“超高速碰撞”专题出版前言

正超高速碰撞是指这样一类碰撞:碰撞所产生的冲击压强远远大于(弹靶)材料的强度。在超高速碰撞的最初阶段,材料的性态类似于可压缩流体,遵从流体力学定律。小天体对地球的撞击、空间碎片对航天器的撞击、动能武器对目标的撞击是典型的超高速碰撞现象。     

超高速撞击厚靶过程的能量分配研究

超高速撞击过程的能量分配研究,对于解决动能撞击、发展导弹拦截技术、判定空间飞行器被撞事件及评估碰撞破坏程度具有重要的理论意义。本文在总结前人关于超高速撞击过程能量分配的基础上,将超高速撞击厚靶过程中弹丸的动能分配归纳为靶板的变形能、弹丸与靶板作用过程应力波传播使靶板内能的增加、撞击产生碎片的崩溅能和产生电磁辐射的辐射能,并结合理论推导、实验和数值模拟对撞击速度为2.61km/s且正碰撞2A12铝靶的能量分配进行了定量计算。研究结果表明：无论在弹坑的形貌、尺寸还是辐射温度等方面,实验测量结果、理论推导结果与数值模拟的结果均基本吻合。该研究成果在解决行驶中的车辆碰撞问题以及航空飞行器遭遇鸟撞等领域亦有重要的参考价值。     

碎片云的毁伤潜力

提出了超高速碰撞研究的工程算法模型,并采用该模型来模拟弹丸超高速撞击薄板形成的碎片云对后靶的破坏毁伤情况,与超高速碰撞实验相比较,数值模拟结果与实验结果较为一致。采用的工程算法模型很好地描述了超高速碰撞现象,定性地给出了碎片云的毁伤潜力。     

基于拟流体模型的SPH新方法及其在弹丸超高速碰撞薄板中的应用

引入颗粒动力学理论(拟流体模型)建立了适用于超高速碰撞的SPH新方法。将超高速碰撞中处于损伤状态的碎片等效为拟流体,在描述其运动过程中引入了碎片间相互作用和气体相对碎片的作用。采用该方法对球形弹丸超高速碰撞薄板形成碎片云的过程进行了数值模拟,得到了弹坑直径、外泡碎片云和内核碎片云的形状、分布,并与使用传统SPH方法、自适应光滑粒子流体动力学(ASPH)方法的模拟结果进行对比,结果显示:新方法在内核碎片云形状和分布上计算结果更加准确。同时对Whipple屏超高速碰撞问题进行了研究,分析了不同撞击速度下防护屏弹坑尺寸及舱壁损伤特性等特性,计算结果与实验吻合较好且符合Whipple防护结构的典型撞击极限曲线。     

铝双层板结构的前板厚度对撞击损伤影响的实验研究

低地球轨道上的航天器易受到微流星体和空间碎片的超高速撞击,导致其严重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重要问题。本文采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对铝双层板结构进行超高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的超高速撞击作用。实验得到了铝双层板结构在弹丸撞击速度为2.33±0.12km/s和4.36±0.10km/s两种情况时,其前板和后板的撞击损伤随前板厚度变化的规律,随着前板厚度的增加,前板穿孔直径增大,后板撞击中心的损伤减轻,后板上大弹坑由撞击中心移至外围。当撞击速度超过弹丸破碎速度时,后板上将出现弹坑密集分布区。实验结果表明,前板厚度的选取对双层板结构的撞击损伤区域会产生影响。     

活性Whipple结构超高速撞击防护性能实验研究

以二级轻气炮作为加载手段,针对以PTFE/Al活性材料为防护屏的Whipple防护结构,开展不同弹丸尺寸、不同碰撞速度的超高速撞击实验。利用激光阴影照相设备,获得并分析了碎片云特性;通过回收的防护结构靶板,研究了活性材料防护结构超高速撞击条件下的后板损伤特性;通过与经典Christiansen撞击极限方程对比,获得活性材料Whipple结构防护性能,并拟合得到新型防护结构的撞击极限曲线。结果表明,相较于同面密度铝合金材料,活性材料超高速撞击条件下的冲击起爆反应使得碎片云中具有侵彻能力的碎片大幅减少,从而显著提升航天器的防护能力,撞击速度为2.31 km/s时最大可提升45%。     

预张力纤维织物超高速碰撞热-力学特性分析

高性能纤维织物承力层承担充气舱的内压载荷,并为充气舱提供空间碎片防护。充气舱内压载荷将导致纤维织物承力层产生预张力,并对纤维织物的空间碎片超高速碰撞特性产生显著影响,从而影响其空间碎片防护性能。为分析预张力对纤维织物超高速碰撞过程中热-力学特性的影响,采用Johnson-Cook强度模型和Mie-Grüneisen状态方程建立了纤维材料热-力耦合材料模型,利用有限元法-光滑粒子流体动力学耦合算法对纤维织物的纱线编织结构进行离散建模,并通过施加张力载荷实现纤维织物靶板的预拉伸,进而建立了预张力纤维织物超高速碰撞数值模型,分析并得到了预张力作用下纤维织物超高速碰撞热-力学特性及空间碎片防护性能。结果表明:在弹丸超高速碰撞下,随着预张力的提高,纤维织物穿孔面积增大,碎片云扩散角减小,弹丸动能吸收率降低,碰撞区域温度降低。预张力的存在显著降低了纤维织物的空间碎片防护性能。     

非球弹丸超高速撞击航天器防护结构数值模拟

采用AUTODYN软件对非球弹丸超高速正撞击航天器单防护屏防护结构进行了数值模拟，给出了2维及3维模拟的结果。研究了在相同质量和速度的条件下，不同形状弹丸长径比、撞击方向等对超高速撞击防护结构所产生碎片云特性及舱壁损伤尺寸的影响，并与球形弹丸撞击所产生的碎片云及舱壁损伤进行了比较。结果表明:弹丸的长径比越大，弹丸的穿孔能力越强；非球弹丸的撞击方向不同，所产生的碎片云形状、质量分布、破碎的程度和穿孔的能力是不同的。     

超高速碰撞产生的电磁辐射

超高速碰撞产生的电磁辐射是固体物质在强冲击作用下的重要物理响应,在深空探测、航天器对空间碎片的防护设计、武器毁伤评估应用广泛。本文中概述了超高速碰撞产生的电磁辐射现象,总结了不同碰撞条件下,超高速碰撞产生微波和闪光的时频特性;从超高速碰撞产生材料破碎和产生等离子体两个方面,分析了超高速碰撞产生微波的辐射模型;归纳了超高速碰撞下的发光机理,并阐述了超高速碰撞产生连续光谱和线谱的辐射模型,指出了超高速碰撞产生电磁辐射研究存在的不足与发展趋势。     

超高速碰撞LY12铝靶产生等离子体的电子温度诊断

为了诊断超高速碰撞过程中产生等离子体的电子温度,进而研究不同碰撞速度、相同入射角度（弹道与靶板平面的夹角）下超高速碰撞产生瞬态等离子体在整个物理过程的电子温度随时间的演化规律,设计了适用于瞬态等离子体诊断的扫描Langmuir探针诊断系统。通过二级轻气炮加载LY12球形铝弹丸,运用设计的扫描Langmuir探针诊断系统分别进行了入射角度为30、不同碰撞速度下碰撞LY12铝靶产生等离子体的实验诊断。获得了整个物理过程在给定探针位置处等离子体的电子温度与碰撞速度的关系。     

Dynamical models and the onset of chaos in space debris

The increasing threat raised by space debris led to the development of different mathematical models and approaches to investigate the dynamics of small particles orbiting around the Earth. The choice of such models and methods strongly depend on the altitude of the objects above Earth's surface, since the strength of the different forces acting on an Earth orbiting object (geopotential, atmospheric drag, lunar and solar attractions, solar radiation pressure, etc.) varies with the altitude of the debris.In this review, our focus is on presenting different analytical and numerical approaches employed in modern studies of the space debris problem. We start by considering a model including the geopotential, solar and lunar gravitational forces and the solar radiation pressure. We summarize the equations of motion using different formalisms: Cartesian coordinates, Hamiltonian formulation using Delaunay and epicyclic variables, Milankovitch elements. Some of these methods lead in a straightforward way to the analysis of resonant motions. In particular, we review results found recently about the dynamics near tesseral, secular and semi-secular resonances.As an application of the above methods, we proceed to analyze a timely subject, namely the possible causes for the onset of chaos in space debris dynamics. Precisely, we discuss the phenomenon of overlapping of resonances, the effect of a large area-to-mass ratio, the influence of lunisolar secular resonances.We conclude with a short discussion about the effect of the dissipation due to the atmospheric drag and we provide a list of minor effects, which could influence the dynamics of space debris.     

超高速撞击下波阻抗梯度防护结构碎片云特性研究

碎片云特性是影响空间碎片防护结构防护性能的重要因素。通过实验对比了相同面密度波阻抗梯度材料、铝合金材料的碎片云特性,并借助数值模拟进行了更深入的研究,结果表明,当弹丸分别撞击波阻抗梯度材料、铝合金材料时,碎片云结构中弹丸的破碎特征明显不同。撞击波阻抗梯度材料时,弹丸头部破碎更加充分,弹丸侧向扩展程度提高;在高速段（6.5 km/s）,受阻抗梯度及材料熔化效应的共同作用,波阻抗梯度材料碎片云头部出现分层现象。研究结果表明,超高速撞击波阻抗梯度材料碎片云特性的变化是其防护性能优于相同面密度铝合金的重要因素之一。     

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为了研究爆炸及燃烧产生的“蘑菇状”烟云,采用中尺度气象模式RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模拟计算了冲击波过后的爆炸烟云运动过程。对于稳定层结大气条件,模拟结果显示爆炸烟云造成的流动是一个多层次涡-波运动的过程。爆炸烟云在浮力作用下会形成浮力涡环结构,在到达最大高度以后,其烟云外侧边缘部分涡度变号,形成了环套环的多涡结构。随时间增加,涡能量的逐步衰减,涡运动转变为重力内波运动。通过模拟不同爆炸当量和不同稳定度烟云的上升最大高度,得到了与目前常用的爆炸烟云上升公式一致的形式。     

铝-碳纤维复合材料复合防护屏设计与实验研究

针对空间碎片防护性能要求,本文设计了一种新型的多层铝-碳纤维复合材料防护屏,本文应用二级轻气炮对铝防护屏、碳纤维环氧复合材料防护屏及铝-碳纤维环氧复合材料防护屏进行了高速撞击实验,对比了三种防护屏的防护性能,研究了厚度和面密度相同时防护屏的防护性能差异。研究结果表明铝-碳环氧复合材料复合防护屏具有更加优异的防护性能。     

碎片云SPH方法数值模拟中的材料失效模型

光滑粒子流体动力学方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）被广泛应用于薄板超高速撞击碎片云的数值模拟。利用AUTODYN软件中的SPH模块,考察了无失效模型、Grady失效模型和最大拉应力失效模型3种方案下碎片云模拟结果,发现无失效模型时计算结果及材料表现与实验明显不符;相比于Grady失效模型,最大拉应力失效模型下材料更难失效,将小幅度减弱碎片云扩散程度,碎片总数减少,粒子聚集产生更大碎片,碎片云侵彻性能提高,增大模型失效阈值亦有上述表现。相比而言,Grady失效模型计算结果更符合实验,但2种失效模型间差异与撞击工况相关,材料破碎越充分差异越小。     

空间可展机构非光滑力学模型和动力学研究

空间可展机构广泛应用于展开和支撑柔性太阳能帆板和航天工程领域中的有效载荷, 包括抛物面天线、平面相控阵雷达和合成孔径雷达等. 非光滑特性及其相应的动力学现象在空间可展机构的设计中有着非常重要的作用. 该文系统地综述了空间可展机构非光滑力学建模与非线性动力学的研究进展. 首先详细描述了含间隙铰链的接触碰撞力和摩擦力等非光滑特点;然后系统地介绍了含间隙机构的动力学建模方法、分析方法和参数设计;进一步简单介绍了含间隙铰链空间可展机构的非线性动力学特性, 如谐波共振、周期运动的稳定性和各类分岔等;最后提出了空间可展机构非光滑动力系统动力学、稳定性与控制中亟待解决的若干问题.     

单层5A06铝合金板高速撞击实验研究

采用非火药驱动二级轻气炮发射球形弹丸,对单层5A06铝合金板进行高速撞击实验研究,从而模拟空间碎片对航天器防护结构的高速撞击作用。实验得到了该铝合金板在不同的速度区间的损伤模式。结果表明,弹丸撞击速度一定时,弹坑深度和弹坑直径均与弹丸直径呈线性关系。当撞击速度在4km/s至5km/s时,靶板上的弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而减小,在其它速度范围内,弹坑深度和弹坑直径随撞击速度的增大而增大。通过固定弹丸直径,变化撞击速度,寻找临界撞击速度的方法获得了该铝合金板在弹丸撞击速度为1.0km/s至4.2km/s时的撞击极限曲线,并将实验弹坑深度与由Cour-Palais方程得到的预测弹坑深度进行了比较,实验弹坑深度大于预测值。     

Influence of spacing parameters on the wind loading of solar array

Boundary layer wind tunnel tests were conducted to investigate the effects of different spacing parameters on the wind loading of ground and roof mounted solar arrays. On the ground mounted array the effect of lateral and longitudinal spacing between panels was investigated. On the roof mounted array the effect of array perimeter gap from the building edge was investigated. Based on the results obtained, the magnitude of force and moment coefficients on the ground mounted array decreased across panel rows as a result of sheltering effect from the neighboring upwind panels. The largest reduction of wind load coefficients was observed on the second row panels but the amount of reduction dropped quickly afterwards, becoming minimal after the fourth row. It was also observed that panels located in the outer array column could be subjected to relatively higher wind loads compared to panels located in the inner array columns. Increasing the lateral spacing between array columns was observed to have minimal effect on the force and moment coefficients. However, the wind load coefficients increased as the longitudinal spacing between panel rows was increased. The wind load coefficients on the roof mounted array decreased with increasing perimeter gap from the building edge.