空间碎片环境中的航天器易损性分析

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1、硕士学位论文空间碎片环境中的航天器易损性分析SPACECRAFTVULNERABILITYTOSPACEDEBRISRISK王彬哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：V423.6学校代码：10213国际图书分类号：629.78密级：公开工学硕士学位论文空间碎片环境中的航天器易损性分析硕士研究生：王彬导师：庞宝君教授申请学位：工学硕士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2015年6月24日授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V423.6U.D.C:629.78Disse

2、rtationfortheMasterDegreeinEngineeringSPACECRAFTVULNERABILITYTOSPACEDEBRISRISKCandidate：BinWangSupervisor：Prof.BaojunPangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDat

3、eofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要日益严峻的空间碎片环境对航天活动造成了严重的威胁，显著影响了航天器在轨运行的可靠性与安全性。在设计阶段即对长寿命、高可靠性、安全性的航天器进行空间碎片撞击风险评估成为各国航天部门研究重点之一。工程上航天器风险评估基本基于防护结构临界穿孔失效分析，但对于卫星等航天器而言，防护结构的临界穿孔不一定会导致卫星功能降阶，不能继续完成预定

4、任务。故分析空间碎片对航天器分系统、部件的撞击损伤、失效模式才能准确获得航天器系统的失效情况。在航天器风险评估的基础上，本文提出了评估航天器部件、分系统失效模式的航天器易损性分析方法，讨论航天器系统完全解体和功能降阶两种失效模式。首先基于NASA标准解体模型，考虑了航天器发生完全解体的可能性，其次分析了部件在冗余和相互遮挡情况下遭受空间碎片超高速撞击的失效概率和航天器系统功能降阶的失效概率。本文提出的易损性分析方法使用NASA的ORDEM2000作为空间碎片的数据来源，利用三维建模软件PATRAN建立航天器的几何

5、模型（采用有限单元形式），提供航天器易损性分析的输入数据。开发了航天器遮挡分析算法，获得航天器及其部件在威胁来源方向的暴露面积。采用SRL(SchaferRyanLambert)撞击极限方程分析部件遭受超高速撞击的功能损伤，结合空间碎片环境数据计算部件失效概率。最后建立航天器的损伤树，采用最小割集方法估算航天器系统失效概率，评估航天器在轨期间的安全性和可靠性。本文对防护手册中三种标准工况进行了分析，与BUMPER相比撞击数最大误差为4.69%，单层防护结构和Whipple防护结构失效数最大误差均小于15%，验证了

6、该易损性分析方法的可行性。并以三种典型的航天器部件（电子箱、压力容器、蓄电池）为例，分析了空间碎片撞击下的部件失效概率，并通过改变部件位置分析部件布局对撞击失效的影响。最后对包含31个致命性部件典型箱式卫星进行了易损性分析，2015年在轨运行一年的失效概率为0.2%，灾难性的撞击概率为3.771e-07。分析结果表明航天器的部件布局对部件和航天器的寿命均有一定的影响：远离防护结构的部件，失效概率越小，且遮挡会减小部件受到撞击的可能性，故采用非致命性部件遮挡致命性部件的方法可减少部件遭受撞击失效的威胁。关键字：航天

7、器易损性，空间碎片，超高速撞击，撞击极限方程I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThecontinuousgrowthofspacedebrispopulationoccurredinthelastdecadehascausedseriousthreattothespaceactivity,whichgreatlyaffectedthereliabilityandsafetyofthespacecraftinorbit.Thetraditionalapproachtospacemissionvulne

8、rabilitywithrespecttomicrometeoroidsandorbitaldebris(MMOD)impacts,typicallyevaluatestheprobabilityofstructuralpenetration.Thisapproach,developedtodealwithmannedmission,isnotwellsuitedtoev