了屏/舱声发射信号到达时序预测公式。其次,撤除遮挡板,利用布置在后板特定位置的超声换能器采集前、后板信号的混叠信号,分析两种信号的到达时序并与预测结果进行对比,结果验证了达时序预测公式的有效性。     

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.     

弹丸速度对超爆轰冲压加速器性能影响

为研究超爆轰模态冲压加速器的推进性能,采用混合的Roe/HLL（Harten, Lax, Van Leer）格式,结合自适应网格加密技术(AMR )与沉浸边界法(IBM ),数值模拟了弹丸速度高于预混可燃气体C-J爆速的冲压加速器流场,揭示了弹丸速度对流场结构与推力的影响。结果表明当弹丸速度在一定范围时,斜爆轰波可驻定在弹丸肩部或头部,在弹丸尾部形成高压区加速弹丸,并且,斜爆轰波驻定在弹丸头部推力更高,稳定工作的速度范围 更宽 。     

基于AMESim的往复作动活塞缸性能仿真研究

介绍了某介质联合供应系统,对其中的关键部件——往复作动活塞缸的工作原理进行了说明。建立该系统的仿真模型,模拟了不同介质时活塞缸的工作性能。仿真分析了出口负载、气瓶压力、泵出口压力对活塞缸性能的影响。仿真结果表明该系统可以正常工作,但需要在使用过程中正确匹配气瓶压力和泵出口压力。     

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.     

电爆阀启动过程的响应特性与活塞撞击变形分析

对航天飞行器上的高压常闭式电爆阀启动过程的动态响应特性进行仿真,并通过试验验证两者基本吻合。在此基础上,对电爆阀启动过程活塞撞击变形情况进行分析。采用Abaqus软件对活塞与壳体碰撞行为进行显式非线性动态分析,研究了电爆管、材料性能以及电爆阀出口压力条件对活塞撞击变形量的影响。结果表明,电爆阀出口压力条件对活塞与壳体撞击变形量影响最大,出口压力增大对应变形量急剧减小,电爆阀工作的可靠性随之降低。