碎片云超高速撞击声发射信号特征分析

为了掌握带防护屏的航天器结构受空间碎片超高速撞击时的声发射信号特征,利用二级轻气炮发射球形弹丸撞击铝合金双层板结构,获取了碎片云撞击铝合金板舱壁产生的声发射信号,并利用小波包技术和能量熵理论对信号进行了分析。实验结果表明:弹丸初始速度、防护屏厚度及弹丸直径是决定二次碎片云形态及声发射信号特征的重要因素;在本实验工况范围内,小波包能量熵值能够描述声发射信号频率的复杂程度;当弹丸初始速度处于破碎段(3~7km/s)时,随着初始速度的增大,二次碎片云进一步细化,撞击产生的声发射信号幅值趋于减小、频率成分趋于复杂化,其小波包能量熵值逐渐增大;防护屏厚度对声发射信号的小波包能量熵值影响较大,弹丸直径对其影响较小。研究结果有助于实现对碎片云撞击舱壁结构的损伤模式识别。     

纤维编织材料超高速撞击特性实验研究

与铝合金等材料相比,纤维编织材料具有质量轻、可柔性折叠等优点,可应用于柔性充气展开防护结构,进而构建多屏、大间距防护结构,提升防护效率。考虑不同性能纤维编织材料对多屏防护结构防护性能的影响,通过实验研究了不同材料制成的多屏防护结构对空间碎片的防护性能,防护屏材料包括玄武岩纤维编织材料、芳纶纤维编织材料及铝板。在超高速弹丸撞击载荷作用下,与多屏铝板防护结构相比,多屏纤维编织材料防护结构具有更高的防碎片撞击效果;对多屏纤维编织材料防护结构来说,前两屏采用玄武岩纤维编织材料,后两屏采用芳纶纤维编织材料时,防护效果更好,说明多屏防护结构的前置防护屏采用软化温度较高的无机纤维编织材料时,可能会更好地破碎弹丸,从而提高防护结构的碎片撞击防护性能。     

密度梯度薄板超高速撞击特性的实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,在撞击速度范围为4.0—7.0 km/s内获得了Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板的穿孔特性、验证板损伤特性和弹道极限特性.与Ly12 Al薄板的相应实验结果的对比显示,在相同撞击速度下,该密度梯度薄板的穿孔直径更大,且随撞击速度的增大而增加;其验证板上的撞击坑尺寸小,且随撞击速度的增大而减小;其弹道极限比Ly12 Al薄板的弹道极限高50%以上.分析认为,超高速撞击下Ti6Al4V/Ly12 Al/聚酰胺纤维密度梯度薄板中高阻抗的Ti6Al4V产生的峰值冲击压力比Ly12 Al薄板的峰值冲击压力高,这增强了对弹丸的破碎能力;而其中的聚酰胺纤维层延长了冲击波在薄板中的传播时间,增大了冲击波的耗散,使撞击过程中转化的不可逆功增多,从而消耗了弹丸更多的动能.使用这种密度梯度材料作为防护屏具有很好的抗撞击能力,在航天器空间碎片防护工程应用中具有很大的潜力.     

超高速发射实验模型的数值计算

 采用三阶精度PPM（Parabolic Piecewise Method）方法和VOF（Volume of Fluid）相结合,运用Lagrange-Remapping算法,编制了多介质流体高精度欧拉计算程序MFPPM,可以对多介质复杂流场进行数值计算。对程序计算精度进行了测试,并应用于超高速发射实验模型数值计算,对Sandia实验室不带会聚作用的实验模型进行了一维计算以及带会聚作用的实验模型进行二维计算并与其实验结果和CTH计算结果进行对比,其中一维计算最大相对误差1%,二维计算相对误差4.7%,在此基础上对超高速发射设计模型进行了初步计算。     

激光驱动飞片超高速发射技术实验研究

介绍了影响激光驱动超高速发射技术的各种因素。分析了激光能量、激光光束空间分布对飞片发射速度及完整性的影响和飞片靶镀膜工艺对飞片速度及完整性的影响。结果表明：空间分布为“平顶型”的激光束有利于发射出完整的飞片。在膜与基底之间增加过渡层Cr可以大大提高膜与基底之间的附着力,从而提高飞片的发射速度。实验上利用波长1 064 nm、脉宽10 ns、能量835 mJ的激光使厚度5 μm、直径1 mm的铝飞片的发射速度达到10.4 km/s。大大提升了对微米级空间碎片速度的发射能力。     

内爆驱动式超高速发射技术的初步研究

为获得10 km/s左右的超高速发射能力,以内爆发射器为研究对象,利用AUTODYN 2D软件对口径为8 mm的内爆发射器进行有限元仿真分析,获得了典型状态下的弹丸发射速度。研制了口径为8 mm的内爆发射器,并在压缩管中填充5 MPa氦气进行实验,分别获得了0.55 g铝合金弹丸7.95 km/s和0.37 g镁合金弹丸10.28 km/s的发射速度,与有限元仿真计算结果的速度偏差分别为15.3%和3.7%。结果表明,设计的内爆发射器具备10 km/s发射能力,满足空间碎片撞击和防护研究的超高速发射需求。     

超高速撞击Kevlar纤维布填充防护结构研究

 利用二级轻气炮,对Kevlar纤维布填充Whipple防护结构进行了超高速撞击实验研究。基于Nextel/Kevlar撞击极限曲线,分析了单层及双层Kevlar纤维布填充防护结构的防护性能以及填充材料、舱壁的损伤情况。实验表明,Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区具有优良的防护性能。分层布局可改善Kevlar纤维布填充Whipple防护结构在低速区的防护性能。在低速区,Kevlar纤维丝主要依靠大量的塑性变形及断裂吸收弹丸的动能;在高速区,Kevlar纤维丝存在高温熔化及碳化现象,使弹丸破碎或熔化为更小的碎片或熔球,从而减轻对舱壁的损伤。     

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.     

含泡沫铝防护结构的超高速撞击数值模拟研究

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理,建立了泡沫金属微结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学程序进行了超高速撞击数值仿真,通过与实验结果的对比,验证了模型的有效性。提出了两种含泡沫铝的空间碎片防护结构,即填充泡沫铝结构和夹层泡沫铝结构。对这两种结构分别进行了仿真计算,获得了其撞击极限曲线。分析结果表明,在空间碎片防护领域涉及的大部分撞击速度区间内,填充泡沫铝结构的防护性能优于夹层泡沫铝结构。     

超高速碰撞LY12铝靶产生闪光的辐射演化特征

为研究超高速碰撞产生闪光的辐射演化特征,利用建立的瞬态光纤高温计测量系统结合二级轻气炮加载系统,进行了4种实验条件下的超高速碰撞实验。每组实验使用一组光纤探头,基于实验所获原始数据结合标定,通过Matlab编程处理得到了给定实验条件及光纤探头安装方案条件下的闪光强度演化,利用比率法得到碰撞闪光的辐射温度演化特征。实验结果表明,在488~667 nm波长范围内超高速碰撞LY12铝靶产生的闪光强度与辐射温度峰值随碰撞角度（与靶板平面的夹角）的增大而减小。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。     

超高速碰撞产生等离子体的频谱响应特征

 针对探针与接地极板间的阻抗匹配问题,通过对超高速碰撞产生等离子体特征参量诊断系统的理论分析,获得了超高速碰撞产生等离子体的频率组成特征;基于该理论特征建立了一种适用于超高速碰撞产生等离子体的探针测量系统,并利用该探针测量系统进行了LY12实心球形铝弹丸超高速碰撞LY12铝靶实验,得到了该实验中超高速碰撞产生等离子体的功率谱特征。理论分析及实验获得的功率谱结果均表明超高速碰撞产生的等离子体具有低频为主的频谱特征：当频率低于5.8 kHz时,功率谱线比较平滑且幅值较小;频率达到11.0 kHz时,功率谱线的峰值和功率全谱峰值相近。因此频率在5.8~11.0 kHz范围的低频频段对功率谱线的峰值贡献较大,频率超过11.0 kHz时,功率谱线的大幅度抖动对功率谱线的峰值贡献较小。理论及实验结果证明了实验系统的可靠性和实现过程的合理性。     

超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展

综述了国外在超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究方面的现状,主要包括电子温度、等离子体的粒子密度、等离子体的振荡频率及产生的磁场特征等方面。利用等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针系统、磁感应强度测量的线圈系统及实验系统,进行了超高速碰撞产生等离子体实验,分析了实验中产生等离子体的电磁特性。     

超高速碰撞产生等离子体电磁特性的研究进展

 综述了国外在超高速碰撞产生等离子体的电磁特性研究方面的现状,主要包括电子温度、等离子体的粒子密度、等离子体的振荡频率及产生的磁场特征等方面。利用等离子体特征参量诊断的扫描Langmuir探针系统、磁感应强度测量的线圈系统及实验系统,进行了超高速碰撞产生等离子体实验,分析了实验中产生等离子体的电磁特性。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的实验研究

推导了碰撞产生闪光的射流起爆模型,并利用建立的光纤瞬态高温计测量系统和二级轻气炮加载系统,进行了碰撞速度相近、弹丸入射角度分别为45°和60°(与靶板平面的夹角)时球状铝丸超高速碰撞天然白云石板产生闪光现象的实验测试。实验结果表明:当弹丸为LY12铝、靶板为20mm厚的天然白云石板,碰撞速度分别为1.86km/s和1.96km/s时,弹丸入射角度为45°时的闪光强度峰值大于弹丸入射角度为60°时的闪光强度峰值。     

高强混凝土单轴压缩声发射频率特征试验研究

为研究高强混凝土破裂前声发射信号的频率特征,对C60、C70、C80高强混凝土试件进行单轴压缩下的高、低频双通道声发射试验,得到破裂过程的力学参数和声发射参数,探求高强混凝土不同加载阶段声发射信号频率的分布特征。研究表明,三种高强混凝土在峰值应力前,高、低频通道声发射信号均集中在特定的频段内;临近峰值应力时,高、低频通道的声发射信号频率向低频段移动,同时优势频段内的频率趋于分散,这可作为预测高强混凝土破坏的前兆信息。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的辐射温度

为研究超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的演化特征,利用二级轻气炮和瞬态光纤高温计,进行入射角度（与靶板平面的夹角）为45、碰撞速度分别为1.9,4.2 km/s两种条件下的超高速碰撞实验。根据冲击波理论,推导出超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的半理论半经验公式。分析结果表明,弹丸撞击靶板的速度越高,闪光辐射温度衰减的持续时间越长。闪光辐射温度衰减阶段的理论推导与实验数据一致性较好,闪光辐射温度衰减阶段的理论推导可对类似碰撞问题闪光辐射温度衰减阶段进行预估。     

超高速碰撞天然白云石板产生闪光的辐射温度

为研究超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的演化特征,利用二级轻气炮和瞬态光纤高温计,进行入射角度(与靶板平面的夹角)为45°、碰撞速度分别为1.9,4.2km/s两种条件下的超高速碰撞实验。根据冲击波理论,推导出超高速碰撞天然白云石板产生闪光温度衰减阶段的半理论半经验公式。分析结果表明,弹丸撞击靶板的速度越高,闪光辐射温度衰减的持续时间越长。闪光辐射温度衰减阶段的理论推导与实验数据一致性较好,闪光辐射温度衰减阶段的理论推导可对类似碰撞问题闪光辐射温度衰减阶段进行预估。