發(fā)布時(shí)間：2018-01-19 00:30

  本文關(guān)鍵詞： 超高速碰撞 等離子體 數(shù)值模擬 電子溫度 SPH方法 爆炸　出處：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在人類航天活動當(dāng)中經(jīng)常會遭遇到超高速碰撞問題，對于那些無法規(guī)避的毫米級碎片來說，碰撞到航天器是無法避免的，這種小尺寸的碰撞很難對航天器結(jié)構(gòu)造成致命的破壞，但是碰撞過程中產(chǎn)生的電離氣體卻能夠使一些暴露在其中的電子器件遭到不同程度上的破壞。這種多場耦合問題往往具有復(fù)雜的物理機(jī)制，需要綜合多學(xué)科知識進(jìn)行分析才能了解其復(fù)雜的物理本質(zhì)，進(jìn)而針對這一問題進(jìn)行預(yù)測和防護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。有鑒于此，本文針對超高速碰撞產(chǎn)生等離子體問題在理論和數(shù)值模擬方面開展了深入的研究，為航天器對超高速碰撞產(chǎn)生等離子體的防護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。全文創(chuàng)新性的工作如下： （1）在電子溫度與電離氣體溫度熱平衡的假設(shè)下推導(dǎo)得出描述真實(shí)氣體電離參數(shù)與溫度關(guān)系的電離平衡方程，通過托馬斯費(fèi)米(Thomas-Fermi)方程給出氣體溫度與比內(nèi)能和密度關(guān)系，然后采用AUTODYN3D軟件進(jìn)行不同角度下超高速碰撞數(shù)值模擬研究，得到空間固定位置處的電離氣體的內(nèi)能與密度，給出電離氣體溫度并通過電離平衡方程給出空間固定位置處的電離氣體電子溫度和電導(dǎo)率，將電子溫度和電導(dǎo)率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，結(jié)果表明，熱平衡電離模型在一定程度可以用來預(yù)測超高速碰撞的電離情況，但是對于了解超高速碰撞電離機(jī)制存在一些不足，并且熱平衡假設(shè)是條件滿足的，因此需要針對電子溫度與氣體溫度非平衡的情況進(jìn)行討論。 （2）在對熱平衡假設(shè)下超高速碰撞電離模型的研究基礎(chǔ)上，考慮了電子溫度與電離氣體溫度非熱平衡的情況，認(rèn)為電子溫度是氣體溫度和電子密度的函數(shù)，據(jù)此推導(dǎo)得出化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)電子溫度、氣體溫度以及電子密度之間的關(guān)系，給出反應(yīng)平衡需要滿足的熱力學(xué)條件，結(jié)合正逆反應(yīng)速率相等關(guān)系和孤立系統(tǒng)總能量保持不變，得到含有三個(gè)方程的方程組來求解給定能量和質(zhì)量的孤立系統(tǒng)中的等離子體所具有的電子密度、電子溫度和氣體溫度等參數(shù)。針對非熱平衡條件下得到的電離模型，通過編寫SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流體動力學(xué))程序進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了對超高速碰撞中的等離子體產(chǎn)生問題的數(shù)值模擬研究，對不同速度下正碰撞問題進(jìn)行研究，得到了不同速度下產(chǎn)生等離子體電量。與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對比，表明了模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果在高速階段較為符合，在低速階段得到的模擬結(jié)果小于經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果，但是這個(gè)低速階段的范圍較小，因此總體上說模擬和理論分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。 （3）在上述理論和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，針對不同碰撞條件產(chǎn)生的等離子體電荷數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，首先對改變彈丸碰撞條件分析對產(chǎn)生等離子體的影響，通過不同碰撞速度的模擬研究得到不同速度下產(chǎn)生等離子體總電量，與經(jīng)驗(yàn)公式對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生等離子體的臨界速度并沒有在經(jīng)驗(yàn)公式中體現(xiàn)出來，據(jù)此修正經(jīng)驗(yàn)公式的形式并根據(jù)模擬結(jié)果得到擬合參數(shù)和臨界速度。在相同碰撞速度條件下改變彈丸著靶姿態(tài)得到了著靶姿態(tài)對產(chǎn)生等離子體總電量和點(diǎn)和分布都有顯著影響的結(jié)論，并且得到了不同著靶姿態(tài)下產(chǎn)生等離子體總電量對持續(xù)時(shí)間積分基本相同的結(jié)果。接著分析靶板參數(shù)對產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)的影響，從模擬結(jié)果來看，靶板厚度對超高速碰撞產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)有一定的影響，但是隨著靶板厚度的增加，等離子體電量變化減小，碰撞雙層板時(shí)，，二次碰撞產(chǎn)生的等離子體電荷數(shù)遠(yuǎn)大于一次碰撞產(chǎn)生的電荷數(shù)，前板越薄、板間距越大，二次碰撞產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)越大。 （4）將單一元素電離模型擴(kuò)展到多種組分元素電離模型，并將其與MMIC3D三維歐拉方法的流體彈塑性程序結(jié)合模擬炸藥化學(xué)爆炸過程中產(chǎn)生等離子體電量，通過將化學(xué)爆炸等效轉(zhuǎn)化為超高速碰撞的方法，并根據(jù)分離電荷的分離比率不變性質(zhì)，給出化學(xué)爆炸產(chǎn)生等離子體電量和產(chǎn)生的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對比，證明了多組分電離模型的可靠性，為其在超高速碰撞方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
[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 .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O531

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1441873