超高速碰撞产生的等离子体特性数值模拟研究.pdf

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1、超高速碰撞产生的等离子体特性数值模拟研究季霞2015年1月中图分类号：TB122UDC分类号：533.915超高速碰撞产生的等离子体特性数值模拟研究作者姓名季霞学院名称机电学院指导教师宁建国教授答辩委员会主席秦太验教授申请学位工学硕士学科专业力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年1月NumericalSimulationofplasmacharacteristicsgeneratedbytheHyperveloctiyImpactCandidateName：XiaJiSchoolorDepart

2、ment:SchoolofMechatronicalEngineeringFacultyMentor:Prof.JianguoNingChair,ThesisCommittee：Prof.TaiyanQinDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：January,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

3、工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，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：北京理工大学硕士学位论文摘要随着人类航天活动的日益频繁，碎片逐年增加，空间环境逐步恶化，在轨航天器的正常运行受到了严重的威胁。航天部门需要加强对航天器的防护，减缓碎片碰撞航天器的风险。空间碎片超高速碰撞航天器，对航天器的毁

4、伤主要体现在：对航天器结构的毁伤和对航天器电子设备的毁伤。本论文是针对超高速碰撞以及碰撞过程中产生等离子体的特性，开展的理论和数值模拟研究，主要工作如下：（1）本文采用SPH数值模拟方法，建立球形铝弹丸超高速碰撞铝靶板的模型，碰撞速度范围为5km/s-18km/s，分别在碰撞角度为30°、45°、60°、90°的条件下数值模拟。以原子碰撞理论为基础，在温度平衡体系下，对超高速碰撞过程中利用Thomas-Fermi(TF)方程计算超高速碰撞过程中SPH粒子的温度,以温度为依据判断是否发生气化,对于发生气化的部

5、分考虑其产生的等离子体参数；并将化学反应速率方程代入自行编写的三维SPH程序，以得到超高速碰撞产生的等离子体特征参数，与文献给出的经验值进行对比，验证模型的有效性。（2）数值模拟结果给出了不同碰撞时刻的碎片云分布图，靶板穿孔长轴、短轴的长度，与实验图像以及经验公式相对比，得到碰撞速度、碰撞角度，对靶板的毁伤程度，进而预测不同条件下空间碎片对航天器的毁伤程度。（3）由化学反应速率方程，通过龙格库塔方法编入SPH方法，得到碰撞产生等离子的电量，与经验公式对比来验证所提出的数值方法。对比经验公式与本文数值模拟所得

6、到的电量，通过分析电量和碰撞速度的关系，得出在经验公式中必然存在一个临界速度值，而这个临界速度值接近材料的熔化速度。通过不同碰撞角度的数值模拟实验，得到各个碰撞角度的临界速度。关键词：超高速碰撞，等离子体，SPH，数值模拟，化学反应速率I北京理工大学硕士学位论文AbstractWithmoreandmorehumanspaceactivities,thespacedebrisincreaseseveryyearandspaceenvironmentisgraduallyworseningwhichhasaf

7、fectedtheon-orbitspacecraftsgreatly.Aerospacesectorneedstostrengthentheprotectionofspacecraftsandslowsdowntheriskofthecollisionsbetweenspacecraftsanddebris.ThedamagetospacecraftscausedbythehypervelocityimpactfromSpacedebrisismainlyreflectedinthespacecrafts

8、tructureandelectronicequipments.Inmypaper,thecharacteristicsoftheplasmageneratedbyhypervelocityimpactsareexploredbytheoreticalanalysisandnumericalsimulationinthecurrentstudy.Themainworksareasfollowing:Firstly