铝球超高速撞击铝板反溅碎片云团辐射特性研究

通过超高速撞击试验，获得了铝球撞击铝板反溅粒子云团在250～340nm波段的辐射特征光谱。在该波段辨认出铝原子的六条特征谱线，并对其伴线进行了解耦。根据所测光谱数据，使用多谱线法测量出不同撞击条件下的超高速撞击反溅粒子云团的温度，发现超高速撞击反溅粒子云团温度随弹丸直径和撞击速度的增加而增加；相较弹丸直径，反溅粒子云团温度对撞击速度更加敏感；最后拟合出反溅粒子云团温度与撞击参数之间的经验公式。对每条谱线波峰和整个波段分别进行了积分，研究发现谱线波峰积分强度、整个波段积分强度均与弹丸动能呈线性关系，并获得了谱线波峰积分强度与撞击动能之间的斜率系数，该系数可以表征在超高速撞击条件下该峰值的辐射效率。最后结合所得超高速撞击反溅粒子云团温度经验公式推导出基态原子数与撞击参数之间的关系，在此基础上探讨了超高速撞击反溅粒子云团原子离化率、气化率与撞击参数的关系。

掺溴非晶碳梯度薄膜的制备与分析

采用低压等离子增强化学气相沉积法用溴乙烷、氢气制备了掺溴的非晶碳梯度薄膜。通过样品的XPS能谱分析研究了薄膜沉积速率与氢气流量、溴元素原子分数与溴乙烷流量以及溴元素原子分数与刻蚀时间之间的关系,得出了溴乙烷流量、刻蚀时间对薄膜的主要键态含量、C元素sp2/sp3键态杂化比和薄膜硬度的影响。结果表明:薄膜沉积速率随氢气流量的增加而线性减小,溴元素含量随溴乙烷流量的增加先增加后降低,刻蚀时间越长,溴乙烷流量越小,薄膜越硬。

带隔热层蜂窝夹层结构的超高速撞击特性研究

带隔热层的蜂窝夹层结构是航天器常用的结构材料。针对带隔热层蜂窝夹层结构开展了超高速撞击试验研究和数值模拟。通过试验获得了带隔热层蜂窝夹层结构的弹道极限方程,并利用该方程计算了带隔热层前板的等效厚度;同时采用光滑质点流体动力学(SPH)和有限元(FE)耦合的方法,对蜂窝夹层结构的超高速撞击过程进行了数值模拟,模拟结果表明:蜂窝芯限制了碎片云的径向膨胀,碎片云轴向流的导流和分流作用。

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

介绍空间碎片超高速碰撞试验方面的研究进展,主要包括:试验能力、在航天器部件和防护结构方面的超高速碰撞试验等。在试验能力方面,发展了8序列激光阴影照相技术,为瞬态撞击过程监测提供了有效手段;在超高速碰撞试验研究方面,开展了温度对Whipple防护屏弹道极限的影响研究、铝合金板的超高速撞击碎片云特性研究,以及舷窗玻璃、压力容器、舱外航天服、模拟电子设备等的超高速碰撞试验,获得了相关试验件的撞击特性。

定常冲击波作用下六硝基六氮杂异伍兹烷(CL-20)/奥克托今(HMX)含能共晶初始分解机理研究

采用ReaxFF分子动力学方法同时结合多尺度冲击技术(MSST)模拟了4–10 km×s-1定常冲击波加载下含能共晶CL-20/HMX沿不同晶格矢量的初始物理化学响应。获得了系统温度、压力、密度以及粒子速度的时间演化路径,以及初始分解路径,最终稳定反应产物和冲击雨贡纽等。研究结果表明:冲击波入射至含能共晶后,物理上依次经历诱导期、快压缩、慢压缩以及膨胀过程。快压缩和慢压缩过程分别对应反应物的快分解和慢分解。采用指数函数对反应物的衰减曲线进行拟合,并比较了共晶中反应物的衰减速率。整体上,随着冲击波速度的增加,反应物响应的时间逐渐提前,并且,冲击波沿各晶格矢量入射后,共晶中CL-20分子分解的响应时间均早于HMX。CL-20快分解阶段的衰减速率最高,HMX快分解的衰减速率居其次。相对于快分解阶段,慢分解阶段各反应物的衰减速率差异较小。含能共晶的初始反应路径是CL-20聚合形成二聚体,而冲击诱导共晶分解的初始反应路径是CL-20中N-NO2键断裂形成NO2。随后产生N2O,NO,HONO,OH,H等中间小分子。最终稳定产物是N2,H2O,CO2,CO和H2。晶格矢量b,c方向冲击感度相同,低于晶格矢量a方向的感度。冲击诱导共晶中CL-20和HMX分解的最小冲击波速度(us)分别为6 km×s-1和7 km×s-1。采用冲击雨贡纽关系计算得到沿晶格矢量a,b,c冲击诱导CL-20/HMX共晶起爆的压力分别为16.52 GPa,17.41 GPa和17.41 GPa。爆轰压力范围介于36.75 GPa–47.43 GPa。

一种新的卫星超高速撞击解体阈值模型研究

为定量描述卫星在超高速撞击下的解体阈值与解体程度,本文提出了一种新的卫星解体阈值模型,即用能量密度em(来袭物动能与卫星在撞击通道内的质量之比)的大小来判断卫星是否发生解体,用卫星解体后碎片累积质量统计曲线中平滑无突变部分的碎片质量与碎片总质量之比μc来描述卫星的解体程度,μc越大,卫星解体程度越高。采用数值仿真方法获得了卫星最小解体撞击能量密度阈值为3.62×102J/g,研究了不同em和不同η(卫星在撞击通道内的质量与卫星总质量之比)条件下卫星解体碎片的统计规律,建立了μc与em和η之间的函数关系,初步完成了这种新的卫星超高速撞击解体阈值模型的构建。

卫星超高速撞击解体碎片特性的试验研究

为了研究超高速撞击下卫星解体碎片的分布特性,在弹道靶上开展了三次模拟卫星的超高速撞击试验。发射铝合金钝锥弹丸以3.2km/s～4.2km/s的速度撞击模拟卫星,对解体碎片进行回收、测量和统计分析,结果表明:碎片累积数量与碎片特征尺寸/特征质量在对数坐标系中基本呈直线关系,且碎片尺寸分布和质量分布在形式上和规律上具有高度相似性。通过数据拟合得到了碎片尺寸和质量分布的具体函数形式,分析了碎片质量分布与尺寸分布之间的内在关系。将试验结果与NASA标准解体模型进行了比较,讨论了两者的差别及其原因。

CL-20/HMX共晶冲击起爆模拟

采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为,获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据,以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示,共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO2键断裂,主要稳定产物是N2、CO2和H2O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加,并且逐渐接近,但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。

冲击诱导CL-20/TNT含能共晶初始分解机制

采用ReaxFF反应力场分子动力学方法,同时结合活塞加载模拟了0.8~4.0 km/s撞击速度下CL-20/TNT含能共晶的物理化学过程。冲击波入射至CL-20/TNT共晶中,随着冲击波强度的增加,初始反应路径主要分为3种:当u p=0.8 km/s,冲击压缩作用下CL-20聚合形成二聚体,无CL-20和TNT分解;当u p介于1.0~2.0 km/s,CL-20聚合和分解同时存在,并且聚合和分解的程度随着冲击波强度的增加而增加,但聚合过程占主导;当压缩区压力高于爆轰压力后,冲击引发CL-20/TNT共晶直接分解占主导作用,NO 2的数量明显增多并快速增加,而二聚体的数量逐渐减少。冲击引发CL-20/TNT共晶反应起爆的初始分解路径为CL-20中N-NO2键的断裂,另外,采用冲击雨贡纽关系计算得到CL-20/TNT共晶冲击起爆压力为11.15 GPa。CO2,N2,H2O为支撑能量释放的主要产物,并且,N2首先形成,H2O和CO2随后产生。

后墙拆分结构防护性能的实验和计算对比研究

为验证利用后墙拆分方式提升防护结构性能的可行性,通过开展数值模拟(铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度5.0~8.3 km/s)和超高速撞击实验(铝弹丸直径6.0 mm,撞击速度约8.3 km/s),研究了3种防护结构的性能差异以及不同撞击速度对结构防护性能的影响。防护结构主要包括Whipple结构和两种后墙拆分结构。针对直径6.0 mm铝弹丸分别以5.0、6.0、7.0、8.3 km/s的速度撞击防护结构的工况,借助Autodyn软件开展了数值模拟,并将模拟结果与在弹道靶设备上获得的超高速撞击实验结果进行了对比。模拟结果与实验结果均表明,在相同撞击状态下两种后墙拆分结构的防护性能有所差异,但均优于相同面密度的Whipple结构,且随着撞击速度的提高,这种优势具有增大的趋势。

碳纤维/环氧树脂复合材料3.0~6.5km/s超高速撞击成坑特性研究

为研究碳纤维/环氧树脂复合材料在超高速撞击下的成坑特性,利用二级轻气炮开展了直径为1.00~3.05 mm的铝球以3.0~6.5 km/s的速度正撞击尺寸为100 mm×100 mm×20 mm的碳纤维/环氧树脂复合材料靶板的实验,获得了碳纤维/环氧复合材料靶板的成坑形貌特征,并测量了坑深、成坑表面积、表面损伤面积等尺寸。结合文献数据分析了靶板的无量纲成坑深度p/d_(p)、无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)、表面损伤面积等效直径D_(e)等随撞击速度、撞击能量的变化规律。结果表明:碳纤维/环氧树脂复合材料的无量纲成坑深度p/d_(p)和无量纲坑径系数D_(h)/d_(p)均与撞击速度呈2/3次幂关系;表面损伤面积等效直径D_(e)与弹丸撞击能量E呈幂函数关系;成坑深度大于成坑半径。

质量流量计流量调节自动化的实现

文章分析了MKS公司生产的气体流量控制系统247CFour-ChannelReadout的工作原理,并通过实验得出系统的工作曲线,利用PC机并口和数模转换器的简单连接实现了该系统的自动化调节。其实现方法对一般微电压信号控制仪器的自动化改进有一定的参考价值。

超高速撞击铝板碎片云测量

超高速撞击形成碎片云的形貌及其运动特性可验证仿真计算模型的结果,为建立碎片云模型、研究超高速撞击机理、研制新型防护材料提供基础数据。为了获得超高速撞击铝板形成的碎片云特征数据,开展了阴影成像系统的标定、碎片云阴影成像和数据处理研究,以及光源系统和成像系统同步控制的碎片云前光成像。解决了超高速碰撞过程中强烈火光对碎片云成像的影响,验证了超高速撞击碎片云空间分布及运动特性测量技术。同时将试验结果与数值结果进行了对比。最后,文章还提出了碎片云的前光及阴影成像测量方案。

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。

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SPH数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。

球形气囊的超高速撞击损伤特性试验与仿真研究

低成本、可自主展开的气球卫星是未来卫星技术的应用方向之一,而日益增多的空间碎片是低轨航天器,包括气球卫星所面临的主要威胁之一。为满足气球卫星的生存力分析以及在轨被撞击产生空间碎片的评估需求,开展球形气囊超高速撞击试验与仿真研究,获得了不同材质气囊的撞击损伤特性,并初步揭示弹丸贯穿球形气囊过程的破坏细节以及碎片云团特性,可为空间碎片撞击气球卫星的碎片化特征分析提供支撑。

VB界面下用并口实现多通道质量流量计自动化控制

分析了MKS公司生产的气体流量控制系统247CFour-ChannelReadout的工作原理,并通过实验得出系统的工作曲线,并设计出该仪器与PC并口的接口电路。控制软件用VB高级语言编写,界面友好,操作简便。其实现方法可供一般微电压信号控制仪器的自动化改进参考。

冲击波加载下TNT的初始反应路径及产物光谱特征研究

本文首先通过量子分子动力学方法结合多尺度冲击技术研究固相TNT晶体在冲击波加载下的初始分解反应路径及其产物组分变化.通过综合分析键长变化、电子布居和中间产物的存在寿命三个要素给出了不同冲击波速(3-15 km/s)下2类可能的初始分解路径:在低速冲击下(≤7 km/s),TNT发生部分分解和聚合,分解主要源于C-NO_(2)键的断裂,初始分解产物以NO_(2)为主;在高速冲击下(≥9 km/s)则发生完全分解,分解主要始于六元环的形成,即NO_(2)基团上的O与相邻CH_(3)基团上的H相结合,然后六元环被打破,生成了OH自由基,初始分解产物以CN、CO、C_(2)和OH为主.另外,根据模拟数据我们从理论上给出了TNT(ρ_(0)=1.7 g/cm^(3))冲击Hugoniot关系为U_(s)=3.377+1.363 u.随后以分子光谱理论为基础,采用含时密度泛函理论获取这些主要分解产物的紫外可见吸收谱、荧光发射谱及振动分辨的荧光发射谱.此项研究有助于我们深入认识TNT高温高压状态方程、分解反应机理及主要产物的光学特征,进而支撑超高速碰撞条件下的试验诊断.

超高速撞击RDX光辐射特征测量试验

为探究黑索金(RDX)靶材超高速撞击辐射特征,在超高速碰撞靶上开展了铝球超高速撞击RDX光辐射特征测量试验。获得了2A12铝球以约3 km/s、6 km/s的速度撞击空药盒、盒装RDX、裸装RDX等靶材的紫外、可见光典型波段的光谱辐射强度。试验发现:超高速撞击不同靶材的辐射特性显著不同,撞击空药盒存在1个辐射峰、总辐射时间最短,撞击盒装RDX存在2个辐射峰、总辐射时间次之,撞击裸装RDX存在多个辐射峰、总辐射时间最长;撞击冲击波效应产生的强辐射波段与爆轰产生的强辐射波段显著不同;撞击冲击波效应产生的光谱辐射强度随撞击速度的增大而增强。不同靶材辐射特性的显著差异,可作为目标爆炸程度的判断依据;该试验结果可为理论研究和数值模拟提供参考。

铝-铝超高速撞击气化产物运动特性测量与分析

根据超高速撞击条件下气化产物的产生机理和辐射特性,设计了获取气化产物冲击波运动速度的序列成像测量方法,并在超高速碰撞靶上开展了直径4.5 mm铝球以6 km/s左右速度撞击2A12中厚铝板的试验,测量得到了撞击气化产物冲击波的运动序列图像,对撞击气化产物冲击波运动半径、速度、气化产物总能和波后流场参量分布等进行了定量分析,获得了铝-铝超高速撞击气化产物的运动特性。研究表明:设计的测量方法能很好地获得撞击气化产物冲击波不同时刻的位置信息,可为分析气化产物运动特性提供数据支持;测量所得气化产物冲击波运动半径随时间变化关系与Taylor点爆炸模型拟合结果相符,证明了该模型理论可用于超高速撞击气化产物运动特性相关研究。