微小粒子群高速撞击航天器光学部件损伤特性研究

发布时间：2020-05-05 20:02

【摘要】：随着空间碎片环境日益恶化,地球低轨道上布满了数量巨大的微小空间碎片(微纳米级),其累积撞击会造成航天器太阳能电池板、光学镜头和热控涂层等功能部件严重损害或功能降阶,美欧等航天大国从上世纪70年代开始,通过微小碎片天基探测和地面模拟实验研究,已获得了微小碎片的撞击损伤特性。由于毫米级甚至尺寸更大的空间碎片撞击航天器部件会溅射出微米甚至纳米级的微小粒子群,固体火箭发动机燃烧的生成物也会形成微小粒子群,微小粒子群撞击航天器光学部件不仅会形成撞击坑,还会在特定条件下形成吸附层这一特殊损伤模式,降低光学部件性能。此外,从空间战略防御角度出发,单个微小粒子发射能力的加速器及相关的损伤特性研究已不能满足需求。因此,满足微小粒子群发射需求的设备及相关损伤特性研究亟待解决。鉴于以上应用背景,为了实现粒子群撞击对航天器光学部件的损伤特性研究,本文提出了一种基于二级轻气炮系统的微小粒子群发射技术,以玻璃靶模拟航天器光学部件,进行几种典型材料微小粒子群撞击玻璃靶实验,讨论玻璃靶的成坑、吸附层等损伤特性。在粒子独立撞击玻璃靶的损伤过程与损伤模式、粒子群撞击玻璃靶形成的吸附层形貌特性以及粒子群着靶运动模式研究基础上,探讨吸附层形貌的形成机制。基于现有用于毫米级粒子发射的二级轻气炮系统,提出一种基于二级轻气炮系统的微小粒子群发射技术。针对微小粒子群发射的技术要求,通过对二级轻气炮系统相关部组件实施改进设计,实现了微小粒子群发射和速度测量,其中包括:改进弹托设计,满足粒子群发射量需求;改进弹托分离装置,达到弹托分离效果;设计基于通断原理的三层绝缘线网结构的测速装置,实现粒子群平均速度测量;设计高速气流阻挡装置,达到降低二级轻气炮驱动气体进入靶舱后形成的高速气流冲击强度的效果。通过实验验证了微小粒子群发射技术的有效性。获得典型材料微小粒子群撞击玻璃靶损伤特性,并分析粒子群着靶形式以及粒子群着靶数量和速度对吸附层形成的影响。采用微小粒子群发射技术进行四种典型材料粒子群撞击玻璃靶实验,结果表明不同材料微小粒子群撞击玻璃靶的损伤特性各异,并初步分析了影响玻璃靶损伤特性的因素;采用氮化钛微小粒子群撞击涂层靶实验,结果表明微小粒子群撞击目标靶并不是简单的粒子累积撞击,而是存在复杂的弹靶作用过程;开展粒子群着靶速度和数量对吸附层这一损伤特性的影响研究,初步获得了氮化钛粒子群在发射量约为0.8 g、速度约1.1~1.3 km/s范围内能够形成分布范围较大的吸附层。为了对吸附层形貌形成机制研究奠定基础,利用实验和数值仿真相结合的技术手段,开展粒子独立撞击玻璃靶的损伤模式和损伤过程研究。实验结果表明,三氧化二铝、氮化钛和银粒子在本文速度范围内撞击玻璃靶的损伤模式为成坑;建立单粒子撞击玻璃靶、铜靶的数值仿真模型,获得了三氧化二铝粒子撞击玻璃靶的损伤模式为成坑,冷喷涂技术中的铜粒子撞击铜靶的损伤模式为铜靶成坑并与铜粒子结合。实验与数值仿真均表明,粒子的独立行为撞击导致的玻璃靶损伤模式为成坑,初步判断微小粒子群撞击玻璃靶在特定条件下形成的吸附层损伤模式不是因为粒子嵌入等直接的结合方式与玻璃靶结合所致。开展吸附层摩擦力分布特性以及吸附层的几何、物理特性研究,并基于离散元法建立粒子群撞击玻璃靶数值仿真模型,探讨吸附层形貌的形成机制。采用摩擦力作为吸附层特性的表征方式,通过对不同实验参数下氮化钛粒子群撞击玻璃靶形成的吸附层摩擦力以及撞击铝合金靶后摩擦力测试与分析,获得了吸附层形貌形貌特性。以氮化钛粒子群撞击玻璃靶为例,采用离散元法建立了粒子群撞击玻璃靶过程的数值仿真模型,并通过实验对比验证了模型的有效性。研究结果表明,粒子群撞击玻璃靶过程中存在往复“撞击-反弹”、堆积、辐射状运动等过程的复杂着靶运动模式,而这种运动模式是吸附层形貌形成的重要机制。综上所述,针对微小粒子群撞击玻璃靶损伤特性,本文提出了一种基于二级轻气炮的微小粒子群发射技术,并进行了典型粒子材料的微小粒子群撞击玻璃靶实验,重点对形成吸附层这一损伤特性开展了相关研究。在对粒子的独立撞击行为导致的玻璃靶损伤模式以及吸附层形貌特性研究基础上,通过建立粒子群撞击玻璃靶数值仿真模型,获得了粒子群撞击玻璃靶过程中的着靶运动模式,并探讨了吸附层形貌的形成机制。本文研究结果将为航天器光学部件遭受碎片云团撞击时的损伤评价及空间防御技术研究提供技术参考。
【图文】：

空间碎片,可观测,数量变化

图 1-1 可观测空间碎片数量变化[1]Fig. 1-1 Number of detectable space debris in earth orbit by object type航天器在轨运行期间遭遇空间碎片撞击事件频繁发生。例如 1996 年法RISE”电子侦察卫星在轨运行期间被 1986 发射的阿丽亚娜（Ariane）残骸（速度 14 km/s）撞断了重力梯度杆，导致“CERISE”姿态失控[4]一块空间碎片撞击美国航天飞机“奋进号”散热器，导致散热器被击撞击面形成了直径 5.5 mm 的穿孔，由此产生的二次碎片云撞击造成其壳损伤[5]。2009 年美国的通信卫星“铱星 33”与俄罗斯已经废弃的军

表图,空间碎片,地球轨道,模型更新

哈尔滨工业大学工学博士学位论文无发射任务情况下的空间碎片数量增长预测[7]，图 1-2 中阴影部分表图 1-3 中虚线为原模拟结果，实线为模型更新后的模拟结果。由图10 年，，按目前正常的航天器任务发射频率，尺寸大于 10 cm 的空间碎量将接近 100000 个，其中地球低轨道（LEO）的增长量几乎占到了 70%左右；若未来 200 年间不再有发射任务，LEO 上大于 10 cm 的量将接近 13000 个，与有发射任务相比减少了约 57000 个。可以看上碎片数量巨大，因此，空间碎片撞击所带来的潜在威胁应引起足
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V528;V415

【参考文献】