激光诱导等离子体模拟微小空间碎片撞击诱发放电研究

微小空间碎片撞击诱发放电能够触发航天器的在轨工作异常甚至失效,对航天器的安全运行构成严重威胁.国内外相关机构已经利用地面模拟装置对撞击诱发放电的机理进行了初步的研究,但是更深入的研究由于实验条件的限制受到制约,本文根据激光诱导等离子体与碎片撞击诱发等离子体参数相似的特点,首次提出了利用脉冲激光诱导等离子体技术模拟微小空间碎片撞击诱发放电的方法,并从理论上对该方法进行分析,初步的实验结果证实了该方法的可行性.     

微小空间碎片撞击诱发放电效应研究

微小空间碎片超高速撞击航天器表面, 能够抛射出高密度的等离子体云团, 如果撞击发生在航天器的高充电表面或带电部件等敏感区域, 撞击等离子体将会诱发放电, 该机制已经引起了广泛的关注, 但是相关研究还十分欠缺. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器加速200 μm的微粒, 通过模拟实验开展微小空间碎片撞击诱发放电的研究, 获得了典型的实验结果, 对撞击诱发放电信号的特征进行了分析. 关键词： 微小空间碎片 撞击诱发放电     

超高速空间微小碎片撞击充电材料诱发的放电

空间微小碎片与航天器表面超高速撞击, 能够抛射出等离子体, 在高充电的航天器表面诱发静电放电, 是可能引发航天器异常的一个重要因素. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器对充电材料进行超高速(3 km/s)撞击模拟实验, 通过观测放电脉冲信号来研究因撞击产生的等离子体诱发的放电, 得到较好的实验现象, 初步确认了超高速碎片撞击充电材料诱发放电的机理.     

微小碎片加速器同轴枪内等离子体轴向速度研究

等离子体驱动微小碎片加速器是地面模拟空间微小碎片超高速撞击实验的装置, 决定其加速效果的是加速器同轴枪内等离子体轴向速度. 采用发射光谱法研究等离子体轴向速度随放电电压和工作气体压强的变化关系. 实验结果揭示:轴向速度随着放电电压的增大线性增加,随工作气压的增大而缓慢减小, 与数值模拟结果符合.为进一步提高等离子体轴向速度,优化加速器提供了可靠依据.     

微小空间碎片撞击发光信号监测及应用研究

超高速撞击实验中,通过对撞击发光信号的监测,利用光谱分析法测量超高速微粒撞击形成等离子体的温度和密度是最有效的方法,也是深入研究微小空间碎片撞击诱发放电效应的基础.国内外相关机构已利用该方法对毫米以上微粒撞击等离子体的参数进行了监测,但是毫米以下微粒撞击发光信号的监测难度更大,相关研究还未见报道.本文在等离子体驱动微小碎片加速器上对百微米级微粒超高速撞击的发光信号进行了监测,对该撞击发光信号以及撞击诱发放电过程中发光的基本特征进行了分析,并提出了利用撞击发光信号对微粒速度进行测量的方法.     

弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击。这些撞击损伤航天器飞行的关键系统,进而导致航天器发生灾难性失效。为了保证航天员的安全及航天器的正常运行,微流星体及空间碎片防护结构设计是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击防护屏所产生碎片云的SPH法数值模拟,给出了二维及三维模拟结果;研究了防护屏厚度、弹丸形状、撞击速度以及材料模型等对碎片云的影响。模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较,模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

空间微小碎片对低轨道航天器太阳电池表面撞击损伤研究

低轨道空间微小碎片密度相对较高,对太阳电池等大面积暴露材料的累积撞击损伤效应是航天器设计中应考虑的主要问题之一.以典型的太阳同步轨道为例分析和计算了太阳电池表面所遭遇的微小碎片通量,进行了微小碎片的撞击损伤模拟实验,并建立了撞击损伤方程.根据碎片通量分布及撞击损伤方程计算了微小碎片的超高速撞击所产生的太阳电池表面的面积损伤率,通过光学透射率的实验测试并结合理论模型,对碎片导致的太阳电池光学透射率衰减进行了计算和分析.结果表明,10a累积撞击导致的太阳电池表面的面积损伤率平均约为0.61%,严重时达到2.3 关键词： 微小碎片 超高速撞击 太阳电池 玻璃盖片     

锥形弹丸超高速撞击防护屏的碎片云特性参数研究

空间碎片在撞击航天器防护结构时会产生碎片云,而碎片云又将对航天器造成二次损伤,因此很有必要针对不同形状的空间碎片超高速撞击产生的二次碎片云特性进行研究。选取航空材料Al 2017-T4、Al 2A12作为弹丸和防护屏材料,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D结合光滑质点流体动力学方法,对不同长径比的锥形弹丸分别以锥底和锥尖超高速正撞击单层防护屏薄板所产生的碎片云特性进行数值模拟,得到了碎片云的前端轴向速度、径向直径、轴向长度及穿孔直径等特性参数随弹丸撞击部位及长径比变化的规律。     

利用超高速撞击产生的等离子体测量微粒速度的方法研究

超高速微粒在与靶物质撞击时会形成瞬时的等离子体.本文首次设计出两种传感器收集等离子体获取微粒到达传感器的时间,然后通过飞行时间法测量超高速微粒的速度.在等离子体驱动微小碎片加速器上开展了原理实验,采集到了微粒撞击产生的等离子体信号,测量到了超高速微粒的速度,验证了这种时间测量精度高、信噪比高的全新超高速微粒速度的测量方法.     

超高速撞击产生碎片云相分布数值模拟

空间碎片与航天器的撞击速度通常大于10 km/s,这种速度条件下撞击过程的物理特点是高温、高压和高应变率,同时伴随着熔化、汽化及等离子体等相变问题发生。利用AUTODYN/SPH的二次开发功能,在程序中嵌入Sesame状态方程数据库和铝材料的相图,数值模拟出撞击速度为5.0和5.6 km/s时的防护屏穿孔直径分别为9.02 mm和9.34 mm,计算结果与实验结果符合较好,说明物理建模及参数的选取合理,同时也验证了数值模拟方法的正确性及有效性。通过计算给出碎片云的热力学量压力和温度分布,结合铝的相图,对超高速撞击产生碎片云的相分布进行了初步计算,给出了碎片云中固、液、气相的分布范围。     

超高速正撞击溅射物实验与仿真研究

 随着人类航天活动日益频繁,由微流星体和空间微小碎片超高速撞击航天器表面反溅生成的溅射物,对空间碎片环境的影响将越来越大。利用2017-T4铝合金球弹丸超高速正撞击5A06铝合金靶板进行了地面模拟实验与数值仿真计算,研究了反溅碎片特性参数,其中包括溅射物的平均速度、平均尺寸、平均溅射角,为空间碎片溅射物模型的建立奠定基础。采用多元回归方法,确定了溅射物平均速度与弹丸速度、弹丸尺寸之间的函数关系。研究表明,利用光滑粒子法（SPH）进行数值仿真计算,可以有效模拟溅射物平均尺寸、平均速度、平均溅射角;溅射物平均速度随弹丸速度、弹丸尺寸的增加而增加;溅射物基本呈圆锥形反溅,溅射物平均溅射角在41°左右,基本不受弹丸速度、弹丸尺寸的影响。     

铝球弹丸高速正撞击薄铝板穿孔研究

 低地球轨道上的航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，导致其严重的损伤甚至灾难性的失效。撞击损伤特性研究是航天器防护设计的一个重要问题。通过铝球弹丸超高速正撞击薄铝板的实验研究和数值模拟，证明了AUTODYN-2D软件数值模拟预测薄铝板超高速撞击穿孔直径的有效性。通过对弹丸直径、弹丸撞击速度和薄铝板厚度影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的数值模拟，以及利用实验结果和数值模拟结果拟合的曲线，得到了铝球弹丸超高速撞击薄铝板的穿孔规律以及影响薄铝板超高速撞击穿孔直径的主要因素。     

入射电子能量对低密度聚乙烯深层充电特性的影响

高能带电粒子与航天器介质材料相互作用引起的深层带电现象, 一直是威胁航天器安全运行的重要因素之一. 考虑入射电子在介质中的电荷沉积、能量沉积分布以及介质中的非线性暗电导和辐射诱导电导, 建立了介质深层充电的单极性电荷输运物理模型. 通过求解电荷连续性方程和泊松方程, 可以得出不同能量 (0.1–0.5 MeV) 电子辐射下, 低密度聚乙烯 (厚度为1 mm) 介质中的电荷输运特性. 计算结果表明, 不同能量的电子辐射下, 介质充电达到平衡时, 最大电场随入射能量的增加而减小; 同一能量辐射下, 最大电场随束流密度的增大而增加. 入射电子能量较低时 (≤ 0.3 MeV) , 最大电场随束流密度的变化趋势基本相同. 具体表现为: 当束流密度大于3× 10^-9 A/m²时, 最大场强超过击穿阈值2×10⁷ V/m, 发生静电放电 (ESD) 的可能性较大. 随着入射电子能量的增加, 发生静电放电 (ESD) 的临界束流密度增大, 在能量为0.4 MeV时, 临界束流密度为6×10^-8 A/m². 当能量大于等于0.5 MeV时, 在束流密度为10^-9–10^-6 A/m²的范围内, 均不会发生静电放电 (ESD) . 该物理模型对于深入研究深层充放电效应、评估航天器在空间环境下 深层带电程度及防护设计具有重要的意义. 关键词： 高能电子辐射 低密度聚乙烯(LDPE) 介质深层充电 电导特性     

Mechanism of proton anisotropic velocity distribution in the solar wind

Although it has been long that spacecraft observed the anisotropy of velocity protons in the solar wind, there is still not a reasonable explanation. In this paper we try to give an explanation from the diffusion plateau of protoncyclotron resonance predicted by the quasi-linear theory for the resonance between the protons and the parallel propagating waves. We consider the effect of dispersion relation on diffusion plateau and notice that the diffusion plateau we have got by using cold plasma dispersion relation accords with the density contours in the velocity phase space detected at 0.3 AU in fast solar wind. For explaining proton distributions obtained in the fast solar wind from 0.7 AU to 1 AU hot plasma dispersion relation should be considered. We also give a theoretical relation of proton thermal anisotropy A and plasma parameter β.     

弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟

 低地球轨道的各类航天器易受到微流星体及空间碎片的超高速撞击，损伤航天器飞行关键系统，进而导致航天器发生灾难性的失效。微流星体及空间碎片防护结构设计，是航天器设计的一个重要问题。采用AUTODYN软件进行了弹丸超高速正撞击及斜撞击铝靶成坑的数值模拟，给出了二维及三维模拟结果。研究了弹丸密度、弹丸形状、板厚度、弹丸速度、弹丸直径和弹丸撞击入射角等对靶成坑的影响。模拟结果同实验结果进行了比较，模拟的成坑形状和特征尺寸同实验相吻合。验证了数值模拟方法的有效性。     

铁电阴极前电极表面等离子体横向扩散速度估算

分析了激励脉冲电压作用下铁电阴极电容的变化,即等离子体沿着铁电阴极前电极表面扩散而引起电容变化;建立了激励脉冲电压作用下铁电阴极等效电容模型并推导铁电阴极前电极表面等离子横向扩散速度表达式。采用传统固相烧结工艺制备的掺镧锆锡钛酸铅反铁电陶瓷作为阴极材料,通过测量激励脉冲电压作用下铁电阴极两端的电压及充放电电流,计算得到掺镧锆锡钛酸铅陶瓷表面等离子体横向扩散速度为1.89×106 cm/s。     

1 MV阳极杆箍缩二极管数值模型实验研究

阳极杆箍缩二极管（RPD）具有小焦斑、高亮度的特点,是闪光X光机领域的研究热点。基于Marx发生器和脉冲形成线技术路线产生1 MV高电压脉冲驱动RPD,开展了不同结构参数二极管实验研究。基于RPD物理过程的数值模型,分析了结构参数对箍缩物理过程的影响。研究表明在1 MV电压下,RPD阴极等离子体平均扩散速度、阳极等离子体平均扩散速度分别为2,0.6 cm/μs时,该模型可以较好地描述实验结果。在阳极杆直径一定的情况下,二极管数值模型表明减小阴极孔径可以使二极管更快进入强箍缩状态,但过小的阴极孔径会导致二极管间隙过早闭合。