基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAs”OnauticaSinicaJuIy252011V01．32No．71224—1230ISSN1000．6893CN11．1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000一6893(2011)07—1224—07基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析张晓天，贾光辉*，黄海北京航空航天大学宇航学院，北京100191擅要：使用超高速碰撞数值仿真技术，结合自主开发的碎片识别统计方法，以Iridium33与Cosmos2251卫星在轨撞击解体事件为例，

2、进行了在轨卫星碰撞解体碎片分析。通过有限元方法(FEM)与光滑粒子流体动力学(SPH)的复合算法，从图形角度识别出碎片云中的大碎片，然后利用二值图转换与二值图连通域的快速统计，提取出了碎片数目、尺寸、位置、速度和质量等信息。碎片识别结果表明大部分大碎片由Cosmos2251产生，大碎片统计结果与空间监测网(SSN)观测值相符，表明了该方法的有效性。研究结果同时表明正撞击区内的材料大部分转化为了小碎片，大碎片则由远离正撞击区的材料产生。为了度量撞击破碎程度，定义了等效正撞击质量的特征量，通过分析发现大碎片的总质量只与等效正撞击质量相关，与撞击点无关，对

3、于小碎片总质量也有相同的结论。关键词：卫星；冲击动力学；解体模型；光滑粒子流体动力学；超高速碰撞中图分类号：V412．4；0347．5文献标识码：A超高速碰撞是指撞击速度非常大，以至于材料的强度相对于冲击压强而言小到可以忽略，在这种条件下即便是金属也表现出类似于流体的特性。对于铝、钢、石英这样的材料，在撞击速度达到5～6km／s时会出现超高速碰撞现象[1]。目前超高速碰撞的研究主要应用于人造卫星防护空间碎片撞击的防护结构分析和设计中。碎片防护是空间碎片研究的重要分支。因为空间碎片的运动速度大多在几千米每秒甚至更高，因此空间碎片撞击卫星防护结构的问题属

4、于超高速碰撞范畴。在地面实现将宏观物体加速到几千米每秒需要复杂昂贵的加速设备，所以为了便于研究和降低研究成本，数值仿真技术被广泛应用于碎片撞击防护结构分析，以减少地面撞击实验。目前使用最广泛的数值仿真方法是光滑粒子流体动力学(sPH)无网格方法[2。3]，该方法可以很好地模拟超高速碰撞条件下材料的大程度破碎和流动现象。空间碎片研究的另一个重要分支是碎片的形成和演化。目前滞留的空间碎片除了失效的卫星和运载火箭末级以外，大部分是由于在轨物体碰撞和爆炸解体生成的[4]。目前美国的空间监测网(SSN)对低地球轨道(LowEarth0rbit，LE0)中的大部

5、分特征长度大于10cm以上的物体都可以进行追踪。然而受到观测手段限制，在地面很难观看到在轨物体的解体过程，因此只能通过观察到的碎片数目突增，以及新增碎片的轨道信息反向推理出在轨道某处发生了解体事件。美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAd—ministration，NASA)基于历史观测数据和部分地面撞击实验，建立了在轨物体碰撞解体的经验公式，称为NASA标准解体模型[5]。模型给出了收稿日期：2010．11．01；退修日期：2010-”一29；录用日期：20”_02．18；网络出版时间：2011-03．3013

6、：05：51网络出版地址：www．cn虹帕t／kcms／detail门1．1929．V．2们10330．1305，004．h咖lD例：CNKI：11．1929／V．20110330．1305．004*通讯作者．Tel．：们0．82339067E椭iI：jiag旧ngmI@bLm．e由．∞琴

7、角格武t张晓天．贾光辉．黄海，基于趣高速碰撞仿真的l差碰撞解体碎片分析￡J]．航空学报，2011．32(7)：

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13、∞sinica．20¨．32(7)：1224．1230．张晓天等：基于超高速碰撞仿真的卫星碰撞解体碎片分析碎片数目和速度等信息以及它们与撞击物体的质量和速度的关系。NASA标准解体模型是目前公认的也是唯一的预测在轨物体解体碎片的模型‘61。然而NASA标准解体模型是一个相对粗略的模型，没有考虑细节的撞击条件对碎片的影响。仅仅通过撞击质量和速度就定义了碎片分布。这对于大量的撞击事件可能具有统计意义，但是对于某一次撞击事件却会因

14、为受到细节撞击条件的影响而误差较大[7]。比如在轨物体A和B相撞，那么当A撞击到B的不同部位时，产生的碎片数