ARCJET ABLATION EXPERIMENT TO SIMULATE THE CHELYABINSK ASTEROID ENTRY 1)

烧蚀是小行星极高速进入地球大气层后最重要的现象之一,在很大程度上决定了小行星的质量/尺寸变化、飞行轨迹、甚至光辐射特性. 为观测小行星材料在超高速高温流场中的烧蚀现象,在电弧加热器上开展了模拟Chelyabinsk小行星事件典型弹道状态(速度约5.6 km/s,高度17 km,流星体直径1 m)的烧蚀实验. 试件为钝头外形,头部半径20 mm,半锥角18$^\circ$. 作为对比,试件分别采用玄武岩和碳钢材料. 成功记录了清晰的烧蚀动态过程,观察到两种材料试件表面的熔融损失流动、以及玄武岩试件的蒸发喷射和崩裂剥落等现象,全程测得烧蚀气体发射光谱、试件实时外形变化、表面热图变化等数据. 分析结果显示了两种材料明显不同的烧蚀现象和质量损失机制：碳钢在高温气流冲击作用下溅射成大量微小液滴,跟随气流高速流失;玄武岩质量损失以熔融物剪切流动为主,并伴随少量块状剥落及蒸发喷射. 烧蚀时间为4 s,玄武岩和碳钢的质量损失及驻点后退量分别为37.9 g,72.7 g以及7.3 mm,13.1 mm,估算玄武岩材料的有效烧蚀焓约为2.6 MJ/kg,两种材料的烧蚀光谱测量组分与电镜能谱扫描结果吻合.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速(V=12～20 km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.     

小行星撞击地球的超高速问题

小行星撞击地球是人类生存面临的潜在威胁之一.在小行星进入地球大气与撞击地球表面过程中,存在烧蚀、解体、空中爆炸、火球、撞击成坑、反溅碎片云、地震以及海啸等一系列复杂的物理化学和力学现象.本文梳理和归纳了与这些现象相关的超高速空气动力学问题和超高速碰撞动力学问题.小行星进入地球大气的超高速空气动力学问题有:极高速($V = 12 ~ 20$km/s)进入条件下的气动力与轨迹,极高速进入条件下的小行星气动加热与烧蚀机理,极高速气动加热条件下的小行星结构传热与热响应,极高速进入条件下的高温气体效应,小行星进入过程的物理特征.小行星撞击地球的超高速碰撞动力学问题有:陆地撞击成坑与反溅碎片云,海洋撞击与海啸,撞击过程的地震效应.由于小行星撞击地球与超高速飞行器的再入过程在速度、材料和结构上存在较大差异,针对这些超高速问题,现有的研究手段在地面试验和数值计算两方面都存在不足.最后,从小行星进入地球大气的弹道方程、质量损失方程、解体判据和解体模型等出发,初步建立了小行星进入与撞击效应分析评估模型,并对Chelyabinsk和Tunguska两次流星事件进行了分析,重构了进入与爆炸解体过程,评估了空爆火球在地面所导致的超压和热辐射损伤.      

导弹发射装置滑轨表面MoS2干膜防护高温高速两相燃气流应用研究

选用多种MoS2干膜润滑材料，对滑轨式武器发射系统的高能有烟发动机两相燃气流高温烧蚀、熔融残渣的高速热冲蚀以及粘渣-烧蚀耦合破坏作用进行有效的润滑和防护试验，分析了烧粘现象和残渣组成，采用发动机试车台模拟试验及国军标环境条件试验评估了多种MoS2干膜润滑材料的防护特性．结果表明：国产MoS2干膜防护涂层兼有一定的润滑及防腐蚀功能，能显著改善滑轨表面的润滑性能和抑制高温高速燃气流的烧粘-腐蚀破坏作用；滑轨表面烧粘-腐蚀程度与发动机推进剂的铝粉性质及含量(残渣量)直接相关，各种防护涂层的主要破坏形式为烧蚀、热冲蚀以及粘渣破坏，由于残渣含腐蚀物，有必要在烧粘后及时清洗并施行二次防护，其中热固型MoS2干膜的防护性能优于常温固化型MoS2干膜，但由于燃气严重的热冲蚀，还需采用常温快速固化的MoS2干膜进行现场修补．     

短时高温材料拉伸试验设备

高速飞机及飞航导弹在飞行过程中受到气动力的快速加热和快速加载.为了最充分地利用结构材料强度进行合理设计,必须研究金属结构材料在快速加载、快速加热下的力学性能.本文叙述了一种短时高温拉伸试验设备;这设备能以小于85 kg/s的速率对试件进行恒速加载,以小于80℃/s的速率进行快速升温;试件50mm标距内温度梯度小于5℃;整个加热控温过程和应力应变测量记录过程均系自动进行.在此设备上可进行高温快速拉伸和短时蠕变等实验,并已进行了低碳钢,等材料的短时拉伸、短时蠕变、恒裁等加热率的实验.文内列有图表,并对结果进行了初步讨论.     

一种高温SHPB实验技术中的温度场分析

近年来发展了一种单独对试件加温的高温SHPB技术,即首先对试件单独加热,然后在短时内完成导杆和试件的组装,随即进行实验.本文针对使用这一实验技术的ψ5mm、ψ22mm的SHPB试验系统,对室温的导杆和高温的试件间的短时界面热传导进行了数值模拟,得到了实验过程中导杆和试件的温度场变化.综合导杆中的温升以及试件中的温差两方面的原因,本文分析认为,在研究材料高温动态力学性能方面,小杆更具优势.     

含能材料药型罩的爆炸成型及毁伤作用

为了研究由含能材料制备的药型罩爆炸成型过程及其对目标靶的终点效应,设计了球缺形药型罩的装药结构,放置与药型罩曲率相同的缓冲垫在药型罩和主装药之间,运用高速摄影系统拍摄含能材料药型罩的成型过程。实验结果表明,含能材料药型罩在爆炸作用下能够形成弹丸,弹丸速度2km/s左右。含能弹丸穿透20mm厚的装甲钢靶后反应加剧,形成大量的气体。侵彻过程含动能和化学反应的综合作用,穿孔有明显的烧蚀现象,穿孔口径0.5 D,最大穿深1.4 D。利用含能材料制备成药型罩可以实现炸药的直接驱动,这可为含能材料战斗部的工程应用提供参考。     

超高速撞击玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构研究

利用二级轻气炮对玄武岩及Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。以Nextel/Kevlar撞击极限曲线为参照,分析了双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能、填充材料及舱壁的损伤情况。实验表明：双层未涂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构和双层涂环氧树脂胶玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区都具有优良的防护性能。此外,通过涂环氧树脂胶改善了玄武岩及Kevlar纤维布填充防护结构在高速区的防护性能。Kevlar纤维丝在低速区主要依靠塑性变形及断裂吸收弹丸的动能,玄武岩纤维丝在高速区主要依靠脆性断裂及高温碳化将弹丸破碎或融化为更小的碎片或熔球,减轻了对舱壁的损伤。玄武岩及Kevlar纤维丝在高速区存在高温熔化及碳化现象。     

增强纤维材料高温烧蚀-相变特性的细观研究

通过高温环境下多种纤维材料的体积烧蚀机理的分析,利用细观力学的 Eshelby等效夹杂方法研究了材料烧蚀-相变特性和高温力学性能变化规律.假设材料体积烧蚀后热解相（真空）和氧化相（空气）介质统计均匀分布,考虑了热化学反应产生的气孔与固体相介质之间的相互作用,预报了不同纤维材料弹性模量随温度、加温速率之间的变化关系,并与实验结果对照,吻合较好.     

小行星进入与撞击效应评估模型敏感性研究

近地小行星对地球的撞击是人类生存和发展面临的潜在威胁之一.当前小行星进入与撞击效应评估模型输入参数不确定度大, 给模型的使用带来困扰,也较大地影响了危害评估结果. 本文分析了输入参数的取值范围,以范围中概率最大或文献的推荐值作为敏感性研究的基准值,利用所发展的小行星进入与撞击效应分析评估软件AICA, 通过改变一个或多个输入参数, 研究能量沉积、空爆高度、4 psi (1 psi = 6.89 kPa)超压损伤半径和3级烧伤半径等模型输出参数对输入参数的敏感性.对于直径60~300 m、进入速度12~40 km/s的石质小行星, 本文的计算分析指出:随着尺寸的增大、进入速度的减小、烧蚀系数的减小、初次解体强度的增大或者碎片云质量分数的增大,小行星的空爆高度总体上减小; 小行星及碎片阻力系数、强度指数对空爆高度和地面损伤范围影响较小;超压损伤半径和热辐射损伤半径总体上随着小行星尺寸和进入速度的增大而增大;碎片云质量分数小于50%时, 能量沉积及地面损伤半径评估结果会出现波动,较大的碎片云质量分数基准值(如80%)能够代表大多数进入情况;流明效率仅影响热辐射损伤范围; 3级烧伤半径小于4 psi超压损伤半径.      

不同气氛环境中钢/铜摩擦副的高速干滑动摩擦磨损特性研究

采用MMS-1G型高温高速摩擦磨损试验机研究了在氧气和二氧化碳2种气氛环境中CrNiMo钢/H96黄铜摩擦副的高速干滑动摩擦磨损特性,采用扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪对CrNiMo钢销试样的磨损表面形貌及其元素的化学状态进行分析,结合摩擦表面宏观温度的测量,分析了不同气氛环境中pv值对摩擦副摩擦磨损特性的影响.结果表明,在不同气氛环境中,摩擦副表现出完全不同的摩擦磨损特性,在二氧化碳气氛环境中,摩擦副的摩擦系数与CrNiMo钢的磨损率均高于氧气气氛环境中,这是由于2种气氛环境中的摩擦表面温度及其磨损机制的差异所致.二氧化碳气氛环境中的摩擦表面温度高于氧气气氛环境中的摩擦表面温度,其主要磨损机制为磨粒磨损、金属流变和粘着磨损;而氧气气氛环境中主要表现为氧化磨损和粘着磨损.     

依兰陨石坑形成过程数值模拟研究

基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究，采用欧拉算法开展数值模拟，探讨了依兰陨石坑的撞击条件，统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律，结合点源成坑相似律模型，拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑，再现了成坑形成的3个阶段：接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布，少量熔体随抛射物沉积在靶体表面，呈离散状分布，完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120 m、撞击速度12 km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。     

Asteroid debris: Temporary capture and escape orbits

We investigate the dynamical behaviour of debris ejected from the surface of an asteroid, due to a generic – natural or artificial – surface process. We make an extensive statistical study of the dynamics of particles flowing from the asteroid. We observe different behaviours: particles which fall again on the asteroid surface, or rather escape from its gravitational field or are temporary trapped in orbit around the asteroid. The tests are made by varying different parameters, like the size of the asteroid, its eccentricity, the angular velocity of the asteroid, the area-to-mass ratio of the debris.We also extend the study to the case of a sample of binary asteroids with a mass ratio equal to 10⁻³; we vary the distance of the moonlet from the asteroid, to see its effect on the debris dynamics.Our simulations aim to identify regions where the debris can temporarily orbit around the asteroid or rather escape from it or fall back on the surface. These results give an important information on where a spacecraft could be safely stay after the end of the process which has produced the debris.     

The impact of comet Shoemaker-Levy 9 on Jupiter

We have performed computational shock-physics simulations of the hypervelocity (60 km/s) impact of 1–3 km, water-ice spheres entering a hydrogen-helium Jovian atmosphere. These conditions simulate the best current estimates for the collision of fragments of periodic comet Shoemaker-Levy 9 with Jupiter in July, 1994. We used the Eulerian shock-physics code CTH, and its parallel version PCTH to perform 2-D analyses of penetration and breakup, and 3-D analyses of the growth of the resulting fireball during the first 100 seconds after fragment entry. We can use our simulations to make specific predictions of the time interval between fragment entry and fireball arrival into line-of-sight from the earth. For a fragment larger than about 1 km, we believe that the time of fireball arrival above Jupiter's limb will be directly observable from earth. Measurements of this time by observers, in conjunction with our simulations, may allow mass of cometary fragments to be determined.This article was processed using Springer-Verlag T_EX Shock Waves macro package 1.0 and the AMS fonts, developed by the American Mathematical Society.     

Rocks,Shocks and Asteroids,and Some Interesting Research Directions in Mechanics

Mechanics lies at the heart of many of the underpinnings of modern technological civilization: materials, infrastructure, transportation, health and security. The mechanics of dynamic failure processes also has a major bearing on the potential catastrophes that threaten civilization, including airbursts and major asteroid impacts. Recent events (such as the Chelyabinsk meteoroid) have demonstrated the need to understand major impact and fragmentation events. Many of the fundamental problems of current interest in national security also involve impact and fragmentation, typically studied through large-scale computational simulations. In the Murray lecture, these issues were addressed by describing fundamental high-strain-rate experiments, high-speed visualization, theoretical and computational modeling of failure processes, and simulations of asteroid damage and disruption. This paper focuses on experimental results on meteorites and a basalt.     

Forced convective flow drag and heat transfer characteristics of carbon nanotube suspensions in a horizontal small tube

This study paid attention to the effect of fluid temperatures on the forced convective flow drag and heat transfer characteristics of multi-wall carbon nanotube (MWNTs)-water suspensions without any surfactants. The experiments were carried out under the two fixed average fluid temperatures of 29 and 58°C. A horizontal small stainless steel tube with an inner diameter of 1.02 mm was used as the test section. The experiment results show that the flow drag characteristics of suspensions are almost the same as those of water. While the heat transfer of MWNTs suspensions with high mass concentration or high fluid temperature is significantly enhanced. The fluid temperature does not affect flow drag characteristics but has great effect on the heat transfer characteristics. Nanometer characteristics are presented by suspensions with high MWNT mass concentration or high temperature on convective heat transfer.     

基于实测载荷谱的重载铁路货车车钩钩尾框剩余寿命预测

随着我国重载铁路货车运行规模及开行频次的增加, 车钩钩尾框断裂破坏问题日益严重. 本文以国产16/17型车钩钩尾框(锻造E级钢)为研究对象, 首先通过系统的材料试验获得了锻造E级钢的基本力学性能和断裂性能参数; 其次建立了含初始裂纹缺陷的钩尾框有限元模型; 最后基于实测线路载荷谱, 采用NASGRO方程开展了伤损钩尾框剩余寿命预测. 计算结果表明: 当裂纹形貌比a/c为0.8, 0.5, 0.3时计算得到的车钩钩尾框剩余寿命逐渐减小, 疲劳裂纹从深度2 mm扩展至20 mm的计算剩余寿命分别为36, 32, 26万公里, 均不足一个段修期; 3种裂纹形貌比下裂纹扩展至12 mm后的剩余寿命占比均较小, 仅为总剩余服役里程的4.7%, 4.0%, 2.2%, 因此可将12 mm作为钩尾框损伤容限止裂判据较为合理; 为研究近门槛区对裂纹扩展寿命的影响, 当裂纹形貌比为0.5且初始裂纹的尺寸降低至0.5 mm时, 裂纹将处于裂纹扩展门槛区附近, 剩余服役里程约为156万公里, 约为2 mm初始裂纹的4.9倍, 跨越了三个段修期. 论文研究结果可为重载铁路货车钩尾框检修周期的优化提供基本参考.      

碳纳米管复合膜的制备及其摩擦学性能

通过混酸对碳纳米管(CNTs)纯化,然后应用稀土溶液对纯化CNTs进行功能化,采用分子自组装技术在羟基化的玻璃基片表面制备了碳纳米管复合膜.运用原子力显微镜(AFM)及扫描电子显微镜(SEM)观察了薄膜的表面形貌,使用X射线光电子能谱仪(XPS)分析了薄膜表面典型元素的化学状态,并采用UMT-2MT摩擦试验机评价了薄膜的摩擦磨损性能.研究结果表明:通过硅烷偶联剂3-巯丙基三甲氧基硅烷(MPTS)的磺酸基化学吸附功能,稀土改性后的碳纳米管可以成功组装到氧化后的硅烷化表面.当组装碳纳米管复合膜后,基片表面的摩擦系数由无膜时的0.85降到了0.10,表明复合膜可以降低基片的摩擦系数,并且在较低载荷下具有较好的耐磨性能,显示了其在微机构表面改性方面良好的应用前景.