【摘要】：隨著空間碎片環(huán)境日益惡化,地球低軌道上布滿了數(shù)量巨大的微小空間碎片(微納米級),其累積撞擊會造成航天器太陽能電池板、光學鏡頭和熱控涂層等功能部件嚴重損害或功能降階,美歐等航天大國從上世紀70年代開始,通過微小碎片天基探測和地面模擬實驗研究,已獲得了微小碎片的撞擊損傷特性。由于毫米級甚至尺寸更大的空間碎片撞擊航天器部件會濺射出微米甚至納米級的微小粒子群,固體火箭發(fā)動機燃燒的生成物也會形成微小粒子群,微小粒子群撞擊航天器光學部件不僅會形成撞擊坑,還會在特定條件下形成吸附層這一特殊損傷模式,降低光學部件性能。此外,從空間戰(zhàn)略防御角度出發(fā),單個微小粒子發(fā)射能力的加速器及相關(guān)的損傷特性研究已不能滿足需求。因此,滿足微小粒子群發(fā)射需求的設(shè)備及相關(guān)損傷特性研究亟待解決。鑒于以上應(yīng)用背景,為了實現(xiàn)粒子群撞擊對航天器光學部件的損傷特性研究,本文提出了一種基于二級輕氣炮系統(tǒng)的微小粒子群發(fā)射技術(shù),以玻璃靶模擬航天器光學部件,進行幾種典型材料微小粒子群撞擊玻璃靶實驗,討論玻璃靶的成坑、吸附層等損傷特性。在粒子獨立撞擊玻璃靶的損傷過程與損傷模式、粒子群撞擊玻璃靶形成的吸附層形貌特性以及粒子群著靶運動模式研究基礎(chǔ)上,探討吸附層形貌的形成機制�；诂F(xiàn)有用于毫米級粒子發(fā)射的二級輕氣炮系統(tǒng),提出一種基于二級輕氣炮系統(tǒng)的微小粒子群發(fā)射技術(shù)。針對微小粒子群發(fā)射的技術(shù)要求,通過對二級輕氣炮系統(tǒng)相關(guān)部組件實施改進設(shè)計,實現(xiàn)了微小粒子群發(fā)射和速度測量,其中包括:改進彈托設(shè)計,滿足粒子群發(fā)射量需求;改進彈托分離裝置,達到彈托分離效果;設(shè)計基于通斷原理的三層絕緣線網(wǎng)結(jié)構(gòu)的測速裝置,實現(xiàn)粒子群平均速度測量;設(shè)計高速氣流阻擋裝置,達到降低二級輕氣炮驅(qū)動氣體進入靶艙后形成的高速氣流沖擊強度的效果。通過實驗驗證了微小粒子群發(fā)射技術(shù)的有效性。獲得典型材料微小粒子群撞擊玻璃靶損傷特性,并分析粒子群著靶形式以及粒子群著靶數(shù)量和速度對吸附層形成的影響。采用微小粒子群發(fā)射技術(shù)進行四種典型材料粒子群撞擊玻璃靶實驗,結(jié)果表明不同材料微小粒子群撞擊玻璃靶的損傷特性各異,并初步分析了影響玻璃靶損傷特性的因素;采用氮化鈦微小粒子群撞擊涂層靶實驗,結(jié)果表明微小粒子群撞擊目標靶并不是簡單的粒子累積撞擊,而是存在復(fù)雜的彈靶作用過程;開展粒子群著靶速度和數(shù)量對吸附層這一損傷特性的影響研究,初步獲得了氮化鈦粒子群在發(fā)射量約為0.8 g、速度約1.1~1.3 km/s范圍內(nèi)能夠形成分布范圍較大的吸附層。為了對吸附層形貌形成機制研究奠定基礎(chǔ),利用實驗和數(shù)值仿真相結(jié)合的技術(shù)手段,開展粒子獨立撞擊玻璃靶的損傷模式和損傷過程研究。實驗結(jié)果表明,三氧化二鋁、氮化鈦和銀粒子在本文速度范圍內(nèi)撞擊玻璃靶的損傷模式為成坑;建立單粒子撞擊玻璃靶、銅靶的數(shù)值仿真模型,獲得了三氧化二鋁粒子撞擊玻璃靶的損傷模式為成坑,冷噴涂技術(shù)中的銅粒子撞擊銅靶的損傷模式為銅靶成坑并與銅粒子結(jié)合。實驗與數(shù)值仿真均表明,粒子的獨立行為撞擊導(dǎo)致的玻璃靶損傷模式為成坑,初步判斷微小粒子群撞擊玻璃靶在特定條件下形成的吸附層損傷模式不是因為粒子嵌入等直接的結(jié)合方式與玻璃靶結(jié)合所致。開展吸附層摩擦力分布特性以及吸附層的幾何、物理特性研究,并基于離散元法建立粒子群撞擊玻璃靶數(shù)值仿真模型,探討吸附層形貌的形成機制。采用摩擦力作為吸附層特性的表征方式,通過對不同實驗參數(shù)下氮化鈦粒子群撞擊玻璃靶形成的吸附層摩擦力以及撞擊鋁合金靶后摩擦力測試與分析,獲得了吸附層形貌形貌特性。以氮化鈦粒子群撞擊玻璃靶為例,采用離散元法建立了粒子群撞擊玻璃靶過程的數(shù)值仿真模型,并通過實驗對比驗證了模型的有效性。研究結(jié)果表明,粒子群撞擊玻璃靶過程中存在往復(fù)“撞擊-反彈”、堆積、輻射狀運動等過程的復(fù)雜著靶運動模式,而這種運動模式是吸附層形貌形成的重要機制。綜上所述,針對微小粒子群撞擊玻璃靶損傷特性,本文提出了一種基于二級輕氣炮的微小粒子群發(fā)射技術(shù),并進行了典型粒子材料的微小粒子群撞擊玻璃靶實驗,重點對形成吸附層這一損傷特性開展了相關(guān)研究。在對粒子的獨立撞擊行為導(dǎo)致的玻璃靶損傷模式以及吸附層形貌特性研究基礎(chǔ)上,通過建立粒子群撞擊玻璃靶數(shù)值仿真模型,獲得了粒子群撞擊玻璃靶過程中的著靶運動模式,并探討了吸附層形貌的形成機制。本文研究結(jié)果將為航天器光學部件遭受碎片云團撞擊時的損傷評價及空間防御技術(shù)研究提供技術(shù)參考。
【圖文】：

圖 1-1 可觀測空間碎片數(shù)量變化[1]Fig. 1-1 Number of detectable space debris in earth orbit by object type航天器在軌運行期間遭遇空間碎片撞擊事件頻繁發(fā)生。例如 1996 年法RISE”電子偵察衛(wèi)星在軌運行期間被 1986 發(fā)射的阿麗亞娜（Ariane）殘�。ㄋ俣� 14 km/s）撞斷了重力梯度桿，導(dǎo)致“CERISE”姿態(tài)失控[4]一塊空間碎片撞擊美國航天飛機“奮進號”散熱器，導(dǎo)致散熱器被擊撞擊面形成了直徑 5.5 mm 的穿孔，由此產(chǎn)生的二次碎片云撞擊造成其殼損傷[5]。2009 年美國的通信衛(wèi)星“銥星 33”與俄羅斯已經(jīng)廢棄的軍

哈爾濱工業(yè)大學工學博士學位論文無發(fā)射任務(wù)情況下的空間碎片數(shù)量增長預(yù)測[7]，圖 1-2 中陰影部分表圖 1-3 中虛線為原模擬結(jié)果，實線為模型更新后的模擬結(jié)果。由圖10 年，，按目前正常的航天器任務(wù)發(fā)射頻率，尺寸大于 10 cm 的空間碎量將接近 100000 個，其中地球低軌道（LEO）的增長量幾乎占到了 70%左右；若未來 200 年間不再有發(fā)射任務(wù)，LEO 上大于 10 cm 的量將接近 13000 個，與有發(fā)射任務(wù)相比減少了約 57000 個。可以看上碎片數(shù)量巨大，因此，空間碎片撞擊所帶來的潛在威脅應(yīng)引起足
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：V528;V415

【參考文獻】

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本文編號：2650681