基于射线法的空间碎片撞击航天器生存力评估

发布时间：2020-05-09 12:19

【摘要】：空间碎片对航天器的在轨运行造成了严重的威胁[1],许多国家在航天任务规划阶段就将空间碎片的影响纳为重点研究问题。目前,防护设计是提高航天器抵御空间碎撞击威胁能力的主要手段,空间碎片环境下航天器生存力评估是实现防护设计的重要依据。目前的风险评估软件在计算空间碎片撞击概率时,将航天器表面进行有限元划分,以面元为单位进行敏感性计算。航天器结构复杂,表面众多,这样的方法具有效率低下的缺点。此种处理方式在与易损性算法结合时也带来了问题:在分析航天器内部部件时,很难得到撞击到内部部件上的空间碎片具体参数,因此对计算内部部件击穿情况及失效概率时只能应用有限的几种失效准则。针对这两个问题,本文介绍一种基于射线法的空间碎片撞击航天器生存力评估方法。文章对该生存力评估方法的总体方案进行了介绍,给出了空间碎片环境下影响航天器生存力的关键因素和建模方法。阐述了基于虚外墙法的航天器敏感性分析方法和兼容多种失效准则的航天器易损性分析方法的具体方案,明确二者涉及的关键问题并给出解决思路。为解决敏感性算法中初始射线生成问题,本文提出了虚外墙法。给出了虚外墙法的具体实现步骤,和虚外墙的特征参数。通过防护手册标准工况仿真,验证了虚外墙法和敏感性算法的正确性,得到了本文敏感性算法比S3DE经典算法效率更高的结论。为模拟超高速撞击碎片云的轨迹与行为,本文提出了射线模拟碎片云方法,给出了方法的具体实现步骤。应用该方法对碎片撞击Whipple板形成的碎片云进行仿真,仿真结果特征与地面实验碎片云特征一致,证明射线法模拟碎片云方法的正确性。应用基于射线法的空间碎片撞击航天器生存力评估方法进行了软件开发,作为生存力评估软件S3DE的一个生存力解算模式,介绍了软件的总体框架和操作界面。应用软件对模拟卫星进行生存力分析,分析结果与S3DE经典算法结果一致,证明了本文介绍的生存力算法的正确性。本文的研究成果提供了一种高效且支持多种失效准则的空间碎片撞击航天器生存力分析方案,给出了其中关键问题的解决方法,具有一定工程应用价值。
【图文】：

分布情况,碎片,微流星体,国际空间站

风险评估技术并不足以对航天器失效情况进行充分准展开了有关航天器易损性的研究，其中 NASA 对于易相当成熟，并针对典型部件的易损性进行了大量的实动的逐渐频繁，研究人员开始尝试更加有效的对在轨航天器生存力分析应运而生。究进展早展开易损性研究工作的国家，但由于保密性等原因文章较少。NASA 针对卫星开发了 HIVAM(HyperArea Model）模型，该模型通过对战斗机模型的易损性行应用，可以进行定量、快速的计算卫星承受碎片超过三次样条插值的方法使 MMOD 从低速到高速再到超。HIVAM 包括三种失效准则：单个碎片或二次碎片的碎片云动量）；碎片云冲击下部件的速度增量。该模型基定撞击下，碎片路径、二次碎片云的分布情况以及各问题，如图 1-1 所示。

流程图,总体评估,软件,流程

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文难性失效概率 PNCF(Probability of No Catastrophic Failure)的相关研究。针对间站，NASA 开发了 MSCSurv 软件。国际空间站灾难性失效主要指舱体或员的损失，而 PNCF 的计算考虑了空间碎片或微流星体穿透舱壁后的影响效括载人舱失压速度、宇航员的应对以及国际空间站被击穿后的普通影响效应SCSurv 软件的总体评估流程如图 1-3 所示，其中考虑到的灾难性事件包括穿孔或裂纹、关键部件损失、冲击力导致的结构失效、宇航员缺氧、宇航、致命性舱体泄压等。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V528

【参考文献】