深空粉尘环境探测技术综述

空间粉尘携带了跨越时间和空间的大量信息,从星系起源到行星系演化,甚至携带了生命起源的基本物质。空间粉尘环境一方面给人类提供了了解深空环境的媒介,另一方面也对人类空间行为产生影响。随着科学载荷技术的发展,粉尘环境探测器能力也逐渐由单纯记录事件向记录粉尘物化特征扩展。文章综述了目前已经开展的空间粉尘环境探测项目,并以高速撞击效应为切入点讨论了以光学、应力及声波、电学测量、原位捕获与返回检测等技术手段为主的空间粉尘探测技术,指出未来随着深空探测项目的开展和探测对象的扩大,空间粉尘环境探测需求会推动具有复合功能、低质量功耗、高精度的探测技术进一步发展。     

空间微小碎片撞击对太阳能电池性能影响

文章利用中国科学院空间科学与应用研究中心的等离子体驱动微小碎片加速器,进行了空间微小碎片累积撞击太阳能电池的模拟试验。之后,利用体式显微镜统计出太阳能电池表面的撞击坑,并测量了撞击前后太阳能电池的开路电压、短路电流、最大输出功率等参数的变化。试验结果与理论分析揭示了引起太阳能电池功率衰减的主要原因是碎片累积撞击导致的太阳能电池表面损伤。     

空间碎片和微流星对卫星太阳翼的撞击损伤及防护研究

空间碎片和微流星撞击的累积效应,将导致太阳电池片性能衰降,甚至造成一定串数太阳电池片的损伤。高速撞击甚至会激发等离子体,扩散的等离子体会诱发放电,引起太阳电池片电路的电弧放电,导致太阳翼输出功率下降。文章分析了碰撞对太阳电池片造成的物理损伤,还分析了碰撞对电缆束、铝蜂窝板芯的影响。针对3种太阳同步轨道卫星特点分析了其太阳翼遭受空间碎片和微流星撞击的风险,给出了太阳翼的防护措施,可为太阳翼防空间碎片撞击设计的方案选取提供借鉴。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

微米级空间碎片超高速撞击地面试验技术的研究进展

微米级空间碎片对航天器的累积效应将对其性能造成严重的影响,国外已开展了相关的超高速撞击地面试验技术研究.针对微米级空间碎片特点,国外相继发展了激光驱动加速、粉尘静电加速、电炮加速和等离子体加速等四种主要的地面试验技术.主要介绍了四种试验技术的原理和方法以及国内外研究进展,并对上述试验技术的各自特点作了对比,对各自适用范围进行了讨论.     

微米级空间碎片粉尘静电模拟加速设备现状原理及发展现状

由于微米级空间碎片数量巨大,与航天器的碰撞频率碰撞概率很高,虽然单次撞击不一定造成航天器损坏,但其累积效应仍然会影响航天器的性能。超高速地面模拟实验是研究微米级空间碎片撞击效应最直接、最有效的手段,国外已发展了粉尘静电加速设备用于模拟微米级空间碎片的撞击效应。文章对粉尘静电模拟加速设备的原理和发展现状进行了介绍,并对该种设备的优缺点进行了分析讨论。     

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。     

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。     

空间碎片防护研究最新进展

空间碎片对在轨航天器的安全运行构成了严重威胁,对航天器的撞击事件频繁发生。随着空间碎片环境的日趋恶化,航天器的防护变得越来越重要。文章从空间碎片环境模型、撞击风险评估、航天器部件损伤、防护材料与结构的超高速撞击试验、撞击试验数据库建设、超高速发射设备、在轨撞击感知、机构间超高速发射设备交叉校验等方面对国内外空间碎片防护研究的进展进行了总结,并在此基础上给出我国未来空间碎片防护研究的发展建议。     

空间碎片撞击卫星影响分析及验证

近年来，空间碎片环境日益复杂严峻，对卫星在轨飞行构成严重威胁，发生碰撞风险大幅增加。针对低轨卫星遭受空间碎片撞击问题，分析了撞击产生的二次碎片云损伤机理，提出了利用遥测数据评估撞击产生的影响，分析撞击信息的流程，设计了相应地面验证实验。结果表明:碎片云引发二次损伤为空间碎片撞击卫星主要损伤形式。碎片云可导致多层隔热材料(MLI)发生破损甚至严重撕裂、外翻，同时引起供电线缆损伤、导线被击断。破损的供电电缆，通过大电流后发生断路的可能性急剧提升，对卫星危害巨大。     

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。     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

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。     

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s~4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明：碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。
     

两种物态方程在超高速碰撞数值模拟中的比较

材料在超高速碰撞下将发生熔化甚至气化相变。为反映超高速碰撞中材料相变带来的影响,文章采用GRAY三相物态方程与Tillotson物态方程,对超高速碰撞进行数值模拟对比研究。研究表明:当碰撞速度在3 km/s以下时,除了靶板穿孔直径外,两种物态方程所给出的碎片云的结果基本一致;但当碰撞速度在3 km/s以上时,两种物态方程给出的数值模拟结果有较大差异,这说明在超高速碰撞中相变的产生对碎片云形状参数有较大影响。     

航天飞机在飞行时的损害评估

文章介绍了用约翰逊空间中心超高速碰撞试验设备(HIT-F)上的BUMPER计算程序,对航天飞机观察窗表面在低地球轨道(LEO)环境受到超高速碰撞时的损害进行预测,并与实际损害情况进行了比较。     

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。     

克服地球轨道空间碎片的航天器防护结构几何规划设计

文章描述了一个用于航天器防护结构综合优化的独特方法——几何规划优化技术,以减小暴露于流星体和空间碎片超高速碰撞环境下的航天器防护结构系统的重量。空间碎片和流星体环境由广义加权目标函数的公式来定义。通过Wilkinson,Burch和Nysmith超高速碰撞预示模型说明几何规划的性能。表明遵循几何规划形式的超高速碰撞模型,可以进行综合非线性设计优化。