超高速碰撞产生的等离子体特性研究.pdf

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1、超高速碰撞产生的等离子体特性研究栗建桥2014年12月中图分类号：0383.1UDC分类号：519.6533.9超高速碰撞产生的等离子体特性研究作者姓名栗建桥学院名称机电学院指导教师宁建国教授答辩委员会主席张雄教授申请学位工学博士学科专业固体力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月CharacteristicsofthehypervelocityimpactgeneratedplasmaCandidateName:JianqiaoLiSchoolorDepartment:Mechatronic

2、alEngineeringFacultyMentor:Prof.JianguoNingChair,ThesisCommeetee:Prof.XiongZhangDegreeApplied:DoctorofEngineeringMajor:SolidMechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDenfence:Jan,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标

3、注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学博士学位论文摘要在人类航天活动当中经常会遭遇到超高速碰撞问题，对于那些无法规避的毫米级碎片来说，碰撞到航天器是无法避免的，这种小尺寸的碰撞很难对航天器结构造成致命的破坏，但是碰撞过程中产生的电离气体却能够使一些暴露在其中的电子器件遭到不同程度上的破坏。

4、这种多场耦合问题往往具有复杂的物理机制，需要综合多学科知识进行分析才能了解其复杂的物理本质，进而针对这一问题进行预测和防护设计的优化。有鉴于此，本文针对超高速碰撞产生等离子体问题在理论和数值模拟方面开展了深入的研究，为航天器对超高速碰撞产生等离子体的防护设计优化提供了依据。全文创新性的工作如下：（1）在电子温度与电离气体温度热平衡的假设下推导得出描述真实气体电离参数与温度关系的电离平衡方程，通过托马斯费米(Thomas-Fermi)方程给出气体温度与比内能和密度关系，然后采用AUTODYN3D软件进行不同角

5、度下超高速碰撞数值模拟研究，得到空间固定位置处的电离气体的内能与密度，给出电离气体温度并通过电离平衡方程给出空间固定位置处的电离气体电子温度和电导率，将电子温度和电导率与实验结果对比，结果表明，热平衡电离模型在一定程度可以用来预测超高速碰撞的电离情况，但是对于了解超高速碰撞电离机制存在一些不足，并且热平衡假设是条件满足的，因此需要针对电子温度与气体温度非平衡的情况进行讨论。（2）在对热平衡假设下超高速碰撞电离模型的研究基础上，考虑了电子温度与电离气体温度非热平衡的情况，认为电子温度是气体温度和电子密度的函数

6、，据此推导得出化学反应达到平衡时电子温度、气体温度以及电子密度之间的关系，给出反应平衡需要满足的热力学条件，结合正逆反应速率相等关系和孤立系统总能量保持不变，得到含有三个方程的方程组来求解给定能量和质量的孤立系统中的等离子体所具有的电子密度、电子温度和气体温度等参数。针对非热平衡条件下得到的电离模型，通过编写SPH(SmoothedParticleHydrodynamics，光滑粒子流体动力学)程序进行求解，实现了对超高速碰撞中的等离子体产生问题的数值模拟研究，对不同速度下正碰撞问题进行研究，得到了不同速度

7、下产生等离子体电量。与经验公式进行对比，表明了模拟结果与经验公式结果在高速阶段较为符合，在低速阶段得到的模拟结果小于经验公式结果，但是这个低速阶段的范围较小，因此总体上说模拟和理论分析的结果与实验结果符合较好。I北京理工大学博士学位论文（3）在上述理论和数值模拟研究的基础上，针对不同碰撞条件产生的等离子体电荷数进行数值模拟研究，首先对改变弹丸碰撞条件分析对产生等离子体的影响，通过不同碰撞速度的模拟研究得到不同速度下产生等离子体总电量，与经验公式对比，发现产生等离子体的临界速度并没有在经验公式中体现出来，据此

8、修正经验公式的形式并根据模拟结果得到拟合参数和临界速度。在相同碰撞速度条件下改变弹丸着靶姿态得到了着靶姿态对产生等离子体总电量和点和分布都有显著影响的结论，并且得到了不同着靶姿态下产生等离子体总电量对持续时间积分基本相同的结果。接着分析靶板参数对产生等离子体电荷数的影响，从模拟结果来看，靶板厚度对超高速碰撞产生等离子体电荷数有一定的影响，但是随着靶板厚度的增加，等离子体电量变化减小，碰撞双层板时，二次碰撞产生的等