基于聲發(fā)射的典型結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究.pdf

1、隨著人類航天事業(yè)的發(fā)展，日趨惡化的空間碎片環(huán)境對(duì)航天器的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。作為應(yīng)對(duì)措施，主要采取減緩、規(guī)避、防護(hù)等措施保護(hù)航天器的安全。但是，受技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件的制約，空間碎片仍然存在對(duì)在軌運(yùn)行航天器撞擊的威脅，航天器特別是載人航天器對(duì)在軌感知技術(shù)具有迫切的應(yīng)用需求。基于聲發(fā)射的空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)對(duì)撞擊事件的發(fā)生、撞擊位置、損傷模式及損傷程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)具有較好的應(yīng)用前景。已有研究成果主要實(shí)現(xiàn)了如何判別鋁合金平板結(jié)構(gòu)空間碎片撞擊事

2、件發(fā)生與否，撞擊源定位，但對(duì)撞擊損傷進(jìn)行模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估尚不完善。而且，作為在軌感知技術(shù)的重要應(yīng)用對(duì)象，載人航天器密封艙通常是鋁合金加筋板，并在關(guān)鍵部位加裝防護(hù)屏，其撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性及信號(hào)在結(jié)構(gòu)中的傳播規(guī)律較之平板更為復(fù)雜，相關(guān)研究工作較少，需要深入開展研究工作。
　　基于以上背景，本文以球形彈丸模擬空間碎片，分別撞擊鋁合金單層板和鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)，針對(duì)超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性、撞擊源定位、損傷模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估等問題

3、開展研究。對(duì)于鋁合金單層板結(jié)構(gòu)，分析了彈丸速度、尺寸及靶板厚度對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特性的影響，以及加筋板筋體尺寸對(duì)信號(hào)特性及傳播規(guī)律的影響；對(duì)于鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)，分析了彈丸撞擊參數(shù)及雙層板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二次碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性的影響；在此基礎(chǔ)上，分別提出單層板結(jié)構(gòu)以及雙層板結(jié)構(gòu)撞擊源定位及損傷模式識(shí)別方案。本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　第一，分別針對(duì)鋁合金平板、鋁合金加筋板及鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)等靶板樣件，給出了超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)獲取方案。搭

4、建了超高速撞擊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及信號(hào)采集系統(tǒng)，用于模擬空間碎片超高速撞擊載人航天器典型結(jié)構(gòu)，獲取超高速撞擊損傷效應(yīng)并采集聲發(fā)射信號(hào)。采用AUTODYN有限元軟件利用SPH算法仿真超高速撞擊現(xiàn)象，建立有限元模型并獲取了基于數(shù)值仿真的超高速撞擊聲發(fā)射信號(hào)。通過比較典型地面模擬實(shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真結(jié)構(gòu)中靶板損傷情況以及聲發(fā)射信號(hào)特征，驗(yàn)證了數(shù)值仿真的有效性。
　　第二，建立單層板結(jié)構(gòu)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與彈丸撞擊參數(shù)、靶板幾何參數(shù)之間的關(guān)系。通過地

5、面模擬實(shí)驗(yàn)與數(shù)值仿真，基于板波理論及小波變換分析了彈丸撞擊鋁合金平板聲發(fā)射信號(hào)特性，獲得了彈丸初始速度、彈丸直徑及靶板厚度對(duì)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特性的影響規(guī)律；根據(jù)數(shù)值仿真及斷鉛實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加筋板中筋體對(duì)信號(hào)S0模態(tài)波傳播速度影響較小，在利用S0波到達(dá)時(shí)刻定位時(shí)，可將加筋板視為各向同性，但信號(hào)經(jīng)過筋體后其幅值將衰減，其中高頻成分與低頻相比信號(hào)幅值衰減更快。
　　第三，建立雙層板結(jié)構(gòu)撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)與彈丸撞擊參數(shù)、雙層板幾何參數(shù)之間的

6、關(guān)系。利用超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)二次碎片云撞擊鋁合金后板損傷特性、聲發(fā)射信號(hào)特性及其之間的關(guān)系進(jìn)行了研究?；谒槠谱矒袈暟l(fā)射信號(hào)特征，利用小波包技術(shù)并引入能量熵原理構(gòu)建碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)小波包能量熵。研究結(jié)果表明，彈丸初始速度、前板厚度、彈丸直徑等參數(shù)是影響后板損傷程度的重要因素；碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)特征與后板的損傷程度及損傷區(qū)域密切相關(guān)；碎片云撞擊聲發(fā)射信號(hào)小波包能量熵值可以表征彈丸破碎程度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)彈丸初始速度進(jìn)行估計(jì)。

7、r>　　第四，分別提出彈丸撞擊鋁合金加筋板、碎片云撞擊鋁合金平板的定位方法。根據(jù)鋁合金加筋板超高速撞擊實(shí)驗(yàn)，分析了聲發(fā)射信號(hào)到達(dá)時(shí)刻判定方法對(duì)波速的影響。研究結(jié)果表明，將信號(hào)的第一峰值時(shí)刻作為到達(dá)時(shí)刻，可以減小由于傳統(tǒng)閾值法引起的波速差異，利用S0模態(tài)波到達(dá)時(shí)刻及平板的定位方法可實(shí)現(xiàn)加筋板超高速撞擊源定位；通過對(duì)碎片云形態(tài)及運(yùn)動(dòng)特性的分析，確定利用時(shí)差定位算法可定位出二次碎片云撞擊損傷中心，根據(jù)碎片云撞擊信號(hào)特性，建立了以信號(hào)高頻能量比

8、例為特征參數(shù)的預(yù)測(cè)碎片云損傷區(qū)域經(jīng)驗(yàn)公式。
　　第五，提出一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單層板結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷模式識(shí)別方案?；诔咚僮矒魧?shí)驗(yàn)及數(shù)值仿真，分析了可用于損傷模式識(shí)別及彈丸直徑估計(jì)的聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)；在利用數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)鋁合金平板結(jié)構(gòu)損傷模式識(shí)別網(wǎng)絡(luò)及彈丸直徑估計(jì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可行性分析的基礎(chǔ)上，基于地面模擬實(shí)驗(yàn)分別搭建了損傷模式識(shí)別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及用于估計(jì)彈徑的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)彈丸撞擊鋁合金單層板結(jié)構(gòu)損傷模式識(shí)別及損傷程度評(píng)估。

9、>　　第六，提出基于防護(hù)結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線的后板損傷模式識(shí)別方法，給出雙層板防護(hù)結(jié)構(gòu)超高速撞擊損傷模式識(shí)別方案。對(duì)于典型防護(hù)結(jié)構(gòu)，如通過感知系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)彈丸直徑和速度的估計(jì)，根據(jù)撞擊極限曲線可實(shí)現(xiàn)對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)后板是否失效進(jìn)行判別。鋁合金雙層板結(jié)構(gòu)的損傷模式識(shí)別方案為：根據(jù)彈丸撞擊前板聲發(fā)射信號(hào)，利用彈徑估計(jì)網(wǎng)絡(luò)對(duì)彈丸直徑進(jìn)行估計(jì)；根據(jù)碎片云撞擊后板聲發(fā)射信號(hào)小波包能量熵值，對(duì)彈丸初始速度進(jìn)行估計(jì)；結(jié)合雙層板結(jié)構(gòu)撞擊極限曲線，實(shí)現(xiàn)損傷模式識(shí)