天基在轨空间碎片撞击感知系统研究现状及关键技术

航天器遭受空间碎片撞击的威胁日益严重,对天基在轨空间碎片撞击感知系统的研究与开发提出了迫切需求.为了更好地为配合开展感知系统的研究,通过分析各种空间碎片天基在轨撞击感知技术的研究现状,提出了系统必须满足的相关问题,给出了系统组成、关键技术和工作模式.     

超高速撞击波阻抗梯度材料形成的碎片云相变特性

在超高速碰撞下,波阻抗梯度材料能使弹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Tilloston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7.9 km/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4 km/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6 km/s、5 km/s、4 km/s速度撞击时碎片云会发生熔化,在受到8 km/s、9 km/s、6 km/s速度撞击时碎片云会发生气化。     

铝球弹丸超高速正撞击铝Whipple防护结构舱壁的损伤分析

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。采用实验和数值仿真方法,对铝球弹丸超高速正撞击铝合金Whipple防护结构的舱壁损伤特性进行了研究,从而模拟空间碎片对航天器舱壁的超高速撞击作用,并利用AUTODYN-2D软件获得的仿真结果与实验结果进行比较,二者具有较好的一致性。分析了铝合金Whipple防护结构舱壁撞击损伤随弹丸直径、撞击速度和防护间距变化的规律,指出影响舱壁撞击损伤特性的主要因素。     

空间碎片环境危害及其对策

空间碎片的数量不断增长,对航天器的安全造成威胁,成为航天活动高度重视的环境问题.为此描述了空间碎片环境的概况,分析空间碎片的生成与演化,介绍空间碎片环境模型的分类以及现有的环境模型,对空间碎片的危害进行了讨论,给出了减少空间碎片危害的对策,最后介绍了中国空间碎片研究的进展情况.     

中低密度材料飞片超高速撞击铝防护结构实验研究

空间碎片相对于在轨航天器具有10 km/ s 左右的平均撞击速度,且处于低轨道90% 数量的空间碎片密度属于中低密度材料,针对空间碎片撞击速度及材料密度的特点,采用电炮、磁驱动超高速飞片发射技术,开展了14 km/ s 速度低密度材料( Mylar) 和近9 km/ s 速度中密度材料(2A12 铝)超高速撞击单/ 双层铝防护结构的实验研究,得到了低密度材料飞片对2A12 铝单/ 双层防护结构撞击损伤实验结果,以及中密度材料飞片超高速撞击形成碎片云对舱壁的损伤结果。结果分析表明:14 km/ s 速度的低密度材料飞片撞击2A12 铝材料形成的碎片云中无熔化成分,而近9 km/ s速度的中密度材料飞片撞击形成的碎片云以液态、甚至是气态为主;与单层防护结构相比,双层防护结构对14 km/ s 的低密度材料飞片有着更好的防护效果。     

动能毁伤弹丸撞击多层靶板的区域性毁伤特性研究

为研究动能毁伤弹丸对航天器内部结构的毁伤特性,提出了一种穿透航天器外壳后区域性散布毁伤元的动能毁伤弹丸。根据空间卫星的结构特点设计了多层等效靶板,进行了动能毁伤弹丸撞击多层靶板的验证试验。对试验过程进行有限元动力学仿真,并将仿真结果与试验结果进行一致性对比,采用该模型研究了不同形状毁伤元的毁伤特点。研究结果表明:动能毁伤弹丸在穿透2 mm厚铝板后弹壳破碎释放毁伤元,且不会穿透最后一层靶板产生额外空间碎片,毁伤方案的可行性较高; 不同形状毁伤元中球形毁伤元毁伤内部结构的效果最好,立方体毁伤元穿透外壳的效果最好。     

超高速碰撞产生的碎片云研究进展

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。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、碎片云分布特性、碎片云模型和碎片云侵彻性能4个部分进行了阐述。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。     

薄板超高速撞击特性数值仿真研究

文中利用数值仿真方法研究薄板超高速碰撞问题,主要分析了铝球对薄铝板（0．11〈t／d≤0．70）在3-6km／s的正向撞击速度下产生的碎片云规律。给出了穿孔直径,发散角度和碎片云特性与撞击速度和弹靶条件的关系,建立了描述这些特征量的公式．为碎片云的建模提供了快速有效的途径。     

基于多线程的导弹与空间碎片碰撞预警方法

空间环境的日益恶化给远程弹道导弹空间飞行安全带来了严重威胁。针对空间碎片的数目繁多使得导弹与空间碎片碰撞预警耗时很长的问题,为了减少碰撞预警时间,提高预警效率,分析碰撞预警模型和多线程多CPU特点,提出了基于多线程技术的远程弹道导弹与空间碎片碰撞预警算法,并运用仿真比较了算法的预警效率。仿真表明该算法能有效减少预警时间,提高预警效率。该算法可为发射前碰撞预警提供技术支持。     

模拟卫星结构爆炸解体碎片分布特性

采用沙坑回收实验和理论分析相结合的方法,对铝薄壁圆柱模拟卫星结构爆炸解体碎片分布特性进行了研究。实验结果表明,卫星模拟结构爆炸解体行为显著受壁厚和剩余燃料量影响,壁厚越小或剩余燃料量越多,爆炸解体碎片越多,且碎片质量分布范围很广,从不足0.2 g颗粒到100 g以上不规则碎片。基于实验结果,结合带壳装药爆炸解体模型和卫星弱爆炸解体模型,建立了模拟卫星结构爆炸解体碎片总数分布分析模型和碎片质量分布分析模型,为卫星意外解体碎片分布特性的科学评估提供参考。     

高速虚拟仿真物体的碰撞检测方法

高速运动虚拟物体在相邻的离散时间点上容易出现碰撞检测遗漏和检测碰撞初始点不准确的情况,针对此问题给出了基于相对运动和空间几何运算结合的随时间运动函数的碰撞检测方法;用相对运动理论推算出移动坐标变换矩阵函数方程。在新的运动路径下进行空间曲线和几何体相交测试。预计算出碰撞时间和碰撞初始点。最后将该碰撞点移动变换回系统坐标空间。得到运动状态下的碰撞位置;该方法能有效准确地检测在高速运动下的碰撞问题。     

基于Vega Prime 的飞行碰撞检测仿真系统设计

为了解决飞行碰撞检测仿真系统问题,提出了一种飞机碰撞检测航母的仿真系统设计。将飞机模型和飞行场景模型相结合,采用三维建模工具Multigen Creator,构建飞机、海洋和航空母舰等模型。将模型导入Vega Prime平台中的ACF文件,进行虚拟场景开发,采用C++语言,应用程序接口API调用Vega Prime的ACF文件,解决飞机实时飞行碰撞检测的问题,设计一个基于Vega Prime的环境飞行视景仿真系统,并进行测试验证。测试结果表明：该系统能快速、准确地对飞机碰撞航母进行实时检测,具有良好的实用性和可行性。     

基于双分子反应模型的JP-10燃烧机理分析研究

为了进一步研究JP-10燃料在火箭发动机燃烧室中的燃烧机理,基于双分子反应模型,用逆流燃烧实验数据做支撑,对Arrhenius方程进行修正,并求取参数;在此基础上改进燃烧模型,对JP-10液料燃烧过程进行数值模拟,并与实验值进行比对。研究结果表明:对于JP-10燃料的燃烧机理,可以采用实验与数值计算相结合的方法对燃烧速率封闭模型进行升级,并通过已有实验数据验证了其对湍流燃烧模拟的可行性。     

机器鱼2D 仿真平台碰撞检测算法

为了实现机器鱼2D仿真平台各个对象间完整的碰撞检测,提出一种基于离散碰撞检测的算法。该算法以机器鱼2D仿真平台为基础,结合包围盒树,运用计算机图形学对平台中各个仿真对象进行精确建模;并利用图形学中的分离轴理论、Voronoi Region等概念,提出了适合各对象的不同碰撞检测算法,快速准确地输出检测结果。同时采用运动插值技术,减小步长并键入中间运动模态,实现了模拟连续碰撞检测,进一步提高了碰撞检测准确度。实验结果证明：该方法实现了模拟连续碰撞检测,具有高效、精准的特点。     

混合型APFSDS碰撞模型与数值模拟

建立了混合型脱壳弹第二时期卡瓣,膛壁碰撞模型,通过数值模拟,分析了碰撞过程对弹体,卡瓣以及后继脱壳运动的影响。     

基于MCNN-GRU 的舰面目标碰撞预警方法

为提升甲板舰面目标的转运安全性,提出一种多个CNN-GRU(multiple CNN-GRU,MCNN-GRU)碰撞 预警网络模型。该网络融合了卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)对单时间步信息特征的提取能力以 及门控循环单元(gate recurrent unit,GRU)对时序序列的记忆能力,通过多通道网络结构提升对多时间步信息特征的 处理性能;在数据集上,利用目标检测网络和关键点检测网络、位姿解算模型及碰撞检测方法制作舰面目标碰撞预 警数据集。通过不同网络在数据集上进行实验的结果表明：该模型对舰面目标的双机碰撞预警精度为92.44%,具有 较好的效果。     

滚动轴承内圈局部故障碰撞的Neimark-Sacker分岔研究

本文以滚动轴承内圈局部故障为研究对象,建立三自由度分段非线性故障碰撞模型,通过在故障缺陷的碰撞面处建立Poincaré映射,研究当故障系统随频率增加时,由于滚动体与内圈缺陷的碰撞冲击而出现的Neimark-Sacker分岔等非线性行为,有助于揭示故障碰撞机理,为设备的减振降噪提供理论依据.     

基于Creator和Vega Prime的导弹飞行视景仿真系统设计与实现

基于Vega Primer/Multigen Creator软件开发了导弹飞行视景仿真系统。围绕实体建模、特效设计、模型驱动、视点切换、碰撞检测等关键技术,实现了导弹拦截来袭飞机的攻防对抗过程可视化仿真。实际效果表明,本系统界面友好,仿真效果逼真,交互性良好。     

工业机器人在航天器装配应用中的质量安全管理

为解决航天器装配中大质量设备安装及人员安全保证问题,对工业机器人在航天器装配应用中的质量安 全管理进行研究。依据航天器装配中应用工业机器人的特点,通过激光扫描传感器实现机器人移动平台的碰撞预警, 对移动平台的防倾覆进行受力分析,采用柔顺控制方法,实现机器人对外界环境的柔顺响应;同时,提出在管理上 采取措施以规范、约束操作者的行为,达到在装配过程中的质量保证。该研究可为其他类似的自动化设备应用提供 参考。