【摘要】：隨著航天事業(yè)的發(fā)展,越來越多的空間碎片遺留在地球軌道上,特別是被稱為危險碎片的毫米級碎片,既難以通過變軌機(jī)動的方式“躲”,又難以被防護(hù)結(jié)構(gòu)“防”,是航天器特別是如空間站等長壽命、高可靠、大型航天器在軌安全運行的主要威脅。針對該問題人們提出了在軌感知技術(shù),主要功能包括:是否受到撞擊之“判”、定位撞擊坐標(biāo)之“定”及推測損傷模式與程度之“損”。其中,以基于聲發(fā)射的在軌感知技術(shù)最受學(xué)術(shù)界和工程部門關(guān)注。迄今為止,對于平面或規(guī)則柱面航天器壁板結(jié)構(gòu),“判”和“定”已趨于成熟;而對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究尚比較缺乏。已有方法受到實驗環(huán)境、地面模擬實驗件的尺寸、結(jié)構(gòu)及材料等多方面限制,并且存在識別能力偏低、計算速度偏慢等問題,是在軌感知技術(shù)工程化應(yīng)用進(jìn)程中亟待解決的關(guān)鍵問題。針對上述問題,采用地面模擬實驗與數(shù)值仿真相結(jié)合的技術(shù)手段,基于聲發(fā)射技術(shù),重點開展了復(fù)雜結(jié)構(gòu)撞擊源定位、表征損傷的特征參數(shù)設(shè)計、損傷模式識別和損傷程度估計模型,以及工程應(yīng)用技術(shù)等研究工作。建立了能夠識別鋁合金平板及蜂窩板等典型航天器壁板結(jié)構(gòu)受空間碎片撞擊后的損傷模式,并能夠估計其損傷程度的損傷模式算法模塊。主要研究工作如下:在分析信號主要特征規(guī)律基礎(chǔ)上,提出了可去除反射信號的多尺度化自動時間窗小波濾波方法。通過數(shù)值仿真分析獲得了時間、頻率、各模態(tài)(模式)特征峰值、能量等參量隨撞擊載荷(撞擊速度、彈丸直徑)、傳播距離的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,分析了無反射工況下頻率、能量與模態(tài)特征關(guān)系,進(jìn)而設(shè)計了適配傳播距離的多頻率尺度-模態(tài)自動時間窗小波濾波方法。該方法可突破由實驗件尺寸效應(yīng)帶來的特征參量反射信息混疊限制,為量化分析損傷模式和損傷程度,提供不依賴于試件尺寸的通用特征參數(shù)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。建立了由雙自動閾值到達(dá)時刻算法和虛擬近鄰定位算法構(gòu)成的區(qū)域-坐標(biāo)定位算法模塊。對信號采樣序列實施等長分塊壓縮,通過基于噪聲水平的“塊到達(dá)閾值”和“塊校正閾值”判斷和選擇到達(dá)時刻所在之“塊”,并于“塊”中搜索到達(dá)時刻,設(shè)計得雙自動閾值法。在基于距離的區(qū)域定位基礎(chǔ)上,進(jìn)一步將訓(xùn)練樣本集根據(jù)與傳感器組合的距離進(jìn)行分塊,采用數(shù)據(jù)融合切換方法解決定位網(wǎng)絡(luò)邊界的算法選擇問題,進(jìn)而通過構(gòu)建鏡像虛擬訓(xùn)練樣本,設(shè)計了基于距離加權(quán)的虛擬近鄰定位算法。在某載人密封艙體進(jìn)行低速撞擊驗證結(jié)果表明,該定位算法模塊具有較高的計算速度和精度,訓(xùn)練強(qiáng)度一定,結(jié)構(gòu)尺寸越大、傳感器節(jié)點越多,平均定位精度越高。所獲到達(dá)時刻和定位坐標(biāo)是損傷模式識別過程中,提取時間和距離相關(guān)特征參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在K-W檢驗優(yōu)選特征參數(shù)組合的基礎(chǔ)上,建立了先以相關(guān)向量機(jī)識別損傷模式,再用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估計損傷程度的損傷模式算法模塊。通過特征幅值歸一化降低實驗環(huán)境帶來的不確定性,在定位的基礎(chǔ)上以自動時間窗小波濾波去除反射信息,并采用范數(shù)量化得小波范數(shù)特征參數(shù)。通過K-W檢驗分析時頻和小波范數(shù)特征參數(shù)對損傷模式和程度的分類能力,并與傳播距離共同作為損傷模式識別算法的輸入。地面模擬實驗結(jié)果表明,對鋁合金平板和蜂窩板損傷模式的識別率分別約為90%和96%,成坑和穿孔損傷程度估計的誤差均小于毫米級別。更重要的是,該算法突破了地面模擬實驗樣本量不足對識別能力的限制,有效降低了實驗環(huán)境、實驗件尺寸及結(jié)構(gòu)(材料)對損傷模式識別的限制,是實現(xiàn)典型航天器超高速撞擊損傷模式識別工程化的關(guān)鍵。提出了定位容錯算法和損傷模式修正算法模塊。通過在線故障診斷排除故障節(jié)點,提出了剩余傳感器網(wǎng)絡(luò)定位容錯算法,并通過某載人密封艙體低速撞擊實驗,驗證了虛擬近鄰定位法容錯能力。分別采用數(shù)值擬合、數(shù)據(jù)融合與雙閾值法反饋標(biāo)準(zhǔn)誤的方式,針對對損傷模式識別算法的輸入?yún)?shù)、決策過程和損傷程度估計結(jié)果提出修正方法,建立了損傷模式修正算法模塊,提高了識別精度,較大程度上降低了“風(fēng)險漏報”的可能。定位容錯是在軌感知系統(tǒng)通道故障后的應(yīng)對策略,損傷模式修正是提高損傷模式識別模塊精度的重要方法,此二者均是損傷模式識別工程化進(jìn)程中的重要問題。綜上所述,本文通過對超高速撞擊損傷模式識別工程化過程中若干問題的研究,在設(shè)計新型特征參數(shù)和定位模塊的基礎(chǔ)上,建立了針對典型航天器結(jié)構(gòu)的快速、高精損傷模式算法模塊及相應(yīng)的工程應(yīng)用技術(shù),并通過地面模擬實驗驗證了各模塊的有效性。所取得成果能夠用于處理典型航天器壁板結(jié)構(gòu)損傷模式識別,既可突破實驗環(huán)境和對象尺寸的限制,又可適應(yīng)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料等問題,對損傷模式識別工程技術(shù)應(yīng)用具有一定參考價值,可為開發(fā)集“判”、“定”、“損”為一體的在軌感知工程樣機(jī)提供必要技術(shù)支持。
【圖文】：

圖 1-1 空間碎片數(shù)量逐月增長趨勢[8]Fig. 1-1 Monthly Number of Objects in Earth Orbit by Object Type泛分布的危險及小碎片與航天器發(fā)生碰撞時，會造成航天器響太空任務(wù)的順利完成，嚴(yán)重的會造成航天器蒙皮破損、功險碎片與載人航天器發(fā)生撞擊甚至可能威脅航天員的生命[9]。 STS-32 任務(wù)帶回的空間環(huán)境探測裝置(LDEF)，，在其結(jié)束為后，表面可觀測到的空間碎片撞擊痕跡數(shù)以百萬計，其中肉約有 3.2 萬[10]。1996 年法國的微型軍事偵查衛(wèi)星“CERIS

a) 撞坑a) Crater damageb) 穿孔b) Hole damage圖 1-2 國際空間站受空間碎片撞擊損傷Fig. 1-2 Space Debris hypervelocity impact damage on International Space Station為應(yīng)對空間碎片環(huán)境帶來的一系列問題，1993 年由美國國家航天局ASA)、俄羅斯聯(lián)邦航天局(RKA)、歐空局(ESA)和日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)(JAXA)聯(lián)合成立了機(jī)構(gòu)間空間碎片協(xié)調(diào)委員會(Inter-Agency Space Debriordination Committee，縮寫 IADC)，用以協(xié)調(diào)各國航天活動，深化空間碎領(lǐng)域技術(shù)協(xié)作和交流，降低由空間碎片超高速撞擊對航天器造成的威脅，我航天局于 1995 年 6 月正式加入該組織。其主要工作方向包括：撞擊風(fēng)險評、防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊特性、超高速撞擊測試技術(shù)、空間碎片減緩及清除、空間碎撞擊感知等。1.2 研究的目的及意義為解決危險碎片難“躲”、難“防”的問題，除開展空間碎片清除，改善間環(huán)境外，最受關(guān)注與重視的是空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)[20]。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：V528;V415

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2588552