超高速碰撞产生的等离子体特性研究

发布时间：2018-01-19 00:30

本文关键词： 超高速碰撞等离子体数值模拟电子温度 SPH方法爆炸　出处：《北京理工大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：在人类航天活动当中经常会遭遇到超高速碰撞问题，对于那些无法规避的毫米级碎片来说，碰撞到航天器是无法避免的，这种小尺寸的碰撞很难对航天器结构造成致命的破坏，但是碰撞过程中产生的电离气体却能够使一些暴露在其中的电子器件遭到不同程度上的破坏。这种多场耦合问题往往具有复杂的物理机制，需要综合多学科知识进行分析才能了解其复杂的物理本质，进而针对这一问题进行预测和防护设计的优化。有鉴于此，本文针对超高速碰撞产生等离子体问题在理论和数值模拟方面开展了深入的研究，为航天器对超高速碰撞产生等离子体的防护设计优化提供了依据。全文创新性的工作如下：（1）在电子温度与电离气体温度热平衡的假设下推导得出描述真实气体电离参数与温度关系的电离平衡方程，通过托马斯费米(Thomas-Fermi)方程给出气体温度与比内能和密度关系，然后采用AUTODYN3D软件进行不同角度下超高速碰撞数值模拟研究，得到空间固定位置处的电离气体的内能与密度，给出电离气体温度并通过电离平衡方程给出空间固定位置处的电离气体电子温度和电导率，将电子温度和电导率与实验结果对比，结果表明，热平衡电离模型在一定程度可以用来预测超高速碰撞的电离情况，但是对于了解超高速碰撞电离机制存在一些不足，并且热平衡假设是条件满足的，因此需要针对电子温度与气体温度非平衡的情况进行讨论。（2）在对热平衡假设下超高速碰撞电离模型的研究基础上，考虑了电子温度与电离气体温度非热平衡的情况，认为电子温度是气体温度和电子密度的函数，据此推导得出化学反应达到平衡时电子温度、气体温度以及电子密度之间的关系，给出反应平衡需要满足的热力学条件，结合正逆反应速率相等关系和孤立系统总能量保持不变，得到含有三个方程的方程组来求解给定能量和质量的孤立系统中的等离子体所具有的电子密度、电子温度和气体温度等参数。针对非热平衡条件下得到的电离模型，通过编写SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流体动力学)程序进行求解，实现了对超高速碰撞中的等离子体产生问题的数值模拟研究，对不同速度下正碰撞问题进行研究，得到了不同速度下产生等离子体电量。与经验公式进行对比，表明了模拟结果与经验公式结果在高速阶段较为符合，在低速阶段得到的模拟结果小于经验公式结果，但是这个低速阶段的范围较小，因此总体上说模拟和理论分析的结果与实验结果符合较好。（3）在上述理论和数值模拟研究的基础上，针对不同碰撞条件产生的等离子体电荷数进行数值模拟研究，首先对改变弹丸碰撞条件分析对产生等离子体的影响，通过不同碰撞速度的模拟研究得到不同速度下产生等离子体总电量，与经验公式对比，发现产生等离子体的临界速度并没有在经验公式中体现出来，据此修正经验公式的形式并根据模拟结果得到拟合参数和临界速度。在相同碰撞速度条件下改变弹丸着靶姿态得到了着靶姿态对产生等离子体总电量和点和分布都有显著影响的结论，并且得到了不同着靶姿态下产生等离子体总电量对持续时间积分基本相同的结果。接着分析靶板参数对产生等离子体电荷数的影响，从模拟结果来看，靶板厚度对超高速碰撞产生等离子体电荷数有一定的影响，但是随着靶板厚度的增加，等离子体电量变化减小，碰撞双层板时，，二次碰撞产生的等离子体电荷数远大于一次碰撞产生的电荷数，前板越薄、板间距越大，二次碰撞产生等离子体电荷数越大。（4）将单一元素电离模型扩展到多种组分元素电离模型，并将其与MMIC3D三维欧拉方法的流体弹塑性程序结合模拟炸药化学爆炸过程中产生等离子体电量，通过将化学爆炸等效转化为超高速碰撞的方法，并根据分离电荷的分离比率不变性质，给出化学爆炸产生等离子体电量和产生的电场强度和磁场强度，与实验结果相对比，证明了多组分电离模型的可靠性，为其在超高速碰撞方面的应用奠定了基础。
[Abstract]:The problem of super high speed collision is often encountered in human space activities . For those millimeter - level fragments that cannot be avoided , collision - to - spacecraft is unavoidable . The small - sized collision is difficult to cause fatal damage to the structure of the spacecraft . The multi - field coupling problem often has a complex physical mechanism . It needs comprehensive multi - disciplinary knowledge to analyze the complex physical essence . Therefore , this paper provides a basis for the optimization of the protection design of the spacecraft for the high - speed collision . The work of the whole - text innovation is as follows : ( 1 ) The ionization equilibrium equations describing real gas ionization parameters and temperature relationships are derived under the assumption of thermal equilibrium between the electron temperature and the temperature of the ionized gas . By means of the Thomas - Fermi equation , the relationship between gas temperature and temperature is given . The electron temperature and conductivity of the ionized gas at the fixed position are given by using the AUTODYN3D software . ( 2 ) Based on the research on the ultra - high speed collision ionization model under the assumption of thermal equilibrium , the relationship between the electron temperature and the electron density is considered , and the relationship between the electron temperature , the gas temperature and the electron density is obtained . ( 3 ) Based on the above - mentioned theoretical and numerical simulation studies , the numerical simulation of the number of plasma electric charges generated by different collision conditions is carried out . The influence of the parameters of the target plate on the generation of plasma electric charge is obtained . ( 4 ) the single element ionization model is extended to a plurality of component element ionization models , and the fluid elastic - plastic program of the MMIC3D three - dimensional Euler method is combined with the fluid - plastic program of the MMIC3D three - dimensional Euler method to generate the plasma electric quantity , and the chemical explosion is converted into an ultra - high - speed collision method , and the electric field intensity and the magnetic field strength generated by the chemical explosion are given according to the separation ratio of the separated charge , and the reliability of the multi - component ionization model is proved , and the foundation is laid for the application of the multi - component ionization model in the aspect of ultrahigh - speed collision .

【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O531

【参考文献】