空间碎片超高速撞击载人密封舱在轨感知技术研究

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1、博士学位论文空间碎片超高速撞击载人密封舱在轨感知技术研究ONBOARDMONITORINGTECHNIQUEFORDETECTIONOFIMPACTONMANNEDPRESSURIZEDCABINBYSPACEDEBRIS刘治东哈尔滨工业大学2014年12月中图分类号：V19学校代码：10213UDC：629.7密级：公开工学博士学位论文空间碎片超高速撞击载人密封舱在轨感知技术研究博士研究生：刘治东导师：庞宝君教授副导师刘刚研究员申请学位：工学博士学科：航空宇航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2014年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学Class

2、ifiedIndex:V19U.D.C.:629.7DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringONBOARDMONITORINGTECHNIQUEFORDETECTIONOFIMPACTONMANNEDPRESSURIZEDCABINBYSPACEDEBRISCandidate：LiuZhidongSupervisor：Prof.PangBaojunAssociateSupervisor：Prof.LiuGangAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpe

3、ciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliationSchoolofAstronauticsDateofDefence：December,2014Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要日趋增多的空间碎片对航天器在轨安全运行造成了严重威胁，特别是随着我国载人航天事业的发展，对应用于载人密封舱的空间碎片超高速撞击在轨感知技术提出了迫切需求。目前，通过研究单弹丸超高速撞击铝合金平板的声发射现象，

4、初步验证了基于声发射的在轨感知技术对于空间碎片超高速撞击在轨运行航天器事件的实时感知、定位及损伤模式识别具有较好的应用前景。然而，载人密封舱通常装有防护屏且其舱壁具有加筋、隔框及焊缝等多种形式的凸起，导致空间碎片撞击载人密封舱产生的超高速撞击声发射信号特性及其传播规律更加复杂：空间碎片击穿防护屏形成的二次碎片云撞击密封舱舱壁将产生大量点状声发射源；感知系统将同时采集经支撑构件传播进入舱壁的防护屏超高速撞击声发射信号；舱壁中传播的声发射信号受到舱壁表面凸起的干涉作用，其波形及衰减特性将发生变化。载人密封舱的复杂结构给声发射在轨感知技术，特别是给基于声发射

5、的舱壁损伤模式识别技术的工程应用带来了困难。本文以空间站密封舱结构为研究对象，针对二次碎片云超高速撞击声发射源时序特性、声发射信号在舱壁表面凸起作用下的幅值衰减特性、支撑构件导致的屏/舱间声发射信号干扰现象等问题开展深入研究，制定传感器布局方案，突破二次碎片云超高速撞击定位、损伤模式识别等关键技术，为在轨感知技术的工程应用奠定技术基础。论文的具体研究内容、研究方法以及取得的理论创新性分述如下：首先，提出了时序最速点和时序最速环概念，建立了传播时序函数，通过引入虚拟波阵面法解决了二次碎片云撞击定位问题。基于二次碎片云运动特性，分析了点状声发射源的产生时序

6、及其所发信号的传播时序特性，建立了“传播时序函数”描述点源所发信号的传播时序，并提出了“时序最速点”的概念用以表征二次碎片云超高速撞击声发射源。通过研究时序最速点位置分布特征，提出了“时序最速环”概念，在此基础上引入虚拟波阵面法解决二次碎片云撞击定位问题。舱壁波速的各向异性会导致虚拟波阵面法定位结果偏离撞击中心，为验证该算法的可行性，设计了定位误差测试方案，利用时序最速点模拟声发射源，利用传播时序函数计算信号到达时刻，利用虚拟波阵面法进行定位计算，结果表明：由舱壁波速各向异性引起的相对定位误差小于0.13%，虚拟波阵面法可用于解决二次碎片云撞击定位问题

7、。其次，采用数值仿真手段，研究舱壁表面凸起对超高速撞击声发射信号-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文衰减特性的影响，建立了P波首波谷幅度衰减比预测公式，掌握了声发射信号在密封舱舱壁中的衰减特性。采用数值仿真手段获取了一系列的弹丸超高速撞击铝合金平板、加筋板的声发射信号，通过对比分析平板、加筋板信号波形特征，研究了表面凸起对声发射信号波形特征的影响，结果表明：在舱壁中传播的声发射信号波形可分为P波（primarywave）、S波（secondarywave）两部分。为定量描述P波衰减特性提出了“首波谷幅度衰减比”的概念，并利用它研究表面凸起对P波的衰减作

8、用，结果表明衰减比大小主要取决于凸起的尺寸、数量以及信号的传播距离和方向，在此基础上建立了P波