空间碎片撞击在轨感知技术研究综述

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1、航天器环境工程第27卷第4期412SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年8月空间碎片撞击在轨感知技术研究综述庞宝君1，刘治东19张凯19龚海鹏19唐颀2，刘武刚29韩增尧39刘刚3(1．哈尔滨工业大学，哈尔滨150080；2．中国运载火箭技术研究院，北京100076：3．北京空间飞行器总体设计部，北京100094)摘要：随着航天发射活动的日益频繁，空间碎片环境随之恶化。为了应对空间碎片的撞击成胁，人们提出了用空间碎片撞击在轨感知系统实时监测航天器在轨遭受空间碎片撞击的情况。文章在对国内外相关研究机构研究成果的调研基础上，介绍了国内外在空间碎片撞

2、击在轨感知技术领域的研究现状，对各国基于超高速撞击声发射技术的空间碎片撞击在轨感知技术的发展状况进行了全面评述，重点介绍了国内的研究进展．最后基于国内航天事业需要，探讨了未来发展方向．关键词：空间碎片；超高速撞击；声发射’9在轨感知系统中图分类号：V520．7；V448．15文献标识码：A文章编号：1673—1379(2010)04-0412-08DoI：10．3969／j．issn．1673—1379．2010．04．002O引言随着人类空间活动的日益频繁，空间碎片环境日趋恶化。根据美国空间监视网探测结果：截止到2009年10月，直径大于lOcm的空间碎片数量为15000块，直

3、径小于10cm的空间碎片数目非常巨大，难以计数。这些空间碎片对航天器的在轨安全运行构成了严重的威胁【¨】。为了应对空间碎片的撞击威胁，广泛地开展了空间碎片的减缓和防护技术研究【5曲】。同时为了对航天器在轨遭受空间碎片撞击事件进行实时监测，世界主要航天国家或机构分别提出了多种空间碎片撞击在轨监测的技术措施，如热成像感知技术、电磁波发射技术、基于声发射技术的在轨感知技术、电阻薄膜监测技术、聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜监测技术、电容传感监测技术等。其中基于声发射技术的在轨感知技术受到了最广泛的关注，它技术成熟，具有航天器资源占用率低、环境适应性强、对结构形状不敏感等特点，易于实现在轨

4、实时监测，被认为是最合适的在轨监测技术手段【_卜91。该技术方法的优点主要表现为：1)它是一种动态检测方法。由于感知系统所探测到的能量是来自空间碎片撞击事件本身，因此，声发射在轨感知系统所需功耗小，对航天器电源造成的负担小。2)声发射源种类较多，除了空间碎片撞击造成的声发射现象外，航天器的气体泄漏也可激发声发射现象。因此，声发射感知系统除了用于空间碎片撞击监测外，还可以用于航天器其他损伤和缺陷的监测。3)在一次空间碎片撞击事件中，声发射感知系统能够整体探测和评价整个航天器结构中损伤的状况并识别空间碎片的撞击参数。4)可提供动态缺陷随载荷、时间、温度等参量而变化的实时或连续信息，因

5、此适用于对在轨航天器在线监测和早期或临近破坏预报。5)环境适应性强，适用于空间的高低温、高真空、强电磁辐射等环境。6)空间碎片超高速撞击航天器产生的声发射信号能量很大，因此使用少量传感器就可以实现大面积监测。7)每次声发射事件中，各传感器都能接收到来自同一声发射源激发的声发射信号，单个传感器失效不会影响整个系统的功能，因此声发射在轨感知系统具有很高的可靠性。损伤位置的精确定位是声发射技术检测方法的基本功能，针对声发射技术已经发展了一系列用收稿日期：2010-02．24；修回日期：2010．07．10作者简介：庞宝君(1963一)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为空间碎片超高速

6、撞击、航天器防护技术、航天器空间环境效应及其对策等．E-mail：pangbj@hit．edu．cn．第4期庞宝君等：空间碎片撞。疗在轨感知技术研究综述413于损伤定位的方法【10。11。对于突发型卢发射信号，有两种定位方法：时差定位和I莲域定位。区域定位是一种处理速度快、简便且粗略的定位方式，无法精确定位损伤位置。时差定位是通过对各个声发射通道信号到达的时间差、波速和探头间距等参数的测量，利用某种算法的计算来确定声发射源的精确坐标或位置。但它易丢失大量的低幅度信号，其定位精度也会受波速、波形、波传播过程中的衰减和构件形状等许多因素变化的影响。因此时差定位法在实际应用中会受到种种

7、限制。l空间碎片撞击在轨感知技术的工作原理基于声发射技术的在轨感知技术的上作原理是利用声发射换能器对空问碎片超高速撞击所致的声发射现象进行感知，利用定位算法和损伤识别技术来确定损伤位置与损伤情况，并对碎片撞击情况作出动态的监测与预报，其基本构成如图1所示。传统的声发射技术主要是对一般力学环境卜材料的失效，结构疲劳，裂纹产生和扩展，机械加工质量等细观现象进行研究[12-13】。近年来，随着声发射技术应用范l嗣的拓宽，声发射的定义也得到扩展，已将诸如撞击、湍流、泄漏、喷注等过程在结构