空间碎片超高速撞击动力学建模与数值仿真技术
卫星解体碎片生成数值模拟
卫星解体碎片生成数值模拟张晓天;贾光辉【摘要】提出卫星解体碎片生成的数值模拟方法，对卫星模型解体实验问题进行了数值模拟研究。
有限元重构方法是一种有限元与 SPH 方法的结合，能够模拟获得孤立碎片的特性数据。
通过在 SPH 模拟结果中重构有限元单元，能够有效区分碎片云中的置信孤立碎片和非置信孤立碎片，结合图论方法能够获得每个孤立碎片的单元构成及其尺寸、速度矢量和质量等信息。
进而通过数据统计能够获得碎片分布信息。
解体碎片数值模拟数据与实验数据具有较好的一致性，表明了该方法的有效性。
%A numerical method for simulating fragment generation from satellite breakup is proposed and the impact case relevant with the test is simulated.Currently HVI numerical simu-lation technique is mainly used in spacecraft protective structure analysis.And the most widely used method is SPH.In this paper,the complete disintegration of spacecraft will not occur be-cause of the small size of the impactor.Protective structure HVI simulation focuses on the pene-tration limit of the shield while the individual fragment characteristics in the secondary debris cloud are not concerned much about,such as:amount of fragments,size and mass of each frag-ment,etc.In contrast,the purpose of spacecraft breakup model is to provide the characteristics of individual fragment,which are also supposed to be the output of breakup dynamics simulation. Finite element reconstruction method is a hybrid of finite element method and the smoothed par-ticle hydrodynamics method.The characteristics of the individual fragments can be obtained from the simulation.The confidenceindividual fragment can be identified by reconstructing finite ele-ments from the smoothed particles.The size,velocity vector,and mass can be computed with the fragment statistics method based on graph theory.The fragment distribution can be obtained from the individual fragment data.The good agreement of simulated output and the test shows the feasibility of this method.The main difference between NASA model output and test data lies in the smaller size range.The possible reason might be the test for building NASA model is dif-ferent from the test of CARDC.The main data source for small fragment part in NASA model is SOCITE4 breakup test.The target used in the test is OSCAR satellite which has a more compact internal structure.It indicates that the material and internal structure do affect the distribution of breakup fragments,and it is necessary to analyze the fragment based on the impact dynamics.Finite el-ement reconstruction approach can model the spacecraft and the impactor in details including the shape,internal structure,material feature,impact velocity magnitude and direction,and also im-pact location.The simulation can provide the total number of fragments and the mass,size,ve-locity vectors of each fragment.With high resolution simulation model,the approach can output characteristics of small fragments.Further work aims at two aspects.First,the effect of the im-pact location to the breakup fragments distribution will be analyzed with the simulationapproach,especially for large impactors.Different impact locations in the target will result in various debris characteristics,for example:the velocity direction,and then the orbit,of fragments.Second, the simulation approachwill be applied to historical on-orbit breakup events.SSN data of frag-ments larger than 10cm could be used as a reference to verify the approach and to calibrate the true impact location which can not be observed.The disintegration process reproduced with the simulation and fragments smaller than 10cm can also be analyzed.The fragment output of FER can be directly imported into an orbit propagator to analyze the orbit distribution and lifetime of each fragment and so on.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】6页(P78-83)【关键词】空间碎片;卫星解体;数值模拟;FEM;SPH【作者】张晓天;贾光辉【作者单位】北京航空航天大学宇航学院，北京 100191;北京航空航天大学宇航学院，北京 100191【正文语种】中文【中图分类】V4740 引言航天器解体碎片生成研究是空间碎片环境建模的关键。
空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究
材料可以通过撞击孔向容器外部运动，即容器发生Fra bibliotek气体泄漏。
文献［５］中实验结果显示，在撞击后３５ ｐｓ时气Ｆｉｇ．３ 体并没有发生泄漏。而由图３可见。在撞击后３５ ｐｓ
图３不同状态方程与实验结果‘ｓ３的比较 Ｃｏｍｐ“∞ｎ ｏｆ ｎｕｒｎ。ｒｉｃａｊ鲫ｄ ｅｘｐｅ一腓ｎｔａＪ ｒｅｓｕＪｄｓ］
万方数据
（哈尔滨工业大学空问碎片高速撞击研究中心，黑龙江哈尔滨 １５００８０）
摘要：针对空问碎片超高速撞击充气压力容器问题，应用非线性动力学分析软件ＡＩＪｌＤＤＭ斗２Ｄ， 采用ＳＰＨ方法对碎片云在高压气体中的运动特性进行了数值模拟研究。在建模过程中，分析 比较了材料状态方程对数值模拟结果的影响，并通过与实验结果的比较，选取了适合该问题的 状态方程。验证了数值模拟方法的有效性。结果表明：由于容器内压气体的存在，碎片云运动 发生减速，并且碎片云的轴向扩展速度相对于碎片云的径向扩展速度减速较慢；高速撞击产生 的碎片云与容器内的高压气体发生了强烈的相互作用，碎片云尖端产生的钉状物及高压气体 中产生的冲击波是控制容器在撞击后发生进一步破坏的两个重要因素。
∞；；｝黔∞峙ｍ ＾。ｖ，。Ｉ∞ｇ主ｑ—ｐｌ＿∞４Ｙａ
５ Ｏ
图６不同内充气体压力碎片云膨胀半角对比
Ｆｉｇ．６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｅｘｐａｎｄａｂｌｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃＩｏｕｄ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ
图７碎片云及冲击波速度分布
Ｆｉｇ．７
Ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃｌｏｕｄ ａｎｄ ｓｈｏｃｋ ｗａｖｅ
（ａ）Ｔｉｐ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｖｅＩｏｃｉｔｙ
（ｂ）Ｒａｄｉａｌ ｖｅｌｏｃｉｔ），ｏｆ ｄｅｂｒｉｓ ｃＩｏｕｄ
球形弹丸超高速斜撞击弹坑特性数值模拟
球形弹丸超高速斜撞击弹坑特性数值模拟姚杨勇;张大卫【摘要】微流星体和空间碎片与航天器之间发生的超高速撞击是航天器在轨运行的重大威胁,近年来随着发射次数的增多,航天器的安全受到了越来越多的威胁,超高速撞击的现象受到了更多的重视.应用AUTODYN软件,采用Lagrange方法,对2A12的弹丸高速斜撞击5A06的单层板形成的弹坑特性进行数值模拟.首先将数值模拟结果与实验结果比较,验证模型的有效性,之后应用原有的计算模型对弹丸撞击速度与受撞击板上形成弹坑的特性进行相关研究.数值模拟的结果表明:在弹丸直径和弹丸撞击角度都固定的情况下,其形成弹坑的坑深与坑径会随撞击速度的变化而改变.%The super-high-speed impact between the micro-meteoroids and the space debris and the spacecraft is a major threat to the on-orbit of the spacecraft. In recent years, with the increase of the number of launches, the spacecraft's safety has been threatened more and more. The phenomenon of hypervelocity impact has received more attention. By using AUTODYN software and using Lagrange method, the crater characteristics of 2A12 projectile with high speed oblique impact 5A06 are simulated numerically. First, the numerical simulation results are compared with the experimental results to verify the validity of the model. Then the original calculation model is used to study the impact velocity of the projectile and the characteristics of crater formed on the impact plate. The numerical simulation results show that the pit depth and pit diameter of the crater will change with the impact velocity when both the projectile diameter and the projectile impact angle are fixed.【期刊名称】《价值工程》【年(卷),期】2018(037)007【总页数】5页(P102-106)【关键词】超高速斜撞击;单层板;弹坑;数值模拟【作者】姚杨勇;张大卫【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院,昆明650500【正文语种】中文【中图分类】O3470 引言近年来，随着航天事业的迅速发展，超高速撞击研究引起广泛的关注，以飞行器防护为典型应用背景的超高速撞击研究集中表现在撞击后弹坑特性和寻求适当的防护材料或结构方面。
超高速碰撞过程弹靶材料响应行为基础研究
超高速碰撞过程弹靶材料响应行为基础研究
超高速碰撞是指在极短时间内发生的高速碰撞。
在这样的碰撞中，材料会经历极大的变形和应力，其响应行为不同于常规的碰撞。
因此，研究超高速碰撞过程中材料的响应行为至关重要。
在超高速碰撞中，材料受到巨大的压力和剪切力，可能产生高度动态变形和产生剧烈的应力波。
材料的高应变率和高应力率也会导致材料在短时间内发生相变、熔化、断裂等非常规行为。
因此，研究超高速碰撞过程中材料的响应行为需要考虑这些因素。
为了研究超高速碰撞过程中的材料响应行为，可以借助实验和数值模拟两种方法。
实验方面，可以使用高速冲击实验仪器，如冲击试验机、冲击台等，以模拟超高速碰撞条件下的载荷。
通过测量材料的应力、应变、位移等参数，可以获得材料在超高速碰撞中的响应行为。
数值模拟方面，可以使用计算流体力学（CFD）或有限元方法等来模拟超高速碰撞过程中材料的行为。
通过建立适当的数学模型和材料本构关系，可以预测材料在超高速碰撞中的响应行为。
这种方法可以更好地理解材料的变形机制和破坏行为。
超高速碰撞过程中材料的响应行为基础研究对于提高材料性能和设计更安全的结构具有重要意义。
它有助于开发新型高强度、高韧性及抗冲击的材料，并且可以提供参考数据和模型，用于仿真和优化设计。
这样的研究对于军事、航空航天、汽车、船舶等领域具有重要的应用价值。
圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟
圆柱形弹丸高速撞击薄板的碎片云特性数值模拟
盖芳芳;刘先应;刘恂;赵继涛
【期刊名称】《黑龙江科技学院学报》
【年(卷),期】2013(023)006
【摘要】为研究不同形状空间碎片超高速撞击薄板产生的碎片云特性,采用非线性动力学分析软件AUTODYN-2D,利用光滑质点动力学方法(SPH)对圆柱形弹丸超高速正撞击单层薄铝板防护结构形成的碎片云进行数值模拟,分析相同质量和速度条件下,不同长径比的圆柱形弹丸超高速撞击所产生碎片云的形态、轴向长度、径向直径、轴向速度等参量随弹丸长径比的变化规律.结果表明,弹丸破碎程度和碎片云分散程度随弹丸长径比的改变而改变.随着弹丸长径比的增加,碎片云对航天器舱壁的损伤能力增强,弹丸对薄板的损伤程度减弱.该结果为航天器超高速撞击风险评估和防护工程设计提供了参考.
【总页数】5页(P600-604)
【作者】盖芳芳;刘先应;刘恂;赵继涛
【作者单位】黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022;黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022;哈尔滨理工大学建筑工程学院,哈尔滨150080;黑龙江科技大学理学院,哈尔滨150022
【正文语种】中文
【中图分类】V423.42;O347
【相关文献】
1.椭球弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟 [J], 马文来;张伟;管公顺;庞宝君
2.球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究 [J], 张永强;管公顺;张伟;庞宝君
3.非球形弹丸超高速撞击充气压力容器碎片云特性数值模拟 [J], 盖芳芳;于丽艳;于月民
4.空间碎片超高速撞击压力容器碎片云特性数值模拟研究 [J], 盖芳芳;庞宝君;管公顺
5.弹丸超高速撞击防护屏碎片云数值模拟 [J], 张伟;庞宝君;贾斌;曲焱喆
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超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性
第42卷第4期兵工学报Vol.42No.4 2021年4月ACTA ARMAMENTARII Apr.2021超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性郑克勤1,张庆明1,龙仁荣1,薛一江1,龚自正2,武强2,张品亮2,宋光明2(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室，北京100081； 2.北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：在超高速碰撞下，波阻抗梯度材料能使弾丸的动能更多地转变为靶板材料内能，使其发生熔化、气化等相变，分散和消耗弹丸的动能，进而实现航天器对空间碎片的防护。
以钛、铝、镁3种材料组成的波阻抗梯度材料为研究对象，借助于光滑粒子流体动力学数值模拟方法，采用Til-loston状态方程和Steinberg-Guinan本构模型，给出各材料的冲击相变判据，结合速度为7.9km/s 的超高速碰撞实验结果，验证数值模拟结果的有效性。
计算结果表明：钛、铝、镁波阻抗梯度材料在受到大于4km/s速度撞击时，形成的碎片云会发生不同程度的熔化和气化；钛、铝、镁3种组分分别在受到6km/s、5km/s、4km/s速度撞击时碎片云会发生熔化，在受到8km/s、9km/s、6km/s速度撞击时碎片云会发生气化。
关键词：超高速撞击；波阻抗梯度材料；碎片云；相变中图分类号：O313.4文献标志码：A文章编号：1000-1093(2021)04-0773-08DOI：10.3969/j.issn.1000-1093.2021.04.011Phase Transition Characteristics of Debris Cloud of Ti/Al/Mg WaveImpedance Gradient Material Subjected to Hypervelocity ImpactZHENG Keqin1,ZHANG Qingming1,LONG Renrong1,XUE Yijiang1,GONG Zizheng2,WU Qiang2,ZHANG Pinliang2,SONG Guangming2(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing100081,China；2.Beijing Institute of Spacecraft Environmental Engineering,Beijing100094,China)Abstract:In hypervelocity impact,the wave impedance gradient material helps to transfer the kinetic energy into more internal energy，which causes the melting and vapor phase transition of debris cloud，and disperses and dissipates the kinetic energy of projectile，thus protecting the spacecraft from debris cloud.The wave impedance gradient material studied in this paper is made of titanium，aluminium and magnesium alloy(TAM).The smoothed particle hydrodynamics(SPH)method is used to simulate hypervelocity impact.Impact-induced phase transition criteria of various materials are given by using Tilloston equation of state and Steinberg-Guinan constitutive model.The simulated results were compared with the experimental results with impact velocity of7.9km/s.The results show that the impactgenerated debris cloud is melted and vaporized to some extent when TAM wave impedance gradient material is impacted by the velocity more than4km/s.For Ti,Al and Mg,the debris cloud is melted at the impact velocities of6km/s,5km/s and4km/s,respectively,and it is vaporized at the impact velocities of8km/s,9km/s and6km/s.收稿日期：2021-02-03基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFC0801204)；民用航天预先研究项目(D020304)作者简介：郑克勤(1992—)，女，硕士研究生。
超高速撞击中影响碎片云形状因素分析
超高速撞击中影响碎片云形状因素分析唐蜜;柏劲松;李平;张展冀【摘要】应用光滑粒子流体动力学(SPH)方法对铝球弹丸正撞击防护屏进行了数值模拟研究,将计算结果同相应的实验结果进行了比较,二者符合得很好.在此基础上分析了撞击速度、防护屏厚度、铝球直径、材料、弹丸形状、间隙量等因素对碎片云的影响规律.并以碎片云的长度和径向尺寸为指标,应用正交设计方法对撞击速度、防护屏厚度、铝球直径三因素对指标的影响主次关系进行了分析研究,防护屏厚度是碎片云长度的主要影响因素,而弹丸直径是碎片云径向的主要影响因素.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2007(021)004【总页数】8页(P425-432)【关键词】超高速撞击;数值模拟;碎片云;正交设计【作者】唐蜜;柏劲松;李平;张展冀【作者单位】中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900;中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳,621900【正文语种】中文【中图分类】V423;O3471 引言1947年，F.Whipple发明了为抵御微流星体高速撞击的Whipple防护方案。
Whipple防护方案是将防护屏放置在被防护舱壁外侧一定距离外以减小微流星体的高速撞击破坏。
防护屏能起到将高速弹丸充分粉碎甚至尽量熔化或气化的作用，从而大大的消耗弹丸的动能和破坏了弹丸的完整性，因此减轻了对第二层主结构垫层板的破坏。
弹和防护屏相互作用的结果是防护屏被击穿，从孔边喷出一股由弹、防护屏材料形成的碎片云[1]。
影响碎片云形成的因素主要有:弹丸撞击防护屏速度、弹丸的直径、防护屏的厚度、间隙量的大小、弹丸与防护屏的材料和弹丸形状等；从数值模拟的角度，状态方程的选取、强度模型的选取、SPH质点大小的选取，都对碎片云的形成有影响。
由于防护结构方案和防护材料的多样性、弹丸模拟各类空间碎片的局限性,以及超高速撞击设备有限的试验能力和昂贵的试验费用,使得数值仿真成为研究超高速碰撞的有力工具。
sph方法-高速撞击应用
空间碎片超高速碰撞数值模拟的SPH方法作者：闫晓军张玉珠聂景旭摘要：和成熟的FE（有限元）方法相比，SPH方法可以较为真实地描述超高速碰撞过程的物理现象。
本文利用SPH方法对Whipple防护结构在空间碎片超高速碰撞下的物理过程进行了数值模拟。
在数值模拟中，为了充分发挥SPH 方法和FE方法的优点，利用有限元单元和SPH节点混合建模，计算结果和试验结果相吻合，且计算效率高，可用于空间飞行器防护结构的设计。
1 SPH方法SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法的全称为“光滑质点流体动力学”方法，是Lucy于1977年提出的用于天体物理计算的一种无网格化Lagrange计算方法[1,2]，其特点是在模拟物体大变形时，既可以克服Euler方法难于跟踪物质变形和不能识别材料界面位形的缺点，同时也解决了传统Lagrange方法在大变形下的网格扭曲（Distortion）问题，因此在工程上有很大的应用潜力。
目前，SPH方法的应用领域主要有：天体物理，燃气动力学，结构动力学(包括超高速碰撞)等等[1,2]。
SPH方法的核心是一种插值技术。
在SPH方法中，任一宏观变量（如密度、压力、温度、内能等）A（r）能方便地借助于一组无序点（disordered points）上的值表示成积分插值计算得到，其形式为：其中，Ω为整个求解区域，W为核函数，h为“光滑长度”（smoothing length）,用于定义一个质点对周围区域的影响程度。
SPH方法的主要特点有：利用最接近相邻搜索算法(Nearest Neighbor Search)，可选择核函数W，提供可变的“光滑长度”选择以及可以和有限元方法混合建模进行求解（如图1所示）等等。
图1 通过定义接触条件，利用SPH节点和有限元单元实现混合建模由于算法差异，SPH方法相对有限元方法其求解时间更长，因此对于一些特殊问题的数值模拟，建模时可以将有限元单元和SPH节点（SPH Nodes）通过定义接触条件相结合，在大变形和飞溅区域采用SPH节点建模，而小变形区域则采用有限元单元建模，从而大大节省求解时间，提高计算效率。
弹丸超高速斜撞击碎片云特性数值模拟
弹丸超高速斜撞击碎片云特性数值模拟张大卫;耿红鹏;陆洋春【摘要】All spacecraft in low orbit may suffer hypervelocity impacts caused by meteoroids and space debris,some of which can cause damage to the spacecraft operating system and furthermore may lead to failures of the spacecraft.Therefore,the design and the protection of space debris become an important problem that cannot be ignored in spacecraft design.In the paper,AUTODYN software is used to simulate the debris cloud caused by hypervelocity impact of spherical projectile.The validity of the debris cloud is verified by comparing with the existing experimental results,through which the effects of bumper thickness,impact velocity,and projectile diameter on debris cloud have been investigated.The results of the study show that:when the projectile impact velocity and projectile diameter are fixed,the length of the debris cloud,diameter,the largest velocity of debris cloud point and impact point at the beginning of the line and the projectile velocity change with the angle of impact.%航天器在低地球轨道上工作的过程中可能受到空间碎片撞击,这些撞击有的会造成航天器运行系统的损坏,更有甚者会造成航天器的运行失效,因此有关空间碎片的防护设计成为航天器设计中不可忽视的重要问题.采用AUTODYN软件对薄板受到球形弹丸超高速斜撞击所造成的碎片云进行数值模拟研究,通过和现有的实验结果对比验证其有效性.然后通过利用这个数值模型研究撞击角度对碎片云特性的影响.数值研究的结果表明:当弹丸的撞击速度和弹丸直径都固定的情况下,其形成碎片云的长度、直径、碎片云最大速度点与撞击点连线和弹丸初速度所在直线的夹角角度随着撞击角度的变化而改变.【期刊名称】《低温建筑技术》【年(卷),期】2017(039)007【总页数】4页(P28-31)【关键词】空间碎片;超高速斜撞击;碎片云;数值模拟【作者】张大卫;耿红鹏;陆洋春【作者单位】昆明理工大学建筑工程学院, 昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院, 昆明650500;昆明理工大学建筑工程学院, 昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TU392.4为了保证在轨航天器的安全运行，增加在空间碎片环境中的运行的航天器的生存机率，一定要对航天器进行必要的防护设计[1-3]。
空间碎片超高速碰撞的数值方法研究
第1 6 卷第5 期2 0 0 6 年5 月中国安全科学学报China Safety Science JournalVol . 1 6 No . 5May . 2 0 0 6Ξ空间碎片超高速碰撞的数值方法研究王芳讲师李磊金俊冯顺山(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081)学科分类与代码:620. 20 中图分类号:X944 文献标识码:A【摘要】应用非线性动力学数值仿真软件AUTODYN22D 对空间碎片的超高速碰撞问题进行模拟,研究不同数值计算方法和材料模型的适用范围,空间碎片形状对碎片云的影响,冲击相变等问题。
结果表明,在研究超高速碰撞中普遍采用的SPH 方法可以很好地模拟碎片云的情况,但是难以对冲击相变问题进行模拟,而采用侵蚀模型的拉格朗日方法可较好地反映冲击相变现象。
Tilloston 状态方程适用于描述冲击相变问题,包括汽化问题。
Johnson2C ook 强度模型用来对应变硬化、应变率硬化以及熔化等问题进行模拟。
因此, 在当速度足以使材料发生相变时, Tilloston 状态方程和Johnson2Cook强度模型是比较好的选择。
【关键词】超高速碰撞; 计算方法; 材料模型; 相变; 数值仿真Study on Numerical Simulation of Hypervelocity Impact ofDebris in Outer SpaceWANG Fang ,Lecturer LI Lei JIN Jun FENG Shun2shan(State Key L aboratory of Expl osi on Sci ence & Technol ogy , Beijing Insti tute of Technol ogy , Beijing 100081 , C hi na)Abstract : Interacti ve non2linear dynami c analysis software AUTODYN22D was employed to anal yze the hyper2 vel oci ty impact phenomenon of debris in outer space. The resul t shows that the SPH sol ver , which is usually employed to simulate hypervelocity impact , will gi ve good result for debri s cloud , but is not fit to simulate phase transition , while the Lagrange sol ver with erosion m odel will take good work on such simulation. Tilloston EOS is suitable to m odel high energy behavior including vaporization , and Johnson2C ook strength m odel is fit to m od2 el effects of strain hardening , strain2rate hardening and thermal softening including melting.Key word s : hypervelocity impact ; numerical sol ver ; material m odel ; phase transition ;numerical simulati on1 引言随着人类对外太空开发的不断深入,空间环境日益恶化。
弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟
弹丸超高速撞击铝靶成坑数值模拟张伟;马文来;马志涛;庞宝君【摘要】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.【期刊名称】《高压物理学报》【年(卷),期】2006(020)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】航天器;空间碎片;超高速撞击;数值模拟【作者】张伟;马文来;马志涛;庞宝君【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】V423;O347;O2421 引言微流星体及空间碎片的超高速撞击严重威胁航天器的安全在轨运行，造成航天器损伤及发生灾难性失效的事例已发生多起，有关防护微流星体和空间碎片超高速撞击的研究，得到了国内外的高度重视[1]，并基于1947年Whipple提出的Whipple 防护，通过超高速撞击实验及数值模拟，进行了大量航天器防护结构和防护性能的研究工作，发展了各种防护结构，并用于航天器微流星体及空间碎片的防护[2-3]。
超高速撞击靶件将产生成坑、剥落和穿孔等损伤，确定影响超高速撞击成坑过程的主要因素是非常必要的。
而预报这样复杂的现象，数值模拟是非常有效的方法。
弹丸的密度是现在问题的一个主要因素。
而低地球轨道空间碎片的形状是多种多样的，研究弹丸形状对超高速撞击成坑过程的影响是非常重要的。
中国空气动力研究与发展中心的空间碎片超高速撞击试验研究进展
≥ ＝． ９Ｖ０ ７５车 ） ． ０ ２７一．６（ ＋ ８ ０ ５ ｄ ０６
Ｔ ，
（） ２
（） ３
则 图 ７为归一化碎片云特征速度 （ 特征速度与撞
击速度之 比） 随撞击速度 、 厚径 比的变化关系曲线 ，
＝ —
（ ． ５ ＋ ．７ （ ） ０ ２ ５ ２９ ７ ｔ ） ８ Ｌ
— —
直径增 大 了 ７４ ％（ 图 ４） 该试 验结 果 与文献 ６的 ． ９ 见 。
试验结 果基 本一 致 。 『１ 给 了考 虑 温度 软 化效 应 后 利用 Ｃ ｒ— 欠 ４还 ｈｉ ｓ ｔｎｅ 程 『 ｉ ｓｎ方 ａ １ 得 到 的 弹道 极 限 曲线 。从 图 中可 计算 以看 ｝ ，试 验 得 到 ２ ２Ｗｈｐ ｌ ｆ Ｊ Ａ１ ｉｐｅ防护 屏 的弹 道 极
限参数均大于 Ｃ ｒ ｔｎｅ 方程 的预测值 ，初 步分 ｈｉｉ ｓ ｓａ ｎ
析 认 为 可能 的原 冈是 中外 不 同 的铝 合 金 材 料 其 损 伤 特性 和 失效模式 存在一 定差异 所致 『 在 图 ５所示 ５ ＿ 。
１ ８
直径 ｄ ４ ５ ｍ， ＝ ． ｍ 靶厚 ｔ２ ｍ 撞击角 ０ ０ ， ７ ＝ ． ｍ， ０ ＝ 。靶材 为 ２ １， Ａ ２ 每相邻照片的间隔时间都为 ４。 ｓ
原因。 当撞击点对应于数据采集模块时， 电子盒的失
效表现为数据采集异常；当撞击点对应于控制模块
２ ２
工程 技术
载人航天 ２ １ 年第 ６ ０１ 期
ｌ ｊＦａｋ Ｓ ｈｆｒ ６ ｒｎ ｃ ａ ，Ｇａｔ Ｊｄ ａ．Ｉｆ ｅｃ ｆＴ ｍ ｅａｕｅ ｏ ｈ ｅ ｕａ ａ ｈｖ ｎ ｕｎ ｅｏ ｅ ｐｒｔｒ ｎ ｔｅ ｍ ｌ
工程 技术
基于参数灵敏度分析的航天器毁伤效能研究
无 限靶的图形 ； １ ｂ 是仿 真终止时刻 的 中心轴 向剖面 图 ， 图 （） 可以看到 ， ｌ Ａ 弹丸侵入到靶板 内部 ， ｌ 丸和部 分靶板破 碎 Ａ弹 并产 生与弹丸入射方向相反 的反溅粒 子 ， 与地 面试验 的结 果 相 同 ， 明本文建立 的 Ａ 弹丸撞 击 Ａ 靶 板的数值 模型是 正 说 ｌ ｌ 确 的。使用 Ｌ —Ｐｅｏｔ ｓ ｒｐｓ 处理 仿真 结果 ， 以获得 仿 真终 止 可 时刻 的弹丸球 心的侵彻深度 。
ＨＵ ｎ。 Ｉ Ｂｉ —ｔｏ． Ｉ Ｂｉ Ｂｉ Ｌ Ｕ ｎ ａ Ｌ Ｕ ｎ—ｔ ｏ ａ
（ ｃｏｌ ｆ ｓｏ ａｔ ｓ ｅ ｉ ｎｖｒ ｔ ｏ ｅｏ ａｔ ｓ ｎ ｓ ｏａｔ ｓ Ｂ ｉｎ ０ １ １ ｈｎ ） Ｓｈ ｏ ｏ ｔ ｎｕｉ ，Ｂ ｉｎ Ｕ ｉ ｓｙ ｆ ｒｎｕｉ ｄＡ ｔ ｎ ｕｉ ， ｅ ｉｇ１０ ９ ，Ｃ ｉａ Ａｒ ｃ ｊｇ ｅ ｉ Ａ ｃａ ｒ ｃ ｊ Ａ Ｓ Ｒ Ｔ：Ｐ （ ｍ ｏ ｅ ａ ｉ ｅＨ ｄｏｙ ａ ｉ ）ａ ｏ ｔ ｃｕ ｌ ｉ ｏ Ｂ Ｔ ＡＣ Ｓ Ｈ Ｓ ｏｔ ｄＰ ｒｃ ｙｒｄｎ ｍｃ ｈ ｔｌ ｓ ｌ ｒｈ ｏ ｐｅ ｗｔ ｎｎ—ｌ ｅｒｅｐｉｔｄｎｍｉ ｎ ｇｉ ｍ ｄ ｈ ｉ ａ ｘｌ ｉ ｙ ａ ｃ ａ － ｎ ｃ ｓ
摘要 ： 空间碎 片对航 天器毁伤效能评估 ， 研究 针对高速碎片撞 击动力学分析 ， 从参数灵敏度分析 的角度对空间碎片毁伤航天
器的效能进行 了研究 。采用光滑粒子流体动力学方法建立铝质球形 弹丸正 向撞击铝质半无 限靶 的数值模型 ， 并运用正交实
验设计方法设计了一组仿 真， 获得 了碎 片的材料本构模型参数对航天器毁 伤效 能的灵敏度 。最后对仿真数据进行 了统计学
超高速碰撞产生的碎片云研究进展
第39卷第10期2018年10月兵工学报ACTA ARMAMENTARIIVol.39No.10Oct.2018超高速碰撞产生的碎片云研究进展邸德宁1,陈小伟1,2,文肯1,3,张春波3(1.北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京100081;2.北京理工大学前沿交叉科学研究院,北京100081;3.中国工程物理研究院总体工程研究所,四川绵阳621900) 摘要:弹丸超高速撞击薄板后破碎形成碎片云,被应用于空间碎片防护设计㊂针对薄板超高速正撞击情况下产生的碎片云进行分析,梳理了主要研究进展及不足,按碎片云形成过程㊁碎片云分布特性㊁碎片云模型和碎片云侵彻性能4个部分进行了阐述㊂综合评述了近30年碎片云研究的进展,提出了未来研究发展趋势和若干建议,以供相关领域研究者参考㊂ 关键词:超高速碰撞;碎片云;空间碎片;碎片识别 中图分类号:O385文献标志码:A文章编号:1000⁃1093(2018)10⁃2016⁃32 DOI :10.3969/j.issn.1000⁃1093.2018.10.018A Review on the Study of Debris Cloud Produced by NormalHypervelocity Impact upon a Thin PlateDI De⁃ning 1,CHEN Xiao⁃wei 1,2,WEN Ken 1,3,ZHANG Chun⁃bo 3(1.State Key Laboratory of Explosion Science and Technology,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;2.Advanced Research Institute for Multidisciplinary Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;3.Institute of Systems Engineering,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,Sichuan,China)Abstract :Debris cloud can be produced by hypervelocity impact of a projectile on a thin plate,which has been used in protection against meteoroid /orbital debris.The study of debris cloud during normal im⁃pact is reviewed to summarize the research progress and insufficiency in recent thirty years,including the formation process,distribution characteristic,modeling and penetration performance of debris cloud.Ac⁃cording to the current lacks of research contents on debris cloud,some suggestions are also made forcoming studies.Key words :hypervelocity impact;debris cloud;space debris;debris identification 收稿日期:2018⁃05⁃30基金项目:国家杰出青年科学基金项目(11225213);国家自然科学基金项目(11627901㊁11872118)作者简介:邸德宁(1993 ),男,见习工程师,硕士㊂E⁃mail:daviddidn@;陈小伟(1967 ),男,教授,博士生导师㊂E⁃mail:chenxiaoweintu@0 引言随着人类航天活动的增多,空间碎片环境近年来急剧恶化,各国对航天器特别是载人航天器和空间实验室碎片防护结构设计愈加重视,这一工程背景极大推动了薄板受超高速撞击而产生碎片云的研究工作㊂国际上已有诸多科研院所和高校对此问题进行了研究,并有两年一届的超高速撞击国际会议,国内更是设立了国家国防科技工业局空间碎片专项项目以促进对该问题的研究㊂空间环境中存在着微流星体和空间碎片,共同构成了影响人类航天活动安全的流星体/空间碎片 第10期超高速碰撞产生的碎片云研究进展(M/OD)环境[1]㊂微流星体相对于地球轨道飞行器的平均相对速度为19km/s[2],主要由微小的陨石和冰等组成㊂空间碎片主要由铝合金及铝㊁锌㊁钛等金属氧化物组成,平均密度为2.8g/cm3,其绕地球飞行的速度取决于所在轨道[3]㊂Whipple于1947年提出 双层板防护结构”[4],其基本思想是在航天器舱壁前一定距离处设置缓冲屏,弹丸超高速撞击缓冲屏形成碎片云,使空间碎片的动能被高度分散并部分耗散,实现对航天器的有效保护㊂近年来有多种新型防护结构被提出,包括新防护结构形式和高性能防护材料,但都是对Whipple防护结构的升级,基本思想未改变㊂换个角度看,防护结构最外层的缓冲屏和空间碎片撞击后,实际是撞击产生的碎片云侵彻舱壁,因此航天器防护的研究离不开超高速撞击碎片云的研究㊂从航天器防护角度考虑,在确定环境下碎片云的分布特性决定碎片云的侵彻性能,进而决定防护效果及航天器安全㊂碎片云中碎片的形状㊁大小㊁速度分布都不均匀,还可能发生碎片材料相变,这些因素深刻影响了碎片云的侵彻性能㊂从物理过程考虑,弹丸和薄板撞击的各类相关参数,包括弹和薄板的材料㊁尺寸,弹的形状㊁撞击角度㊁撞击速度以及环境因素等,它们决定了碎片云分布特性㊂在工程方面,需要提出碎片云模型或撞击极限方程,以描述碎片云侵彻性能㊁指导工程设计㊂事实上,国内外对碎片云的研究可分为4类:碎片云形成过程研究㊁碎片云分布特性研究㊁碎片云模型研究和碎片云侵彻性能研究㊂截止目前,已有一些相关综述发表,如:郑建东等[5]关于碎片云模型的综述㊁柳森等[6]关于中国空气动力研究与发展中心空间碎片实验研究进展总结㊁曹燕等[7]关于微小飞片激光驱动及损伤效应的总结㊁韩增尧等[8]关于空间碎片防护研究的最新进展总结,而最近一篇关于碎片云总体研究进展的综述发表于1990年[9]㊂本文将更新和较全面评述近30年碎片云研究的总体进展,以供相关领域研究者参考并继续研究具体方向进展㊂本文针对薄板受超高速撞击过程中正撞击情况下产生的碎片云进行分析,按碎片云形成过程㊁碎片云分布特性㊁碎片云模型和碎片云侵彻性能4个部分论述,梳理自20世纪90年代以来的研究进展㊂除特殊注明外,本文默认撞击条件已足够产生完整的形态碎片云,而不是弹丸穿过靶板后保持完整或初步破裂㊂1 碎片云形成过程研究碎片云形成过程问题在20世纪50年代碎片云研究初期即被关注,但研究进展较慢㊂研究者们大多针对圆柱形弹体和球形弹丸,前者应力波作用过程分析相对简单,后者便于比较而被广泛接受,主要分析弹丸内冲击波和稀疏波作用过程㊂此外,薄板上的弹孔情况,特别是弹孔的大小也被广泛分析,以说明薄板破坏机理及对碎片云组成的贡献㊂1.1 圆柱形弹体碎片云形成过程研究圆柱形弹体端面平直且环向对称,与薄板撞击产生的冲击波常被视为平面波;侧面垂直于端面,侧向稀疏波的分析也较为简便,广泛用于冲击波和稀疏波在弹体内相互作用过程的分析㊂Maiden等[10]基于一维应力波理论提出材料在稀疏波下的破碎可被视为层裂过程,但上述分析仅能说明材料单方向上的断裂问题,难以解释材料在极短时间内碎化为细小颗粒的事实[11]㊂考虑碎片云速度分布,根据冲击波强度可知初始稀疏波强度,继而可参考层裂理论计算不同层裂碎片速度㊂然而,目前缺乏此方面的细致工作,机理分析只被用于认知过程,未能推算后续物理现象及碎片云分布特性㊂来自薄板背面的轴向稀疏波和弹体侧面的侧向稀疏波快于冲击波,可能追赶卸载弹丸内冲击波㊂在确定材料及固定薄板厚度下,轴向很短的圆盘形弹体稀疏波来不及追赶冲击波,将导致整个弹体处于拉伸状态而产生碎片云,适合于典型碎片云研究;轴向更长的弹体多用于临界破碎和侵彻分析[12]㊂汪庆桃等[13]采用数值模拟方法分析了圆柱形长杆弹体撞击薄板时弹体侵蚀长度与弹和薄板材料㊁几何尺寸及撞击参数的关系,事实上也可借助理论分析得到冲击波被卸载的位置,即弹体完全破碎的临界尺寸[14]㊂针对不同应用场景,需要按照上述分析考虑弹体和薄板的几何比例极限要求,如航天器防护中需要计算板厚下限㊂不同形状弹体所产生的碎片云外形差异较大,但分析认为其形成机理和大体形状是相似的,碎片云外形的差异只是由于弹体外形影响冲击波到达材料自由面的时间,例如柱形弹体轴线附近的冲击波面接近平面,而球形弹丸冲击波面的更接近半球面[15]㊂进一步可推测:平面冲击波在弹体尾端反射为平面稀疏波,将导致碎片云尾端近似平面结构,而半球面冲击波将导致半球形结构㊂张庆明等[16]认为弹体材料不可能完全均匀,因7102兵 工 学 报第39卷此撞击所产生的冲击波不会是绝对的平面波,将导致材料内出现局部剪切运动而断裂;同时,弹体侧表面和薄板相对运动也将产生剪切力,导致材料出现滑移等㊂综合来看,弹撞击薄板后应当是剪切和拉伸相互作用而形成碎片云[16]㊂材料在强冲击下的破坏机理是一大难题,利用数值模拟方法中的失效准则不难验证上述结论,但目前的讨论大多仍基于稀疏波拉伸破坏分析㊂形成机理分析不局限于圆柱形弹体情况,但只有个别圆柱形弹体的碎片云模型中定量分析了碎片云形成过程㊂此外,这些分析尚停留在一维理论,侧向稀疏波强度及衰减缺乏可靠结论,另一方面,形成过程讨论依赖于具体材料失效机理,工程设计中结构改进和材料改进分别对应这两方面㊂1.2 球形弹丸碎片云形成研究球形弹丸形状规范,只需要一个尺寸数据描述,便于比较㊂球形结构完全对称,不存在撞击姿态问题,被研究者们广泛应用㊂不同形状弹体的碎片云形成机理相似,但球形结构将导致冲击波在弹丸表面的反射和波系的空间传播及衰减高度非线性,难以利用1.1节的基本理论分析㊂在实验方面,有研究者使用透明材料厚靶观察弹丸的破坏和冲击波传播过程[17],但效果有限,碎片云形成过程的研究大多基于数值模拟㊂Alme等[18]使用任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法计算了直径9.5mm铝球弹丸以8km/s速度撞击1.9mm厚薄板的情况,发现波阵面接近椭球面,压力分布复杂,但明显呈非线性分布㊂Kipp等[19]利用美国圣地亚国家实验室三维欧拉冲击波软件CTH 计算过弹丸内轴线上5个点处的最小主应力(拉应力为负)历程㊂综合来看,通常所假设的轴线上压力峰值随距离线性降低是不准确的[20]㊂可以确定,来自球形边界的稀疏波强烈衰减冲击波,但难以完全卸载冲击波,这一衰减过程呈非线性㊂不同直径球体内稀疏波的产生及相互作用过程高度相似,分析结论普适性强㊂考虑碎片云形成过程,以Alme等[18]算例为例,冲击波在0.2μs左右到达薄板背面并转变为稀疏波,导致薄板发生变形;0.4μs前弹丸和薄板接触边缘的薄板材料在稀疏波作用下剥离,形成反向溅射碎片云[20]㊂应力波的作用改变了材料运动状态,考虑弹丸破裂过程及撞击导致的材料速度改变,可推测认为:薄板背面稀疏波强度较高,直接导致薄板从背面开始破裂并加速;弹丸尾端处反射的稀疏波导致尾端开始破裂,材料速度降低;反向溅射碎片说明弹和薄板的接触位置材料亦产生破裂㊂然而,对于在弹丸中后部传播的冲击波在球体边界反射产生的侧向稀疏波,难以确认其是否足以引起中后部边缘材料破裂㊂球形弹丸轴向和侧向稀疏波方向不正交,受到源自不同位置的稀疏波作用而破裂的碎片速度改变方向不同㊂目前可通过数值模拟方法观测稀疏波的分布情况,但缺乏对弹丸材料破裂的具体分析,上述材料破碎过程的推测缺乏验证,难以建立冲击波㊁稀疏波分布到碎片最终速度的关系㊂随着稀疏波对材料的破碎作用结束,一定时间后各碎片以恒定速度独立运动㊂在大规模数值模拟中,待粒子进入恒定速度后可直接映射粒子的位置,跳过碎片云从薄板后到后续靶板前的扩散过程,大幅压缩计算耗时㊂同时,这也说明真正决定碎片云分布的只有稀疏波作用的阶段,形成过程研究要尝试建立稀疏波分布模型㊂不同于圆柱形弹体情况,球形弹丸与薄板撞击后先是点接触,而后接触面不断扩大㊂针对球形弹丸与靶板从撞击到开始产生反向溅射碎片的过程,Ang[21]从理论上分析了弹丸和靶板接触点的移动速度,通过其与材料冲击波速的对比决定了反向溅射碎片开始产生的位置㊂图1为撞击点处速度示意图,通过分析几何及运动学关系得到:v tc=Dv0-2v20τ2Dv0τ-v20τ2,v pc=Dv02Dv0τ-v20τ2ìîíïïïïï,(1)式中:v tc为靶板上撞击点移动速度;v pc为弹丸表面撞击点移动速度;τ为撞击开始后时长;D为弹丸直径;v0为初始0时刻撞击速度㊂图1中W p㊁W t分别为弹丸和靶板内的冲击波速度,α为撞击点位置角㊂Ang[21]认为只要撞击点移动速度大于当前状态冲击波速,就不会产生稀疏波,也就不会产生反向溅射碎片㊂综合接触点速度及撞击后时长,得图2所示撞击点速度与位置角度关系,并与冲击波速度比较,得出弹和靶各自产生稀疏波的位置角(αjet,p,αjet,t),反向溅射碎片将由更小位置角的材料产生㊂在碎片云实验中,反向溅射碎片一般由薄板产生,假设弹和靶同种材料,参照图2将由靶材产生溅射碎片,符合实验结果㊂此研究不仅解答了反向溅射碎片的产生条件,而且揭示了侧向稀疏波产生前球形弹丸撞击靶板的物理过程㊂进一步,针对侧向稀疏8102 第10期超高速碰撞产生的碎片云研究进展图1 球形弹体撞击靶板后撞击点速度示意图[21]Fig.1 Schematic diagram of impact point velocity after aspherical projectile impacting on target [21]波产生后过程,Wen 等[22]提出了描述冲击波首次遍历整个弹丸过程中波阵面几何传播特征的几何传播模型(GPM),并分析了冲击波强度和速度衰减㊂上述研究基本完成了弹丸内的冲击波传播分析,但仍未能涉及到真正导致材料破碎的稀疏波传播及特征变化,无法借助材料动态破碎研究分析碎片的形成过程㊂Grady 等[23]提出了图3所示球形弹丸撞击薄板后轴线上压力时间历程的理论模型,将整个压力载荷分为2个主要阶段:第1阶段即为Ang [21]所分析的稀疏波开始产生前,压力值保持为初始撞击所产生的压力p h ,可通过冲击波理论计算出;第2阶段则是来自弹丸侧表面的侧向稀疏波作用后压力下降至p b ,可基于Bernoulli 压力来大致描述p b 大小㊂从时间上来看,第1阶段时长τ1由侧向稀疏波到达时间决定,而第2阶段终止时间τ2则是由来自弹丸尾端或薄板背面的轴向稀疏波到达时间决定㊂当薄板厚度和弹径比t /D 较大时,压力时间历程即为图3所示,较小时τ2甚至可能小于τ1.但是,该模型中p b 大小的确定缺乏理论依据,球形弹丸中侧向稀疏波的产生㊁传播以及弹丸尾端稀疏波强度都缺乏强有力的分析结论㊂模型中压力值只有2个状态,与数值模拟得到的连续下降过程不符,事实上目前缺乏此下降过程机理认知㊂利用压力时间历程可计算冲击波所携带的能量,推算弹丸的破碎程度等,对碎片云侵彻性能有深刻影响㊂侯明强等[24]分析了密度梯度薄板和弹丸撞击过程压力时间曲线,发现薄板最前面的高波阻抗材料可提高初始压力,而后续材料的密度梯度使得冲击波慢慢卸载,增大了冲击波压力持续时间,弹丸破碎效果更好,可参照此流程思路对工程设计的结构和材料进行优化㊂此外,研究发现撞击速度较图2 弹和靶板撞击点速度与位置角度关系[21]Fig.2 Relationship of velocity and position angleof the impact point [21]高时材料可压缩性会增大撞击界面压力,即使是弹靶材料的可压缩性相当[25-28],未来研究中也可能要考虑这一因素对碎片云破碎和相变效果的影响㊂碎片云研究中,超高速撞击实验不可或缺㊂闪光X 射线照相技术利用X 射线照射碎片云,由于二维图像中碎片材料面密度分布不均匀,从而显示出不同灰度,沿弹丸速度方向多次闪光可获得碎片云扩散的多个图像㊂Piekutowski [29]借助闪光X 射线照相获得了大量高质量碎片云照片,并研究了弹丸初始破裂阈值速度v s 与板厚的关系[30],如图4所示㊂当t /D 大于0.16~0.17后,阈值速度将保持恒定,这一现象被解释为板厚大于某个值后轴向稀疏波来不及追赶卸载弹丸内冲击波㊂在钢弹丸撞击聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄板实验[19]和轧制均质装甲(RHA)与钨合金弹丸撞击RHA 薄板数值模拟[31]中也发现了类似规律㊂结合此现象考虑航天器防护,只有当板厚大于某个值时,才能保证冲击波9102兵 工 学 报第39卷图3 球形弹丸撞击薄板后轴线压力时间历程模型[23]Fig.3 Model of on⁃axis pressure history after aspherical projectile impacting on target [23]遍历全弹丸,否则将产生大碎块,严重威胁航天器安全,相关理论计算可参考文献[32]㊂此外,轴向稀疏波追赶卸载冲击波对碎片云特性影响很大,但缺乏球形弹丸内此过程的基本分析,包括将导致的冲击波衰减量,以及与侧向稀疏波追赶卸载的竞争关系等㊂图4 球形弹丸发生破裂阈值速度与t /D 的关系[30]Fig.4 Fragmentation⁃initiation threshold velocity as afunction of t /D ration for spherical projectile [30]进一步考虑弹丸破裂速度阈值问题,当t /D >0.16时,阈值速度为2.6km /s 不变㊂由铝合金材料参数得撞击点初始压力峰值为24.8GPa,已有实验给出铝合金断裂应力为2.5GPa,意味着侧向稀疏波将弹丸轴线压力峰值降低了22.3GPa [20].当t /D <0.16时,这一压力降低值[20]近似为Δp =8.57(t /D )-0.5.(2)若能获得确定工况下该压力的降低值,即可计算弹丸尾端轴向稀疏波的初始强度,进而分析材料破碎结果㊂然而由于缺乏冲击波衰减过程的分析,此压力降公式未能推广到非初始破裂工况下㊂另外,不论初始破裂阈值速度还是压力降低值,均可发现t /D 与其非线性负相关,同时薄板厚度主要影响前述追赶卸载的发生时间㊂然而,球形弹丸中追赶卸载影响碎片云特性的机理未知㊂图5为球形弹丸初始破裂后的变形情况示意图和实验照片㊂由图5可见,弹丸背面在稀疏波作用下鼓起,且与主体分离的部分厚度基本一致,这一现象印证了前文的形成机理分析,说明冲击波到达弹丸背面时近似球面,与后文中球形弹丸碎片云后部呈半球状的现象完全对应㊂图5 球形弹丸初始破裂示意图及实验细节图对比[30]Fig.5 Illustration of deformation and spall failure ofspherical projectile [30]不论圆柱形还是球形弹体,均是对真实空间碎片的模拟,然而卫星解体实验发现立方体和方形片状碎片最多[33],且研究表明球形弹体毁伤能力低于非球形[34-35]㊂在圆柱形和球形弹体之外,张伟等[36]㊁马文来等[37]分析了椭球和方形弹体内不同位置处的压力历程,比较了压力峰值和材料断裂强度以判断弹丸破碎的情况㊂不过,弹体形状对碎片云影响的研究多为示例性比较,可用于分析特定形状弹丸导致的冲击波衰减过程差别,直接推测弹丸破碎结果差异㊂1.3 薄板弹孔研究薄板被弹丸超高速撞击贯穿后,撞击位置附近势必留下弹孔,在工程背景下被撞击的薄板实为航202 第10期超高速碰撞产生的碎片云研究进展天器防护结构或舱壁,其损伤程度自然需要监测㊂目前有基于声发射信号[38]㊁光纤传感器[39]和电阻栅格[40]的测试方法被提出,可实现在轨航天器损伤感知㊁定位及损伤程度测定等㊂图6为球形弹丸撞击不同厚度薄板所产生的弹孔,图中左边分别为孔洞箭头处切面,弹孔随着板厚的增加而增大,轮廓偏离标准圆形,且边缘情况更复杂[30]㊂图7为弹丸和薄板材料在碎片云中的分布情况,图中弹孔位置材料共有4部分:被弹丸冲塞部分㊁反向溅射部分㊁碎片云外围部分㊁小翻唇部分㊂已有研究认为弹孔形成分为两个阶段:先期冲塞和后期不断剥离,弹孔边缘留存则是剥离剩余材料㊂Piekutowski [30]定性分析了弹孔形成过程,即波系在薄板内的作用过程,认为弹孔边缘形状是由薄板两侧自由表面反射的稀疏波后拉伸所致,两列稀疏波在板中间相遇㊁产生层裂,导致小翻唇和锲形内环㊂从图6可见,随着板厚的增加,薄板从完全挤压成小翻唇到中间撕裂变形,两表面稀疏波造成的形变越来越弱,但更大的厚度意味着更复杂的相互作用,材料形变亦更复杂㊂弹孔材料后期剥离阶段导致弹孔边缘出现大颗粒块㊁空洞㊁裂缝等,形成机理与前文中的弹丸破碎相近㊂图6 薄板上不同形态弹孔及其切面图[41]Fig.6 Photographs and cross sections of holes in plate [41]图7 弹和薄板材料在碎片云中分布[30]Fig.7 Distribution of projectile and plate materialin debris cloud [30] 后期剥离阶段弹孔大小的变化可参考文献[42]中的实验记录,弹孔首先快速增大,同时增速慢慢降低,直到弹孔大小稳定㊂以6061⁃T6铝合金材料薄板在7km /s 速度下被撞击为例,整个弹孔增大过程约耗时3μs.薄板弹孔与碎片云主体部分形成并不同步,一般弹孔形成更慢,不过弹孔后期扩大所形成的碎片云外围部分轴向速度较低,工程研究中基本可忽略㊂综上所述,目前已有弹孔形成过程的认识,但缺乏机理分析,两阶段对弹孔大小的贡献和对碎片云分布的影响均不明确,特别是薄板背面稀疏波所破碎材料的量无法确定㊂弹孔大小方面,有基于能量的理论计算方法被提出[43],但主要针对中厚靶临界穿透情况且撞击速度较低,实际使用的以经验公式为主㊂柱形弹丸只需多考虑弹的轴向长度影响,与球形弹丸思路基本相同,不再进行专门分析㊂需要说明的是,弹孔各截面处直径不等,后文中弹孔大小为被贯穿孔洞的最小孔径,或不区分各处直径大小的差别㊂在20世纪60年代,Maiden 等[44]提出球形弹体撞击薄板的弹孔大小经验公式为1202兵 工 学 报第39卷D hD=2.4v0c(tt)D23+0.9,(3)式中:D h为弹孔大小;c t为薄板靶内稀疏波速㊂可见,弹孔大小与撞击速度㊁弹径及薄板厚度相关,特别是与撞击速度线性相关㊂同时,(3)式无量纲化各变量,具有更好的代表意义,而且通过引入稀疏波速考虑了薄板强度影响㊂此后,有很多研究者对(3)式进行了扩展和完善,如Sorenson[45]考虑了薄板剪切强度影响,Swale[46]考虑了弹和薄板密度影响,Schonberg[47]引入了入射速度角,Hill[48]引入了弹强度项㊂综合而言,此类弹孔大小的经验或半经验公式形式为D hD=C(1ρpρ)t p(1v0c)t p(2v0c)p p(3t)D p4cos p5θ+C2,(4)式中:ρp㊁ρt分别为弹和薄板材料密度;c p为弹内稀疏波速;θ为入射速度与薄板正面内法向夹角;C1㊁C2为常数参数[49]㊂Abbas等[49]通过机器学习遗传算法给出(4)式中参数p i(i=1~5)的一组取值为p1=0.08㊁p2=0.62㊁p3=0.03㊁p4=0.88㊁p5= -0.08,可以看出v0/c t项和t/D项影响较大㊂对于确定弹径的弹丸情况,弹孔随着撞击速度和板厚的增加以及靶板强度的降低而增大㊂除(4)式外,亦有其他形式的公式被提出[50-52],特别是Rolsten等[50]曾提出基于一种冲击模型的理论公式,但弹孔大小这一主要影响因素的分析结论未改变㊂除上述公式外,Loft等[53]分析了弹丸绕速度方向自转对弹孔大小的影响;Piekutowski等[41,54-55]通过实验研究发现弹孔大小强依赖于薄板的强度,但增大速度随t/D的增大变化很小,另外当t/D较小时撞击速度对弹孔大小的影响小,较大时影响明显; Myers等[56]通过实验研究发现高温状况下靶板将产生比室温下更大的弹孔㊂综上所述,弹孔大小的影响因素和计算公式已较完备,目前缺乏复杂环境及极端工况下弹孔的表现㊂对弹孔形成机理和弹孔大小的理论分析工作很欠缺,相比于碎片云,弹孔易于实验观测,或可由此入手推测碎片云的形成机理㊂另外,弹孔大小直接决定了薄板对碎片云的质量贡献等,对碎片云分布的建模需要更细致的弹孔形成研究结论㊂近年来,有一些新型薄板材料被提出,如一种自修复离聚物[57],其弹孔相比于传统铝合金材料更小,可降低薄板的损伤程度,且薄板碎片云危害很低,但其对弹丸的破碎效果较差,难以满足工程需求㊂薄板材料的选择工程意义明显,从常见的铝合金材料到编织材料再到功能复合材料,未来必将是更具针对性的智能化材料㊂事实上,可借助碎片云形成过程的研究结论,掌握板材选择到改进工艺的整体研究方向㊂2 碎片云分布特性研究碎片云分布研究既可验证碎片云形成过程的推算结果,更可为碎片云模型建立提供基础㊂然而由于实验测量难度大,所取得的成果很有限,数值模拟被广泛应用,理论研究方面进展缓慢㊂本节将阐述碎片云外形及构成和碎片云速度㊁质量及相态分布,其中碎片形状㊁大小及材料动态破坏模型等包含在质量分布中㊂2.1 碎片云外形及构成2.1.1 碎片云外形研究弹丸和薄板在稀疏波作用下破碎后形成碎片云,大部分材料继续沿入射方向运动并径向扩散㊂图8为直径9.53mm的2017⁃T4铝合金球撞击1.549mm厚6061⁃T6铝合金薄板所形成的碎片云,速度方向自左向右㊂右边部分为碎片云长时间扩散后的图像,可见碎片云最前端的细节结构,边缘拟合算法识别显示球形弹丸碎片云前端接近抛物线[59]㊂图像颜色深度与碎片分布密集程度呈正相关,前端狭带颜色最深部分即碎片分布最密集部位,但目前尚无碎片分布密度的定量测量方法㊂图8 球形弹丸超高速撞击薄板所产生的碎片云X⁃ray图像[58]Fig.8 X⁃ray photo of debris cloud produced by the hypervelocity impact of spherical projectile on plate[58]弹丸形状影响波系作用过程及稀疏波到达时间,导致不同碎片云外形,图9为等质量球形弹丸和不同长径比圆柱弹体撞击薄板所产生的碎片云图像,图中l为弹体长度㊂由图9可见,球形弹丸碎片2202。
空间碎片撞击在轨感知技术研究综述
航天器环境工程第27卷第4期412 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2010年8月空间碎片撞击在轨感知技术研究综述庞宝君1, 刘治东1, 张凯1, 龚海鹏1, 唐颀2, 刘武刚2,韩增尧3, 刘刚3（1. 哈尔滨工业大学，哈尔滨 150080；2. 中国运载火箭技术研究院，北京 100076；3. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094）摘要：随着航天发射活动的日益频繁，空间碎片环境随之恶化。
为了应对空间碎片的撞击威胁，人们提出了用空间碎片撞击在轨感知系统实时监测航天器在轨遭受空间碎片撞击的情况。
文章在对国内外相关研究机构研究成果的调研基础上，介绍了国内外在空间碎片撞击在轨感知技术领域的研究现状，对各国基于超高速撞击声发射技术的空间碎片撞击在轨感知技术的发展状况进行了全面评述，重点介绍了国内的研究进展。
最后基于国内航天事业需要，探讨了未来发展方向。
关键词：空间碎片；超高速撞击；声发射；在轨感知系统中图分类号：V520.7；V448.15 文献标识码：A 文章编号：1673-1379(2010)04-0412-08DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2010.04.0020 引言随着人类空间活动的日益频繁，空间碎片环境日趋恶化。
根据美国空间监视网探测结果：截止到2009年10月，直径大于10 cm的空间碎片数量为15 000块，直径小于 10 cm 的空间碎片数目非常巨大，难以计数。
这些空间碎片对航天器的在轨安全运行构成了严重的威胁[1-4]。
为了应对空间碎片的撞击威胁，广泛地开展了空间碎片的减缓和防护技术研究[5-6]。
同时为了对航天器在轨遭受空间碎片撞击事件进行实时监测，世界主要航天国家或机构分别提出了多种空间碎片撞击在轨监测的技术措施，如热成像感知技术、电磁波发射技术、基于声发射技术的在轨感知技术、电阻薄膜监测技术、聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜监测技术、电容传感监测技术等。
超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相
超高速碰撞碎片云的四序列激光阴影照相柳森;谢爱民;黄洁;宋强;罗锦阳【摘要】为研究超高速碰撞过程中所产生碎片云的特性,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了四序列激光阴影照相系统.该系统由YAG激光光源、阴影仪、成像系统和控制系统组成,在采用多光源空间分离、偏振分光、光束角放大、补偿式滤光等技术后,获得了撞击速度v=4. 6km/s时碎片云的四序列阴影照片.笔者对该系统的工作原理、调试情况及试验结果进行了介绍.调试及试验结果表明:(1)该系统可以获得最小间隔为1μs、曝光时间为10ns的4个不同时刻的超高速碰撞碎片云图像,满足碰撞试验中对碎片云照相的要求;(2)该技术可以发展为更多序列激光阴影照相系统,并应用于其它超高速瞬态过程的测量显示.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2010(024)001【总页数】5页(P1-5)【关键词】超高速碰撞;碎片云;序列照相;阴影照相;激光【作者】柳森;谢爱民;黄洁;宋强;罗锦阳【作者单位】中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳,621000;中国空气动力研究与发展中心,四川绵阳,621000【正文语种】中文【中图分类】O348.110 引言随着太空垃圾种类和数量的日益增多,人们愈加关心这些空间碎片对航天器的破坏[1,3-4]。
在地面进行超高速碰撞试验是研究航天器抗空间碎片撞击性能的主要方法之一,而对碰撞产生的碎片云发展过程进行记录分析是其中重要研究内容。
为此,在中国空气动力研究与发展中心超高速所碰撞靶上发展了专用的超高速碰撞靶,开展了一系列超高速碰撞试验研究。
试验中,弹丸以最高约7.3km/s的速度撞击靶材,弹丸速度、碎片云形状等被实时记录供事后分析。
为了观测弹丸碰撞靶材所产生碎片云的发展变化过程,国外往往使用高速摄影机、X 光照相技术记录整个碰撞过程的碎片云生成过程,但这些设备价格昂贵,研制周期长。