空間碎片超高速撞擊載人密封艙在軌感知技術(shù)研究.pdf

1、日趨增多的空間碎片對(duì)航天器在軌安全運(yùn)行造成了嚴(yán)重威脅，特別是隨著我國(guó)載人航天事業(yè)的發(fā)展，對(duì)應(yīng)用于載人密封艙的空間碎片超高速撞擊在軌感知技術(shù)提出了迫切需求。目前，通過(guò)研究單彈丸超高速撞擊鋁合金平板的聲發(fā)射現(xiàn)象，初步驗(yàn)證了基于聲發(fā)射的在軌感知技術(shù)對(duì)于空間碎片超高速撞擊在軌運(yùn)行航天器事件的實(shí)時(shí)感知、定位及損傷模式識(shí)別具有較好的應(yīng)用前景。然而，載人密封艙通常裝有防護(hù)屏且其艙壁具有加筋、隔框及焊縫等多種形式的凸起，導(dǎo)致空間碎片撞擊載人密封艙產(chǎn)生的

2、超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性及其傳播規(guī)律更加復(fù)雜：空間碎片擊穿防護(hù)屏形成的二次碎片云撞擊密封艙艙壁將產(chǎn)生大量點(diǎn)狀聲發(fā)射源；感知系統(tǒng)將同時(shí)采集經(jīng)支撐構(gòu)件傳播進(jìn)入艙壁的防護(hù)屏超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)；艙壁中傳播的聲發(fā)射信號(hào)受到艙壁表面凸起的干涉作用，其波形及衰減特性將發(fā)生變化。載人密封艙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)給聲發(fā)射在軌感知技術(shù)，特別是給基于聲發(fā)射的艙壁損傷模式識(shí)別技術(shù)的工程應(yīng)用帶來(lái)了困難。
　　本文以空間站密封艙結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，針對(duì)二次碎片云超高速撞擊

3、聲發(fā)射源時(shí)序特性、聲發(fā)射信號(hào)在艙壁表面凸起作用下的幅值衰減特性、支撐構(gòu)件導(dǎo)致的屏/艙間聲發(fā)射信號(hào)干擾現(xiàn)象等問(wèn)題開(kāi)展深入研究，制定傳感器布局方案，突破二次碎片云超高速撞擊定位、損傷模式識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，為在軌感知技術(shù)的工程應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。論文的具體研究?jī)?nèi)容、研究方法以及取得的理論創(chuàng)新性分述如下：
　　首先，提出了時(shí)序最速點(diǎn)和時(shí)序最速環(huán)概念，建立了傳播時(shí)序函數(shù)，通過(guò)引入虛擬波陣面法解決了二次碎片云撞擊定位問(wèn)題。基于二次碎片云運(yùn)動(dòng)特性，

4、分析了點(diǎn)狀聲發(fā)射源的產(chǎn)生時(shí)序及其所發(fā)信號(hào)的傳播時(shí)序特性，建立了“傳播時(shí)序函數(shù)”描述點(diǎn)源所發(fā)信號(hào)的傳播時(shí)序，并提出了“時(shí)序最速點(diǎn)”的概念用以表征二次碎片云超高速撞擊聲發(fā)射源。通過(guò)研究時(shí)序最速點(diǎn)位置分布特征，提出了“時(shí)序最速環(huán)”概念，在此基礎(chǔ)上引入虛擬波陣面法解決二次碎片云撞擊定位問(wèn)題。艙壁波速的各向異性會(huì)導(dǎo)致虛擬波陣面法定位結(jié)果偏離撞擊中心，為驗(yàn)證該算法的可行性，設(shè)計(jì)了定位誤差測(cè)試方案，利用時(shí)序最速點(diǎn)模擬聲發(fā)射源，利用傳播時(shí)序函數(shù)計(jì)算信號(hào)

5、到達(dá)時(shí)刻，利用虛擬波陣面法進(jìn)行定位計(jì)算，結(jié)果表明：由艙壁波速各向異性引起的相對(duì)定位誤差小于0.13％，虛擬波陣面法可用于解決二次碎片云撞擊定位問(wèn)題。
　　其次，采用數(shù)值仿真手段，研究艙壁表面凸起對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)衰減特性的影響，建立了P波首波谷幅度衰減比預(yù)測(cè)公式，掌握了聲發(fā)射信號(hào)在密封艙艙壁中的衰減特性。采用數(shù)值仿真手段獲取了一系列的彈丸超高速撞擊鋁合金平板、加筋板的聲發(fā)射信號(hào)，通過(guò)對(duì)比分析平板、加筋板信號(hào)波形特征，研究了表面

6、凸起對(duì)聲發(fā)射信號(hào)波形特征的影響，結(jié)果表明：在艙壁中傳播的聲發(fā)射信號(hào)波形可分為 P波（primary wave）、S波（secondary wave）兩部分。為定量描述 P波衰減特性提出了“首波谷幅度衰減比”的概念，并利用它研究表面凸起對(duì) P波的衰減作用，結(jié)果表明衰減比大小主要取決于凸起的尺寸、數(shù)量以及信號(hào)的傳播距離和方向，在此基礎(chǔ)上建立了P波首波谷幅度衰減比預(yù)測(cè)公式，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該公式的有效性。最后，通過(guò)仿真槍槍擊定位實(shí)驗(yàn)，對(duì) S波

7、衰減特性進(jìn)行了定性分析，結(jié)果表明：使用底邊長(zhǎng)3200mm、高2000mm的等腰三角形定位陣列，可以獲得具有一定精度的到達(dá)時(shí)刻，得到誤差小于95.2mm的定位結(jié)果。
　　再次，采用超高速撞擊實(shí)驗(yàn)手段，研究了聲發(fā)射信號(hào)在屏/艙間的傳播特性，發(fā)現(xiàn)通過(guò)在“無(wú)干擾區(qū)域”布置傳感器可以避免屏/艙干擾問(wèn)題。針對(duì)圓柱支撐雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了單純的防護(hù)屏聲發(fā)射信號(hào)，利用小波變換辨識(shí)信號(hào)模態(tài)特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：支撐構(gòu)件對(duì)信號(hào)具有低通濾

8、波和模態(tài)轉(zhuǎn)換作用，防護(hù)屏信號(hào)經(jīng)支撐構(gòu)件傳播進(jìn)入艙壁后轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l的A0模態(tài)板波?；谶@一特性，建立了屏/艙聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)差預(yù)測(cè)公式，并采用實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了該公式的有效性。最后，以雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)為例，利用該公式研究了傳感器位置與屏/艙聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)序之間的關(guān)系，結(jié)果表明：艙壁存在“無(wú)干擾區(qū)域”，當(dāng)傳感器位于該區(qū)域內(nèi)時(shí)，艙壁聲發(fā)射信號(hào)總是最先到達(dá)傳感器，可以避免屏/艙干擾現(xiàn)象的發(fā)生。
　　然后集成對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)在密封艙結(jié)構(gòu)中的

9、傳播特性的研究結(jié)果，為某典型載人密封艙制定了聲發(fā)射傳感器布局方案。首先，根據(jù)密封艙結(jié)構(gòu)特征修正了屏/艙聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)差預(yù)測(cè)公式，評(píng)估了艙壁無(wú)干擾區(qū)域范圍；其次，根據(jù)信號(hào)在艙壁中的衰減特性在無(wú)干擾區(qū)域內(nèi)布置傳感器，制定了需要30枚傳感器的布局方案。使用該布局方案，能夠避免屏/艙干擾現(xiàn)象的發(fā)生，并可以獲得具有一定精度的定位結(jié)果。
　　最后，通過(guò)一系列超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，獲得了PVDF探頭超高速撞擊穿孔信號(hào)特征，制定了基于PVDF探頭的艙

10、壁穿孔感知技術(shù)方案。二次碎片云聲發(fā)射源是大量點(diǎn)狀聲發(fā)射源的集合、在艙壁中傳播的聲發(fā)射信號(hào)波形受艙壁表面凸起引起的散射現(xiàn)象影響而變異，與單彈丸撞擊平板相比，其聲發(fā)射現(xiàn)象更加復(fù)雜，導(dǎo)致難以提取信號(hào)中攜帶的損傷信息，為滿足對(duì)損傷模式識(shí)別技術(shù)的迫切需求，引入 PVDF探頭，通過(guò)超高速撞擊實(shí)驗(yàn)研究了PVDF探頭超高速撞擊信號(hào)特征，在此基礎(chǔ)上提出了基于PVDF探頭的艙壁損傷模式識(shí)別技術(shù)方案：在密封艙內(nèi)部布置環(huán)繞艙壁的PVDF探頭，通過(guò)監(jiān)測(cè)艙壁穿孔碎