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。     

激光驱动飞片速度的理论分析

激光驱动飞片技术是模拟微流星体/空间碎片对航天器外露材料/部件超高速撞击,用于开展撞击累积损伤效应与材料性能退化的研究,也是进行航天器在轨寿命预估和空间碎片防护研究的重要技术手段。飞片速度是衡量激光驱动飞片技术水平的关键性参数之一。文章从Lawrence改进的Gurney模型出发,着重分析了激光输出能量、脉宽、聚焦光斑大小以及飞片靶厚度等参数与飞片速度大小的关系,提出激光驱动飞片技术中提高飞片速度的主要途径:其他条件一定时,薄靶较厚靶更易获取高速飞片;小光斑较大光斑更易获取高速飞片;长脉宽高能激光器或短脉宽低能激光器比较适合获取高速飞片。以上结论对从试验上获取高速飞片具有重要指导意义。     

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。     

哥伦布航天器对轨道碎片撞击危害的设计考虑

简要介绍了欧洲空间局在执行哥伦布计划期间，在载人压力舱和有人照料的自由飞行器的设计阶段。对微流量和轨道碎片撞击危害的防护研究方面所做的主要工作。     

基于小波包变换及相关系数法的复合材料层合板冲击位置识别研究

复合材料较为广泛应用于航空、航天等工程领域,但对冲击载荷十分敏感。因此,对复合材料结构承受的冲击载荷进行在线监测以及冲击位置的实时识别具有重要意义。文章以复合材料层合板为研究对象,基于两个冲击位置的距离越靠近则接收到信号幅频特性相似度越高的特点,采用FBG光纤光栅传感器,通过小波包变换的方法来提取能量特征向量,同时结合相关系数法来实现复合材料层合板的冲击位置识别。在480 mm×480 mm的复合材料层合板上开展冲击实验,8次实验皆完成了冲击位置识别,其中7个点距离误差为0 mm,实现精准识别,另一个点误差在6%以内。     

一种提升近地小行星防御中拦截效率的方法

利用核爆直接炸毁小行星或改变小行星的轨道以避免其与地球相撞,是近地小行星防御最主要的手段之一。文章基于美国爱荷华州立大学的超高速小行星拦截器(HAIV)概念,提出一种将原撞击引导器改为长杆撞击器的方案,采用自主研发的欧拉型冲击动力学仿真软件NTS模拟长杆撞击器对小行星连续开坑的过程,并在仿真中加入能量源以模拟核爆装置在不同深度爆炸对小行星产生的偏转与破坏效应。研究结果表明,采用长杆撞击器并合理控制撞击速度,能够引导核爆装置进入更深的地下爆炸,从而更加高效地耦合核爆能量,提升偏转小行星或直接摧毁小行星的能力。     

盘式永磁同步电机永磁体涡流损耗研究

由于永磁体中存在涡流损耗,这些损耗会以热量的形式散发出来,使盘式永磁同步电机(DPMSM)内部温度升高。当温度过高时,会引起电机运行性能降低。故针对永磁体涡流损耗进行深入研究,对DPMSM的性能提高及优化设计具有重要意义。利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,在三相正弦电流源驱动下求解电机永磁体电磁场分布;为减小永磁体涡流损耗,对永磁体进行不同方向分割,并对不同方向分割进行仿真对比,得出横向分割为3块效果最佳;在利用电磁屏蔽原理减小涡流损耗时,先对其可靠性进行验证,后利用MATLAB曲线拟合得出屏蔽层厚度的最优值。     

一种卡尔曼滤波器的永磁同步电机无速度传感器

针对滑模观测器的永磁同步电机参数误差容易造成估算误差和反电动势中存在高频纹波分量的缺点,使用低通滤波器不能有效消除高频纹波,提出在滑模观测器前端引入卡尔曼滤波器来消除高频纹波,使得永磁同步电机的控制系统具有更好的稳态效果和动态响应。依据设计仿真搭建MATLAB平台,对提出新方法进行验证。试验结果表明增加卡尔曼滤波环节后的滑模观测器不仅鲁棒性强,而且在一定程度上有效抑制了抖振,在系统快速性及稳态性能上都有较好的效果。     

基于最小二乘法和硬件在环平台的永磁同步电机参数辨识

针对永磁同步电机多个参数同时辨识时会出现欠秩的情况,介绍了在dq坐标系下采用最小二乘法将多个参数分开辨识的方法。在硬件在环平台上采用该方法对电阻、电感和磁链进行了辨识。最后进一步考虑到电阻和磁链受温度的影响较大,进行了考虑温升的电阻和磁链的辨识。经验证,该方法可以比较准确地辨识出电机参数。     

Luenberger观测器在永磁同步电机无传感器控制中的应用研究

在永磁同步电机(PMSM)矢量控制中,根据Luenberger观测器原理,提出了一种基于Luenberger观测器的PMSM转子速度和位置的估算方法,有效解决了PMSM由于机械传感器安装带来的一些弊端。利用MATLAB/Simulink工具搭建控制系统仿真模型并进行仿真验证,仿真结果表明控制系统具有良好的控制性能。最后,在以STM32F103ZET6为控制核心的硬件系统上进行算法的实现,试验结果表明基于Luenberger观测器的PMSM控制系统具有较高的控制精度且稳定性较好。