超高速撞擊板波特性與聲發(fā)射空間碎片在軌感知技術(shù).pdf

1、隨著人類空間活動(dòng)的增多，空間碎片環(huán)境日益惡化，空間碎片超高速撞擊對(duì)航天器的在軌安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅，成為不可忽略的重要風(fēng)險(xiǎn)因素。作為應(yīng)對(duì)措施，發(fā)展了減緩、規(guī)避、防護(hù)等技術(shù)以保護(hù)航天器的安全。除此之外，人們還提出了一種基于聲發(fā)射技術(shù)的在軌感知系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)航天器遭受空間碎片撞擊的事件，定位空間碎片撞擊點(diǎn)并評(píng)估撞擊的后果。聲發(fā)射技術(shù)作為成功應(yīng)用于某些工業(yè)領(lǐng)域的無損檢測(cè)手段，已經(jīng)發(fā)展了一系列定位與源識(shí)別的方法，但是通常這些方法只適用于

2、特定的聲發(fā)射源類型。目前，對(duì)于由超高速撞擊產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)還明顯不足，因此建立在軌感知技術(shù)需要對(duì)其進(jìn)行深入研究。本文針對(duì)這個(gè)需求開展了關(guān)于超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)及其波源特性的研究。
　　獲取超高速撞擊聲發(fā)射波形是開展研究的基礎(chǔ)，由于加載技術(shù)的復(fù)雜性及對(duì)信號(hào)保真度的要求，首先進(jìn)行了系統(tǒng)的工作，結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真手段實(shí)現(xiàn)了超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)的獲取。利用二級(jí)輕氣炮發(fā)射鋁彈丸超高速撞擊鋁合金靶板，并選用了高阻尼、高共振頻率的壓電探頭

3、采集遠(yuǎn)場(chǎng)聲發(fā)射信號(hào)，建立了超高速撞擊聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。為了從所采集信號(hào)中還原原始波形，利用鉛芯折斷聲發(fā)射信號(hào)及動(dòng)力學(xué)有限元法模擬的原始波形對(duì)傳感器的靈敏度特性進(jìn)行了校準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)所采用的N182探頭對(duì)靶板表面法向速度而并非文獻(xiàn)中提及的法向位移敏感，同時(shí)得到了特定工況下的傳感器局部近似靈敏度。為了彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)手段在發(fā)射能力與機(jī)理研究方面的不足，還采用Lagrange算法仿真超高速撞擊現(xiàn)象以獲取遠(yuǎn)場(chǎng)的法向速度信號(hào)。比較利用速度靈敏度從實(shí)驗(yàn)信號(hào)還原得到

4、的原始波形與同樣工況下數(shù)值仿真獲取的速度波形，結(jié)果表明兩者基本吻合，實(shí)驗(yàn)手段與數(shù)值仿真手段都可以獲取有效的超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)。
　　為了滿足聲發(fā)射定位技術(shù)以及撞擊識(shí)別的需求，對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)的板波模態(tài)特征進(jìn)行了研究。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真手段獲取了Φ1.5～10.0mm、0.05～8km/s鋁彈丸撞擊5mm厚鋁合金靶板產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。利用小波變換對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行辨識(shí)，發(fā)現(xiàn)主要包含S0、A0、S2階板波模態(tài)。為了定量描述各模態(tài)幅

5、度，提出了一種特征幅度的概念，并利用它分別研究了撞擊速度及彈丸尺寸對(duì)各模態(tài)幅度的影響，結(jié)果表明特征幅度可以較好地反映出模態(tài)幅度的定量規(guī)律：在靶板發(fā)生擊穿損傷之前，A0模態(tài)的特征幅度與彈丸的質(zhì)量、速度都近似成正比，S0、S2模態(tài)的特征幅度與彈丸的速度近似成正比；在較高速度時(shí)，A0模態(tài)波形出現(xiàn)反相現(xiàn)象，因而特征幅度會(huì)改變符號(hào)。
　　撞擊點(diǎn)定位是在軌感知系統(tǒng)的基本功能，而合理的定位方案必須基于超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)的特征。超高速撞擊聲發(fā)射

6、采用的時(shí)差定位技術(shù)由到達(dá)時(shí)間確定算法與定位算法組成：針對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)具有較強(qiáng)頭部波形的特點(diǎn)利用改進(jìn)的閾值法獲取了第一到達(dá)時(shí)間，針對(duì)其板波模態(tài)特征利用小波譜分析方法獲取了第二到達(dá)時(shí)間；在最小二乘算法的基礎(chǔ)上，提出了最小時(shí)標(biāo)方差定位算法。利用上述算法進(jìn)行了超高速撞擊定位實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：經(jīng)過改進(jìn)的閾值法比小波變換方法獲取的到達(dá)時(shí)間精度更高，時(shí)標(biāo)最小二乘算法具有穩(wěn)定性強(qiáng)，精度高的優(yōu)勢(shì)，兩者結(jié)合可以較好地解決超高速撞擊定位的工程問題。

7、r>　　聲發(fā)射源機(jī)理分析是聲發(fā)射基礎(chǔ)研究的前沿領(lǐng)域，在了解高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)這種聲發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了初步研究。通過對(duì)超高速撞擊過程的分析，認(rèn)為聲發(fā)射信號(hào)是沖擊載荷激發(fā)的遠(yuǎn)場(chǎng)彈性應(yīng)力波，在此基礎(chǔ)上建立了法向沖擊力和徑向沖擊力的模型，利用這種模型，分析了超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)中觀察到的主要模態(tài)的產(chǎn)生機(jī)制：A0模態(tài)主要由法向沖擊力加載產(chǎn)生，其特征幅度與法向沖量近似成正比，在靶板被擊穿之前也與彈丸具有的動(dòng)量近似成正比；S0和