本文關(guān)鍵詞：基于聲發(fā)射的典型結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》 2015年

基于聲發(fā)射的典型結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究

張凱  

【摘要】：隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展,日趨惡化的空間碎片環(huán)境對(duì)航天器的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。作為應(yīng)對(duì)措施,主要采取減緩、規(guī)避、防護(hù)等措施保護(hù)航天器的安全。但是,受技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約,空間碎片仍然存在對(duì)在軌運(yùn)行航天器撞擊的威脅,航天器特別是載人航天器對(duì)在軌感知技術(shù)具有迫切的應(yīng)用需求�；诼暟l(fā)射的空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)對(duì)撞擊事件的發(fā)生、撞擊位置、損傷模式及損傷程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有較好的應(yīng)用前景。已有研究成果主要實(shí)現(xiàn)了如何判別鋁合金平板結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊事件發(fā)生與否,撞擊源定位,但對(duì)撞擊損傷進(jìn)行模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估尚不完善。而且,作為在軌感知技術(shù)的重要應(yīng)用對(duì)象,載人航天器密封艙通常是鋁合金加筋板,并在關(guān)鍵部位加裝防護(hù)屏,其撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性及信號(hào)在結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律較之平板更為復(fù)雜,相關(guān)研究工作較少,需要深入開展研究工作�；谝陨媳尘�,本文以球形彈丸模擬空間碎片,分別撞擊鋁合金單層板和鋁合金雙層板結(jié)構(gòu),針對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性、撞擊源定位、損傷模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估等問(wèn)題開展研究。對(duì)于鋁合金單層板結(jié)構(gòu),分析了彈丸速度、尺寸及靶板厚度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特性的影響,以及加筋板筋體尺寸對(duì)信號(hào)特性及傳播規(guī)律的影響;對(duì)于鋁合金雙層板結(jié)構(gòu),分析了彈丸撞擊參數(shù)及雙層板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二次碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性的影響;在此基礎(chǔ)上,分別提出單層板結(jié)構(gòu)以及雙層板結(jié)構(gòu)撞擊源定位及損傷模式識(shí)別方案。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:第一,分別針對(duì)鋁合金平板、鋁合金加筋板及鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)等靶板樣件,給出了超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)獲取方案。搭建了超高速撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及信號(hào)采集系統(tǒng),用于模擬空間碎片超高速撞擊載人航天器典型結(jié)構(gòu),獲取超高速撞擊損傷效應(yīng)并采集聲發(fā)射信號(hào)。采用AUTODYN有限元軟件利用SPH算法仿真超高速撞擊現(xiàn)象,建立有限元模型并獲取了基于數(shù)值仿真的超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)。通過(guò)比較典型地面模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)中靶板損傷情況以及聲發(fā)射信號(hào)特征,驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性。第二,建立單層板結(jié)構(gòu)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與彈丸撞擊參數(shù)、靶板幾何參數(shù)之間的關(guān)系。通過(guò)地面模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真,基于板波理論及小波變換分析了彈丸撞擊鋁合金平板聲發(fā)射信號(hào)特性,獲得了彈丸初始速度、彈丸直徑及靶板厚度對(duì)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性的影響規(guī)律;根據(jù)數(shù)值仿真及斷鉛實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)加筋板中筋體對(duì)信號(hào)S0模態(tài)波傳播速度影響較小,在利用S0波到達(dá)時(shí)刻定位時(shí),可將加筋板視為各向同性,但信號(hào)經(jīng)過(guò)筋體后其幅值將衰減,其中高頻成分與低頻相比信號(hào)幅值衰減更快。第三,建立雙層板結(jié)構(gòu)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與彈丸撞擊參數(shù)、雙層板幾何參數(shù)之間的關(guān)系。利用超高速撞擊實(shí)驗(yàn),對(duì)二次碎片云撞擊鋁合金后板損傷特性、聲發(fā)射信號(hào)特性及其之間的關(guān)系進(jìn)行了研究�；谒槠谱矒袈暟l(fā)射信號(hào)特征,利用小波包技術(shù)并引入能量熵原理構(gòu)建碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)小波包能量熵。研究結(jié)果表明,彈丸初始速度、前板厚度、彈丸直徑等參數(shù)是影響后板損傷程度的重要因素;碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征與后板的損傷程度及損傷區(qū)域密切相關(guān);碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)小波包能量熵值可以表征彈丸破碎程度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸初始速度進(jìn)行估計(jì)。第四,分別提出彈丸撞擊鋁合金加筋板、碎片云撞擊鋁合金平板的定位方法。根據(jù)鋁合金加筋板超高速撞擊實(shí)驗(yàn),分析了聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)刻判定方法對(duì)波速的影響。研究結(jié)果表明,將信號(hào)的第一峰值時(shí)刻作為到達(dá)時(shí)刻,可以減小由于傳統(tǒng)閾值法引起的波速差異,利用S0模態(tài)波到達(dá)時(shí)刻及平板的定位方法可實(shí)現(xiàn)加筋板超高速撞擊源定位;通過(guò)對(duì)碎片云形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特性的分析,確定利用時(shí)差定位算法可定位出二次碎片云撞擊損傷中心,根據(jù)碎片云撞擊信號(hào)特性,建立了以信號(hào)高頻能量比例為特征參數(shù)的預(yù)測(cè)碎片云損傷區(qū)域經(jīng)驗(yàn)公式。第五,提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單層板結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷模式識(shí)別方案�；诔咚僮矒魧�(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真,分析了可用于損傷模式識(shí)別及彈丸直徑估計(jì)的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù);在利用數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁合金平板結(jié)構(gòu)損傷模式識(shí)別網(wǎng)絡(luò)及彈丸直徑估計(jì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上,基于地面模擬實(shí)驗(yàn)分別搭建了損傷模式識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及用于估計(jì)彈徑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彈丸撞擊鋁合金單層板結(jié)構(gòu)損傷模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估。第六,提出基于防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線的后板損傷模式識(shí)別方法,給出雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷模式識(shí)別方案。對(duì)于典型防護(hù)結(jié)構(gòu),如通過(guò)感知系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈丸直徑和速度的估計(jì),根據(jù)撞擊極限曲線可實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)后板是否失效進(jìn)行判別。鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)的損傷模式識(shí)別方案為:根據(jù)彈丸撞擊前板聲發(fā)射信號(hào),利用彈徑估計(jì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)彈丸直徑進(jìn)行估計(jì);根據(jù)碎片云撞擊后板聲發(fā)射信號(hào)小波包能量熵值,對(duì)彈丸初始速度進(jìn)行估計(jì);結(jié)合雙層板結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線,實(shí)現(xiàn)損傷模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估。綜上,本文系統(tǒng)的研究了空間碎片撞擊航天器典型結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射信號(hào)特性,并詳細(xì)地討論了彈丸撞擊單層板結(jié)構(gòu)及雙層板結(jié)構(gòu)源定位問(wèn)題及損傷模式識(shí)別問(wèn)題,對(duì)發(fā)展基于聲發(fā)射的空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V528
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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7 霍江濤;秦大國(guó);祁先鋒;;空間碎片概況研究[J];裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào);2007年05期

8 李明;;中國(guó)空間碎片研究的進(jìn)展(英文)[J];航天器工程;2007年05期

9 王海福;余慶波;劉有英;;空間碎片碰撞風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)[J];北京理工大學(xué)學(xué)報(bào);2008年12期

10 李久龍;吳光中;姜聯(lián)東;;空間碎片對(duì)航天器的撞擊效果分析[J];航天器環(huán)境工程;2009年S1期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 賈光輝;劉濱濤;趙國(guó)偉;黃海;;空間碎片研究方向培育及人才培養(yǎng)[A];北京高教學(xué)會(huì)實(shí)驗(yàn)室工作研究會(huì)2010年學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2010年

2 張耀;王人東;;空間碎片減緩方法[A];第十二屆全國(guó)日地空間物理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文摘要集[C];2007年

3 蔣虎;;2009年若干典型低軌空間區(qū)域空間碎片分布仿真[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)第七次學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議手冊(cè)及文集[C];2009年

4 蔣虎;;特定區(qū)域內(nèi)空間碎片仿真分析[A];第二十三屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文摘要集[C];2010年

5 朱毅麟;;空間碎片的觀測(cè)與模型[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第十一次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];1998年

6 盧波;范嵬娜;佘明生;;國(guó)外主要空間機(jī)構(gòu)碎片減緩標(biāo)準(zhǔn)的概述與比較[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第十六次學(xué)術(shù)會(huì)議論文集（下）[C];2003年

7 楊宣宗;馮春華;王龍;;微小空間碎片加速器初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果及動(dòng)力學(xué)行為研究[A];中國(guó)真空學(xué)會(huì)2008年學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2008年

8 羅萍萍;鄭永超;許春曉;;空間碎片及天基激光清理技術(shù)[A];第十屆全國(guó)光電技術(shù)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2012年

9 陳德相;徐瑞;尚海濱;;深空探測(cè)器發(fā)射段空間碎片碰撞預(yù)警與規(guī)避策略設(shè)計(jì)[A];中國(guó)宇航學(xué)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專業(yè)委員會(huì)第九屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集（下冊(cè)）[C];2012年

10 戚均愷;;國(guó)外空間碎片探測(cè)綜述[A];中國(guó)空間科學(xué)學(xué)會(huì)空間探測(cè)專業(yè)委員會(huì)第二十六屆全國(guó)空間探測(cè)學(xué)術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文集[C];2013年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 尹林發(fā);[N];中國(guó)航天報(bào);2003年

2 記者張毅;[N];人民日?qǐng)?bào)海外版;2003年

3 本報(bào)記者 王海平;[N];21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道;2009年

4 尹林發(fā);[N];中國(guó)航天報(bào);2003年

5 采訪人 本報(bào)記者 張靜;[N];中國(guó)氣象報(bào);2011年

6 李壽平 北京理工大學(xué)法學(xué)院;[N];中國(guó)社會(huì)科學(xué)報(bào);2011年

7 孫剛;[N];中國(guó)航天報(bào);2000年

8 許彤;[N];中國(guó)航天報(bào);2005年

9 紫曉;[N];經(jīng)濟(jì)參考報(bào);2001年

10 張雅詩(shī);[N];新華每日電訊;2005年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前5條

1 王若璞;空間碎片環(huán)境模型研究[D];解放軍信息工程大學(xué);2010年

2 張凱;基于聲發(fā)射的典型結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

3 李宏偉;微小空間碎片撞擊效應(yīng)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院（空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心）;2010年

4 董雪;高重復(fù)頻率空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2014年

5 丁莉;空間碎片雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 葉菁;空間碎片造成外空環(huán)境污染的國(guó)際法律責(zé)任[D];湖南師范大學(xué);2010年

2 張平平;近地軌道空間碎片軌道參數(shù)分布規(guī)律研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

3 魏龍濤;空間碎片模型比較與減緩策略分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

4 杜俊舉;空間碎片的測(cè)光觀測(cè)與圖像處理[D];山東大學(xué);2015年

5 王彬;空間碎片環(huán)境中的航天器易損性分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

6 董丹;爆炸解體空間碎片建模方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

7 金玉竹;空間碎片光學(xué)探測(cè)與識(shí)別方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

8 劉翔春;天基照相跟蹤空間碎片軌道確定方法研究[D];國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

9 彭科科;空間碎片環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)處理方法及工程模型建模方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年

10 周卓俊;空間碎片環(huán)境建模及其電磁散射特性研究[D];西安電子科技大學(xué);2011年

  本文關(guān)鍵詞：基于聲發(fā)射的典型結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：159917