载人飞船遭遇M/OD失效风险评估及其防护设计

 采用自主开发的M/OD风险评估软件系统,对某载人飞船遭遇M/OD的失效风险进行评估分析,给出了不同舱壁厚度下载人飞船遭遇M/OD的失效风险分析结果及其表面失效数分布。载人飞船舱壁厚度为0.6cm时,遭遇M/OD碰撞的非失效概率为96.447%,而当舱壁厚度减小为0.3cm时,非失效概率仅为9.460%。由于空间碎片具有方向性,使得载人飞船遭遇空间碎片时,其两侧失效风险最大,微流星体的任意分布性使其失效数呈带状分布。本文还对载人飞船进行了防护结构设计,给出了不同防护下载人飞船失效风险分析结果。采用与0.6cm厚舱壁面密度相同的Whipple和SW防护结构进行防护时,载人飞船非失效概率分别为99.704%和99.924%。若采用波纹角为30°和60°的CSW防护结构,则其非失效概率可分别提高到99.939%和99.995%,显著降低了载人飞船失效风险。     

基于有限元的纸角推送机构弹簧钢片的数值模拟

为了确定安装在纸角推送机构上的弹簧钢片的最佳厚度,分析了不同厚度弹簧钢片在100 mm/s纸角碰撞下的弯曲变形.根据实际工况建立纸角推送机构的简化模型,利用有限元对纸角以100 mm/s的速度碰撞不同厚度的弹簧钢片进行瞬态动力分析与模拟仿真,求解出弹簧钢片的位移形变,结果显示0.10～0.55 mm是纸角能被有效推出的...     

气炮发射获得超高速碰撞器的数值模拟研究进展

航天器结构防护的实验研究需要将克量级的金属飞片加速到10 km/s左右的超高速状态,目前中国工程物理研究院流体物理研究所在二级轻气炮装置上对这一关键技术取得了突破性进展,成功将克量级的LY12铝飞片驱动加速到11.0 km/s,将克量级的高密度Ta和Pt飞片分别驱动加速到约10.0 km/s和9.0 km/s.本文简要回顾了我们近年来的实验研究结果,并利用研制的高精度MFPPM计算程序对气炮加载驱动超高速飞片过程进行数值模拟,给出的飞片自由面速度与实验测量结果基本一致.考虑到超高速碰撞效应涉及物质熔化、汽化和等离子状态等宽区物态方程问题,进一步发展了具有自主知识产权的LSFC欧拉型计算程序,在气炮加载驱动超高速飞片问题中对其进行了验证,其计算结果与MFPPM的计算结果基本吻合,拟进一步发展后将其应用于超高速空间碎片及其防护的数值模拟研究.     

超高速撞击碎片云特性数值模拟研究

碎片云特性对空间碎片撞击航天器防护结构的损伤程度具有重大影响。本文采用数值仿真软件AUTODYN对球形弹丸超高速撞击单层板和双层板的碎片云特性进行了模拟,分析了弹丸超高速撞击不同层数防护板后的碎片云形态,研究了速度和板间距对碎片云特性的影响。研究表明:碎片云的形成需要一定的条件,速度和板间距对碎片云的特性有重要影响。     

超高速斜碰撞碎片云形态的研究

针对航天器的碰撞毁伤程度与超高速斜碰撞所产生碎片云的形态的关系,利用光滑质点流体动力学(sPH)方法研究了超高速斜碰撞所产生碎片云的形态.主要分析了碰撞参数,如弹丸速度、靶板厚度、弹丸直径对碎片云形态的影响.仿真结果表明,二次碎片云的膨胀速度以及膨胀尺寸随碰撞速度和弹丸直径的增加而增加,随靶板厚度的增加而减小.     

空间微小碎片探测器设计

所描述的空间微小碎片探测器采用PVDF压电薄膜作为传感器,所探测的目标为质量分布5×10~(-11)g(直径约3．3μm)～l×10~(-5)g(直径约200μm),速度分布2km/s～15km/s的空间碎片和微流星体,所测量的信息为空间微小碎片的质量、飞行速度和轨道信息以及空间微小碎片时空分布情况。     

轨道参数对载人飞船遭遇空间碎片碰撞风险影响

采用自主开发的空间碎片风险评估及防护系统（MODRASS）,对载人飞船遭遇空间碎片碰撞风险进行仿真评估和分析,给出轨道倾角、轨道高度及运行姿态等因素对载人飞船遭遇空间碎片碰撞风险的影响特性。结果表明,载人飞船在不同倾角的轨道上遭遇空间碎片碰撞风险不同。在170°倾角轨道上,载人飞船遭遇的碰撞数最多,而在20060°及110°左右倾角的轨道上。载人飞船遭遇空间碎片碰撞的情况明显改善。不同轨道倾角下的碰撞风险差别可达10倍以上。载人飞船在不同轨道高度上遭遇空闻碎片碰撞风险差异很大,在轨道高度为1400km时,载人飞船遭遇空间碎片碰撞数最多;而在轨道高度为200km时,载人飞船遭遇空间碎片碰撞数仅410881个,相差两个数量级。此外,载人飞船以不同姿态运行时,遭遇空间碎片碰撞风险不同。且遭遇空间碎片碰撞的区域也出现明显变化。可以通过调整载人飞船的运行姿态减小空间碎片威胁。     

多层冲击防护结构设计与优化方法研究

多层冲击防护结构是一种有效且性能提升潜力较大的空间碎片防护方案。本文介绍了多层冲击防护结构的特点和设计方法,并利用AUTODYN软件对弹丸超高速正撞击多层冲击防护结构进行仿真计算,初步对防护屏几何结构参数进行了优化选择,最后从多层冲击防护屏前板构型和材料选择两个方面出发,对多层冲击防护屏的其它改进方法进行了探讨。     

高速碰撞下二次破片光滑粒子流体力学法数值模拟

采用AUTODYN-2D无网格光滑粒子流体力学方法(SPH)数值技术,对遭遇速度为1.5～2.5 km/s下圆柱钨弹丸垂直碰撞装甲靶板产生的二次破片云分布特征进行了数值模拟,获得了不同碰撞速度下靶板穿孔直径及破片云前端运动速度、侧向膨胀速度和最大飞散角等分布特征.在此基础上,建立了二次破片云质量及空间分布预测模型.结果表明,数值模拟和模型预测均与实验结果相吻合.     

超高速微小碎片激光测速系统研制及应用

地面超高速模拟实验是研究微小空间碎片撞击效应经济有效的手段,其中等离子体加速器为微米量级碎片的主要地面模拟设备.本文研制了在等离子体驱动微小碎片加速器系统并应用于高速飞行微粒速度测量的激光测速系统.该激光测速系统工作原理是.利用主动激光照明,在颗粒飞行路径上形成光墙,通过检测颗粒通过光墙形成的散射激光,得到微粒到达光墙的时间,利用飞行时间法进行高速微粒速度测量.在激光测速系统原理测试实验中,采用信号响应上升时间小于10 ns,电子渡越时间小于20ns的高灵敏、快响应的光电倍增管,原理试验测得该探测系统的响应时间仅为约70 ns.该响应时间小于速度为15 km/s的颗粒通过3～5mm厚度的片状激光束的理论时间,并验证了该系统灵敏度高、响应时间快的特点,可以满足超高速微粒(8～20 km/s)通过3～5 mm激光墙的时间阈值(约0.1 μs)的需求.目前,激光测速系统已经应用于等离子体加速器发射超高速微粒的试验中,能有效测量等离子体加速器所发射的高速微粒的群速度,对15 km/s及以上速度的超高速颗粒亦能捕捉到有效信号,实现对微粒速度的测量,达到了良好的预期效果.在等离子体微小碎片加速器上开展的超高速撞击试验中,激光测速系统能够实现无损在线速度测量,对等离子体加速器上开展的超高速撞击试验提供了重要帮助.     

M/OD失效风险评估系统开发及标准校验

 论述了空间碎片失效风险评估在航天器设计中的重要性,给出了自主开发的空间碎片风险评估系统（MODRAS）总体框架及图形用户界面。MODRAS分为空间碎片风险评估和微流星体风险评估两大模块,每个模块又包括M/OD环境模型、航天器建模、碰撞概率分析、失效概率分析以及航天器防护结构设计等功能模块。除了环境模型模块外,其他各功能模块均为共享模块,即可同时应用于空间碎片风险评估与微流星体风险评估。针对机构间空间碎片协调委员会（IADC）指定的单位立方体、单位球体及简单航天器3种标准工况,将MODRAS分析结果与美国航空航天局的BUMPER系统、欧洲空间局的ESABASE系统、德国MDPANTO系统以及航天五院MODAOST系统等国内外同类软件分析结果进行比较。结果表明,在微流星体环境下,MODRAS与BUMPER程序失效数分析结果相差在4%以内;而在空间碎片环境下,失效数分析结果最大相差8%,校验了MODRAS的分析精度。此外,还给出了3种标准工况遭遇M/OD的表面失效数分布。     

内外环电容传感器灵敏度仿真

为设计应用于两相流相关流速测量的电容传感器,得到传感器的几何参数对其灵敏度特性的影响,利用数值方法对内外环电容传感器的灵敏度特性进行分析．利用有限元分析软件建立传感器电场的仿真模型并进行了基本仿真,采用正交实验设计方法安排仿真实验．分析结果表明,屏蔽罩长度和内管壁厚度是影响传感器相对灵敏度的主要因素,而屏蔽罩与外极板间距对检测场均匀性误差影响比较大．优选出一组传感器的结构参数,内管壁厚度3mm,外管壁厚度2mm,屏蔽罩与外极板间距3mm,对管壁相对介电常数的要求则是越接近于1越好．利用优选的结构参数进行仿真,可以得到比较好的传感器灵敏度特性,为内外环电容传感器的设计提供了理论依据．     

穿越不同建（构）筑物的地铁盾构选型与控制

结合上海市穿越不同建（构）筑物的地铁盾构工程实践,对盾构分别穿越运营地铁隧道、危旧敏感建筑物、浅基建筑群和桩基础时的盾构选型、微扰动控制参数以及相关应力与变形规律等进行了分析.在盾构掘进引起的动态位移场条件下,提出了盾构选型及其施工参数的控制方案;另外,在分析盾构穿越桩基础时桩端应力分布的基础上,提出了控制桩端距离的建议.     

土压平衡式盾构机掘进性能评价方法

盾构机掘进性能是盾构机设计性能和施工操作复杂耦合作用的结果,依据盾构机掘进参数评价其掘进性能对盾构机刀盘结构设计和施工参数设定具有重要意义.在掘进参数基础上确定了影响土压平衡式盾构机掘进性能的评价指标,推导出刀盘扭矩和盾体推力的理论公式,基于性能评价指标构建了包括掘进能耗和效率的盾构机性能评价函数,并提出了盾构机掘进性能的参数化评价方法;通过结合现场施工数据对盾构机掘进性能进行了分析和评价,得出了掘进参数改进方法,并验证了其理论的正确性.该评价方法通过分析盾构机参数和地质参数可以评价盾构机掘进性能,并提供盾构机刀盘设计理论和施工参数设定方法.     

基于滚刀复合破岩物理实验的盾构刀间距设计

刀具布置是盾构刀盘设计中的重要组成部分,直接影响到掘进的切削效果、出土状况和掘进速度。针对不同地质条件下,为满足盾构地质适应性,实现高效破岩。采用盾构刀具破岩机理实验台,对工程样岩开展不同刀间距破岩实验,分析破损岩渣质量,探究不同地质条件下的最佳破岩刀间距。并与经验数据进行对比,结果表明：合理的刀间距能够提高破岩效率、减少刀具损耗,有效降低刀具成本,为不同地质条件下开展其他盾构工程进行刀间距设计提供了一种可行的方法。     

盾构施工对已有建筑物基础沉降的影响分析

以郑州市盾构施工区实际土质情况为背景,采用数值仿真分析软件FLAC 3D,就盾构隧道对邻近已有建筑的影响进行数值模拟分析,从而讨论隧道与建筑物间距及埋深等因素对基础差异沉降的影响.计算结果表明,当隧道近距离穿过筏基下的土层时,隧道中心偏离筏基下中心线越远,不均匀沉降差越大,但超过一定范围,又逐渐减小.同时,考虑沉降量和整体倾斜两个特征变形允许值给出了可以忽略盾构施工对建筑物沉降影响的隧道位置范围.     

空间碎片碰撞风险评估系统

为了评估航天器遭遇空间碎片碰撞风险,基于GUI技术自主开发了一套空间碎片碰撞风险评估系统(MODRAS).并以特定轨道航天器为应用实例进行了风险评估,得到了空间碎片通量分布、航天器暴露面积、航天器遭遇的碰撞数等数据.结果表明,航天器遭遇空间碎片碰撞的概率与其运行轨道高度、倾角以及碎片大小等参数有关;改变航天器飞行路线及运行姿态可有效减少空间碎片的碰撞风险.     

在轨航天器空间几何遮挡算法

航天器空间几何遮挡算法是空间碎片风险评估的关键环节,遮挡算法的正确性对评估精度影响显著.针对空间碎片碰撞风险评估中航天器几何遮挡问题,基于计算机图形学Robefls算法和Z缓冲器算法,建立了一种算法简单、精度高、通用性强的几何遮挡处理方法及算法实现.针对航天器结构比较复杂的特点,提出了先对航天器实现舱段分解,在消除被遮挡面后,再进行合并的遮挡处理原则,并建立了航天器结构空间几何遮挡理论模型及算法流程.采用该算法对IADC规定的简单航天器标准工况进行了遮挡处理分析,得出了遮挡处理后不同方向下航天器的暴露面积.结果表明.不同方向下的航天器暴露面积是不同的,遮挡处理后IADC规定的简单航天器最小暴露面积仅为原来的38.91%.最大也只有原来的55.27%.可见,在不同运行姿态下,航天器暴露面积差别很大,改变航天器飞行路线及运行姿态可有效减少空间碎片的碰撞风险.     

软土地层双线隧道地表沉降计算公式修正

由于双线隧道存在复杂的耦合作用,盾构施工引起的地表沉降规律极为复杂,所以准确计算地表沉降较为困难。本文基于Peck公式和Chapman修正参数,考虑先行隧道的施工影响和双线隧道的相对位置关系,通过参数的经验量化,建立了双线隧道地表沉降的计算公式。此外,依托苏州市轨道交通S1号线工程,讨论公式在不同土层中的适用性及参数取值范围,在此基础上采用PLAXIS 3D有限元软件对双线隧道盾构施工进行了数值模拟。结果表明：在软土地层中进行盾构施工,应用本文修正公式计算得到的地表沉降值与数值模拟和现场实测结果均较为吻合。修正公式考虑了双线隧道的位置信息,可以定量反映隧道埋深和双线隧道间距对地表沉降的影响。该研究可为软土地区双线隧道盾构施工沉降计算提供参考。     

硬岩地区盾构掘进地表竖向位移监测数据及数值模拟分析

结合杭州市某盾构掘进实际工程的地表竖向位移监测数据,总结了硬岩地区盾构掘进对周边环境的影响规律,并通过建立合适的数值模型分析了相关掘进参数对盾构掘进的影响,同时分析了不同区域浆体缺失对地表竖向位移的影响。研究结果表明：因边界条件不同、岩土不均匀性、注浆参数控制不当,硬岩地区盾构掘进仍能引起较大的地表沉降;某环掘进方向前后方浆体缺失均会对该环处地表沉降造成一定影响;后方浆体缺失时,临近4环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近4环造成影响的10%;前方浆体缺失时,临近9环以外浆体缺失造成影响较小,不足临近9环造成影响的10%;某环掘进方向前方浆体缺失对该环处地表沉降的影响更大,约为后方浆体缺失影响的1.16倍。得到的结论可为类似工程提供参考借鉴。