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.     

空间微小碎片超高速撞击诱发的等离子体特性研究

空间微小碎片超高速撞击航天器表面可产生稠密的等离子体,随着等离子体的扩散可导致静电放电及电磁干扰脉冲的发生,近而威胁航天器在轨安全.本文利用等离子体驱动微小碎片加速器研究了质量为10 5g的空间碎片撞击产生的等离子体基本特性,给出了等离子体总电荷与微小碎片速度之间的关系,获得了等离子体扩散速度参数及等离子体电子密度随时间和空间的演化关系,研究结果对于揭示空间微小碎片撞击诱发放电和电磁干扰脉冲形成的机理具有重要意义.     

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.     

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.     

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。     

平面激光诱导荧光技术在交错电极介质阻挡放电等离子体研究中的初步应用

利用平面激光诱导荧光技术对交错电极介质阻挡放电过程中产生的痕量组分NO进行了检测. 通过数值模拟对实验结果进行了分析说明,并对介质阻挡放电等离子体流动控制原理进行了简要分析. 此外还通过平面激光诱导荧光技术对等离子体诱导流动进行了直观显示. 关键词： 平面激光诱导荧光 等离子体 介质阻挡放电     

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。     

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     

放电等离子体高精度空间分辨光谱测量方法

放电等离子体光谱技术及激光诱导击穿光谱技术由于实验系统相对简单、信号强,很早就被应用于组分测量领域。由于自由放电在时间和空间上都具有随机性,这使得放电等离子体空间分辨光谱的精确测量变得十分困难;而激光诱导击穿光谱技术又局限于点测量。介绍了一种基于飞秒激光诱导的放电等离子体一维空间分辨光谱的高精度测量方法。飞秒激光自聚焦可以形成一段丝状弱等离子体通道,将该等离子体通道靠近高压直流脉冲电极时,可作为高压电极放电的触发源。这种触发方式可在规定的时刻触发高压电并诱导其沿着等离子体通道的路径击穿气体。实验多次测量放电开始时刻与激光到达时刻的时间间隔的波动小于0.01μs,证实了使用本方法诱导高压放电具有很高的重复性。由此可知,利用飞秒激光自聚焦成丝产生的弱等离子体通道诱导高压放电,可实现对高压放电的空间和时间的精确控制,进而可以采集放电等离子体通道的一维空间分辨光谱。实验结果表明,在喷管结构主导的流场环境中,由于喷管中纯N_2与喷管外空气的组分不同,在高空间分辨光谱中,可以清晰地看到一维等离子体通道上不同位置的组分浓度变化情况。在一维空间分辨光谱中将N~+和O光谱信号强度与N_2和O_2的浓度进行关联,可实现流场组分的一维在线诊断。该方法不仅具有纳秒激光诱导击穿光谱技术的相同优点,还具有一维空间分辨能力,在组分一维精确测量方面极具优势。同时,该方法还有望实现高时间分辨测量,对研究放电等离子体的时空演化过程具有重要的意义。     

介质阻挡放电等离子体对近壁区流场的控制的实验研究

采用粒子图像测速仪对介质阻挡放电等离子体在静止流场中诱导出的速度场、等离子体激励对平板附面层的改变进行了研究.实验结果表明,等离子体激励作用主要集中在近壁面附近;激励电压与诱导速度近似为线性关系,激励频率对诱导速度的影响不大.将等离子体流动控制原理初步归纳为撞击效应和热效应,并通过数值模拟的方法研究了热效应对等离子体激励诱导速度场的影响.数值模拟结果表明,在无来流的情况下等离子体热效应对流场的影响比较明显,使局部水平方向速度大小提高近30%.简要介绍了提高等离子体激励强度的方法. 关键词： 介质阻挡放电等离子体 流动控制 边界层     

交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性的研究

在绝缘材料两侧交错布置电极的方式是航空领域所使用的等离子体激励器与众不同之处,因此航空等离子体激励器生成的等离子体具有沿弦向变化特点。利用光谱仪、红外热像仪、激光诱导荧光系统(LIF)对交错电极介质阻挡放电等离子体弦向特性进行了实验研究,并对介质阻挡放电等离子体流动控制机理作了初步的探讨。实验中发现等离子体发光强度和温度沿弦向的分布基本符合高斯分布;发射等离子体光谱强度随着电压升高而增大;等离子体弦向温度随激励电压的增大而增加;通过LIF系统直接检测到放电产生的NO。通过数值模拟得到电极附近的电势和电场强度分布进而对实验现象作了初步的解释,并在以上实验的基础上,将等离子体流动控制机理归纳为撞击效应、温升效应和化学反应效应。     

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。     

空间微小碎片累积撞击损伤效应加速模拟研究

利用等离子体驱动微小碎片加速器对太阳同步轨道上太阳电池在轨10年遭遇微小碎片超高速撞击的累积损伤效应进行了加速模拟, 获得了电池性能参数的损伤结果, 并与所建立的损伤评估模型的预测结果进行了分析比较, 二者基本一致.     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

碎片超高速撞击防护结构粒子场三维重构

为模拟空间碎片超高速撞击航天器防护结构表面材料喷射/溅射粒子场演化过程,并获取粒子场相关物理信息,基于粒子场同轴激光全息图像开展了碎片撞击过程的三维重构技术研究.首先对全息图像进行边缘剪切和缩放,将其划分为分辨率300×300左右的子图像以便于进行网格剖分;对于粒子堆叠区域子图像,采用基于三角化的网格剖分算法;剖分后形成的单一粒子采用Sobel算子提取其二维轮廓,然后将其投影到特定的三维空间形成三维形体;基于MAXScript语言实现了粒子场演化过程模拟.重构结果表明,无论是粒子场静态三维重构结果还是其演化过程均与撞击试验全息图像吻合较好,从而验证了该重构技术的有效性,为研究空间碎片对航天器防护结构的损伤效应提供了一种新的思路.     

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。     

激光诱导放电等离子体极紫外辐射的模拟

极紫外光刻是目前新一代超高集成度半导体芯片制造流程中重要的一环,激光诱导放电等离子体是极紫外光源产生的重要技术手段之一.本文基于全局状态方程、原子结构计算程序、碰撞辐射模型建立了一个辐射磁流体力学模型,对激光诱导放电等离子体的动力学特性及极紫外的辐射特性进行模拟,模拟复现了放电过程中的箍缩现象,得到的极紫外光的转化效率与实验符合.研究发现放电电流的上升速率对极紫外光的产生有极大的影响,该结果对后续极紫外光输出功率、转化效率以及光谱纯度的提升有重要的指导意义.     

强激光产生的强磁场及其对弓激波的影响

强激光照射金属线圈后,会在打靶点附近的背景等离子体中诱发冷电子的回流,在金属丝内形成强电流源,从而产生强磁场.本文利用神光II高功率激光器产生的强激光照射金属丝靶,产生了围绕金属丝的环形强磁场.利用B-dot对局域磁感应强度进行了测量,根据测量结果,结合三维模拟程序,反演得到磁场的空间分布.再利用强激光与CH平面靶相互作用产生的超音速等离子体撞击该金属丝,产生了弓激波.通过光学成像手段研究了磁场对冲击波的影响,发现磁场使得弓激波的轮廓变得不明显并且张角变大.同时,通过实验室天体物理定标率,将金属丝表面等离子参数变换到相应的天体参数中,结果证明利用该实验方法可以在实验室中产生类似太阳风的磁化等离子体.     

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。