亚毫米级弹丸光电探测技术

本文在片光遮挡式弹丸探测技术基础上发展了光电阵列探测亚毫米级弹丸技术,论述了光电阵列探测亚毫米弹丸的技术原理,详细介绍了光电阵列探测系统的探测光路和探测电路设计方案,研制了光电阵列探测系统的动态试验验证装置。在超高速碰撞靶上开展了动态验证试验,试验结果表明,采用光电阵列探测技术,大幅提高了弹丸信号的信噪比,能够可靠探测直径为0.6mm的高速弹丸,通过分析表明该技术能可靠应用于直径为0.1mm高速弹丸的探测。

装甲车辆易损性的一种定量计算方法

为研究地面目标的易损性,文中以某简化坦克目标在脱壳穿甲弹打击下的易损性分析为例,介绍了装甲车辆易损性的一种定量计算方法。该方法采用了故障树分析和平行射线扫描法等易损性分析技术,利用自主开发的易损性分析软件完成易损性定量计算。计算结果表明:坦克侧面的M级毁伤概率、P级毁伤概率较高,而坦克正面和背面的F级毁伤概率则较高。

战场目标易损性分析仿真软件的开发与应用

针对动能打击下的目标易损性分析,结合射线跟踪法,设计与实现了战场目标易损性分析仿真软件。该软件由数据库模块、目标描述模块、毁伤元描述模块、弹目交会模块、易损性分析模块和可视化输出模块等6大模块组成。详细介绍了软件各组成模块的功能特性和关键技术,并给出了软件的应用实例。该软件能较好地预测毁伤元、碎片云/二次碎片对导弹、卫星、坦克等目标的高速、超高速撞击毁伤效果,评估目标的易损性,具有推广应用于其他各类战场目标易损性分析评估的基础。

一种提升近地小行星防御中拦截效率的方法

利用核爆直接炸毁小行星或改变小行星的轨道以避免其与地球相撞,是近地小行星防御最主要的手段之一。文章基于美国爱荷华州立大学的超高速小行星拦截器(HAIV)概念,提出一种将原撞击引导器改为长杆撞击器的方案,采用自主研发的欧拉型冲击动力学仿真软件NTS模拟长杆撞击器对小行星连续开坑的过程,并在仿真中加入能量源以模拟核爆装置在不同深度爆炸对小行星产生的偏转与破坏效应。研究结果表明,采用长杆撞击器并合理控制撞击速度,能够引导核爆装置进入更深的地下爆炸,从而更加高效地耦合核爆能量,提升偏转小行星或直接摧毁小行星的能力。

卫星在空间碎片撞击下的易损性分析方法研究

针对厘米/毫米级空间碎片对卫星的撞击风险评估,在对卫星部件的失效模式及影响分析(FMEA)的基础上,结合射线跟踪法和失效树分析法建立一种卫星目标的易损性分析方法,计算卫星在空间碎片撞击下导致不同损伤等级的系统失效概率PK/H。详细介绍了该易损性分析方法的总体思路和各项关键技术,并给出了应用实例。该方法可推广应用于载人航天器上,对于航天器的撞击风险评估和防护结构优化设计有重要意义。

不同密度弹丸对水冰的超高速撞击成坑实验

为了研究冰冻天体表面撞击坑的形成与演化,开展了水冰的超高速撞击成坑实验。使用二级轻气炮发射1.0 mm直径的球形弹丸,以3 km/s、5 km/s和7 km/s速度对圆柱状冰块进行撞击。弹丸材料包括聚碳酸酯和不锈钢两种,冰块温度为253 K。实验观察到了不同弹丸和不同速度条件下,冰块中撞击坑的形貌特征。对撞击坑直径、深度和剖面形状进行了测量,并与文献中铝弹丸对水冰的撞击坑进行了比较分析。获得了水冰撞击坑特征随撞击参数的变化规律,结果表明:撞击坑直径和深度的主导机制不同,坑深主要由弹丸侵彻作用形成,而坑径主要由冰块的剥落所致;坑深比坑径具有更强的对于弹丸密度的依赖性,高密度弹丸撞击坑直径具有比低密度弹丸更强的对于撞击速度的依赖性;撞击坑体积与撞击能量成正比,高密度弹丸形成的撞击坑直径表现出"能量缩比"行为,而低密度弹丸形成的撞击坑直径表现出"动量缩比"行为。

航天器碰撞解体碎片分析软件SFA2.0及其应用

为了实现对航天器在轨解体事件及其碎片分布特性的快速分析,中国空气动力研究与发展中心(CARDC)开发了SFA(Spacecraft Fragmentation Analysis)软件。该软件主要基于CSBM航天器解体模型开发形成,同时集成了NASA的标准解体模型。SFA软件具有解体程度分析、解体碎片生成、碎片分布统计等功能,并可以实时显示计算结果、绘制统计曲线。文章着重介绍了SFA软件2.0版的功能模块、主要算法、界面及使用方法等,并针对Iridium 33-Cosmos 2251碰撞、Solwind P78航天器解体等在轨事件进行了分析。

基于PVDF敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术

从理论和实验两个方面开展了基于PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电薄膜敏感器的空间碎片撞击航天器感知定位技术研究,分析了基于双曲线理论的定位方法,并在理论分析的基础上,利用气枪和超高速弹道靶分别开展了平面铝板、曲面铝板等单层结构和Whipple结构下的验证实验。弹丸速度范围100m/s-3km/s,实验靶材为2mm厚的单层铝板和铝板厚为1mm、前后间距为10cm的Whipple结构,靶材上安装了4个PVDF传感器。研究结果表明:基于PVDF传感器的感知定位技术可实现空间碎片撞击航天器的位置定位,是一种可应用于航天器在轨感知空间碎片撞击系统的可选技术。

一种基于易损性分析的空间碎片撞击风险评估方法

针对航天器空间碎片撞击风险评估问题,提出一种基于易损性分析的风险评估方法。该方法考虑了空间碎片超高速撞击航天器外部结构产生的二次碎片/碎片云粒子分布问题,采用射线跟踪法对二次碎片/碎片云粒子的弹道轨迹进行描述,同时考虑了航天器内部部件的结构失效和功能降阶问题,利用失效模式及影响分析和失效树分析法建立了部件的不同失效模式与卫星分系统、卫星预定任务的影响关系,提出了部件失效概率p_k和系统失效概率P_k的计算方法,并应用该方法对卫星在空间碎片超高速撞击下的撞击风险进行了分析,得到了初步的结果。

基于CVAE的超高速碰撞碎片云运动过程的快速预测技术

在航天器防护构型设计中,需要快速、精确预测空间碎片超高速撞击防护屏产生碎片云的质量分布及其运动过程。采用深度学习方法,基于条件变分自编码器(CVAE)模型和大量铝球超高速正撞击铝板的光滑粒子流体动力学(SPH)方法的数值模拟结果,初步构建了碎片云空间质量分布与运动特征的快速预测模型。数值模拟中把铝球速度(3.00~8.00 km/s)、铝球半径(2.00~8.00 mm)、铝板厚度(1.000~4.000 mm)以及观测时间(1.0~12.0μs)4个变量作为输入控制参数,生成大量格式统一的训练集数据。模型隐藏层采用200个特征数据来描述碎片云质量分布,训练集参数范围内平均误差在0.6%以内,生成一个碎片云质量分布的平均时间小于7 ms。

最优输运无网格方法及其在液滴表面张力效应模拟中的应用

基于网格的数值方法(如有限元、有限体积、有限差分等)在大变形、不连续等问题中遇到挑战,因此人们提出了多种无网格方法.最优输运无网格方法是一种新型拉格朗日无网格方法,但是继承了有限元方法在边界表征、边界处理等方面的优势,在表面张力模拟中具有较大潜力.基于拉格朗日方程,通过将表面张力势能加入拉格朗日函数,得到的表面张力广义力精确地作用在流体表面,而且表面张力系数是唯一的输入参数.给出了最优输运无网格方法轴对称离散格式.通过对二维/三维泊肃叶流、静止和振动的液滴、液滴变形等典型问题的仿真分析,验证了最优输运无网格方法在表面张力问题模拟中的精度和收敛性.

空间目标碰撞概率的等效矩形域快速算法

针对线性相对运动假设下的碰撞概率计算问题,提出了等效矩形域方法。利用该方法将概率积分计算进行近似处理,推导出概率密度积分的解析表达式。针对空间目标误差椭球形状固定的情况,给出了最大碰撞概率的计算方法。对目标在交会时刻相距较远和接近碰撞的情况进行了碰撞概率以及最大碰撞概率计算。通过将计算结果与空间压缩无穷级数法的对比,验证了等效矩形域方法近似计算碰撞概率积分的可靠性,同时对于不同的碰撞概率计算情况,等效矩形域方法显示出更高精确度和更好的估计偏差稳定性。

近地小行星动能撞击的最优撞击方案分析

通过动能撞击潜在威胁小行星以使其轨道偏转,是目前而言技术成熟度最高且也是未来最为可行的行星防御方案之一。分析确定对小行星的最优撞击位置和撞击方位,以最大化轨道偏转效果,对于动能撞击防御方案的设计具有重要意义。论文以偏转Apophis小行星为例,给出一种最优撞击方案的初步设计方法。首先,根据小行星和地球的轨道交会几何关系,分析确定动能撞击的轨道偏转目标;随后,将小行星受动能撞击简化为航天器的脉冲推力变轨,利用二体轨道理论,推导得到在预定偏转目标下,撞击器对小行星的最优撞击位置和撞击方位;最后,建立小行星受摄运动的数值轨道预报模型,对最优撞击方案下小行星的实际轨道偏转量进行评估验证。结果表明,该撞击方案的轨道偏转效果与实际情况基本吻合,证明所提的优化方法对于精细化的撞击防御方案设计具有一定参考价值。