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随着人类开发太空步伐的加快,人类探索空间取得了世人瞩目的成就,但随着进入空间探测器和运载器包括应用卫星、火箭等的发射和运行,当他们寿命结束或爆炸时,就成为空间碎片。空间碎片成为威胁空间飞行器和载人航天器正常在轨运行的一个重要因素,特别是对载人航天器,对撞击损伤的评估以及撞后采取相应的应急措施是保障航天员安全的首要任务。在轨运行航天器的损伤监测已成为迫在眉睫的研究课题。在载人航天器(如载人飞船) 或长期运行航天器结构或部件上安装声发射传感器,当空间碎片撞击时,沧州欧谱可以通过声发射技术组成的感知系统所记录的数据进行分析、判断、辨识其撞击位置、损伤的深度和直径等损伤特征,分析载人飞船及空间站等航天器受撞击的严重度,制定撞后运行和航天员逃生方案。 目前对超高速撞击损伤的研究主要通过实验室二级轻气炮试验测量获得撞击损伤的坑深、损伤直径与弹丸质量和撞击速度之间的经验公式,用来评估空间碎片对航天器的撞击损伤程度。如国内管公顺总结了超高速撞击中损伤孔径的经验公式,并对国产材料的撞击特性进行了试验研究,获取了国产材料的超高速撞击特性数据,得到了撞击弹丸参数与撞击损伤孔径和深度的经验公式[1 ] 。用这些经验公式来进行撞击损伤的预测,前提条件要知道撞击的特征参数如撞击弹丸的质量和撞击速度,这大大限制了在在轨损伤预测的应用。 声发射技术因其具有的优点而被许多研究者用来进行航天器在轨撞击监测和损伤评估[2 - 5] 。基于声发射技术的感知系统的研究,使在轨预测撞击损伤成为可能。早在九十年代早期,欧洲航天局在哥伦布舱的结构上安装了总计12 个超声传感器,开展了对哥伦布舱进行撞击损伤的定位[2] 。Prosser 曾对薄板撞击声发射信号进行了试验研究和分析[6] ,给出了撞击损伤类型与信号频率之间的关系。近年来随着航天发射活动的日益增加,对航天器在轨撞击损伤的监测和评估成为研究者关注热点,并取得了一些进展[2 ,3] 。Frank Schafer 在其论文中描述了利用声发射技术对空间碎片撞击进行监测的方案,通过对铝板和复合材料板的超高速撞击实验进行了定位技术应用的研究[2] 。在他和同事们后续的工作里,利用激光振动传感器测量撞击信号,分析了试验和数值模拟所得到的超高速撞击声发射信号的频谱特征[7] 。S. Ryan等分析了高速撞击声发射波动在卫星结构中的源函数形式[8] 。这些研究结果为声发射技术在在轨损伤预测的应用奠定了基础。国内刘武刚和唐颀等利用声发射技术分别对撞击源定位和波动在结构中的传播模式进行了研究[5] 。撞击成坑深度和损伤直径是高速撞击产生的重要特征参数,反映了弹丸对靶板的撞击损伤情况。基于实验室试验测量获得撞击损伤的坑深、损伤直径与弹丸质量和撞击速度之间的经验公式目前限用于各种材料对撞击性能的评估,还未能对在轨运行航天器进行撞击损伤的预测。从上述对声发射在撞击感知和损伤的研究来看,基于声发射的撞击损伤技术使在轨预测撞击损伤成为可能。但从公开发表的文献资料,还没有看到利用声发射技术来进行成坑深度和损伤直径的研究。 为了解决利用声发射技术进行预测撞击损伤的问题,本文针对作为航天器结构和防护屏的铝板进行了高速撞击声发射试验,采集到了撞击产生的声发射信号,分析损伤深度、损伤直径与声发射特征之间的关系,为空间碎片超高速撞击航天器的在轨损伤模式进行定量评估奠定技术基础。 1 高速撞击信号数据的获得 本文所研究的球形弹丸材料由2A12 铝合金制成,弹丸直径3. 20mm ,靶板为5A06 铝合金板材。高速撞击试验用二级轻气炮来实现。弹丸的速度由弹丸质量的大小和气压等主要因素控制。该撞击声发射试验在哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心进行。试验时,分别把不同直径的球形弹丸用二级轻气炮发射至一定的速度,然后在靶舱内撞击铝板。产生的声发射信号被美国泛美公司Panamatric2NDT) 生产的V182 超声传感器所采集,送到数字示波器中记录供后续分析。试验用铝板的尺寸为600mm ×600mm ×5mm。整个实验模拟了主要成分为铝合金的空间碎片粒子撞击航天器表面的现象。 弹丸速度由磁感应测速系统得到,涵盖了撞击速度1kmPs 到4. 5kmPs 的范围。在这个速度范围的撞击,靶板会出现成坑、层裂和击穿等超高速撞击的典型破坏现象。图1 是实验设备的照片,图1 (a) 是二级轻气炮, (b) 是实验靶件安装在靶舱中的情形。图2为高速撞击试验得到的声发射波形信号。 2 声发射信号数据处理方法 根据波动的衰减理论,信号中频率不同的成份其衰减规律也不同。沧州欧谱对高速撞击信号进行损伤规律的研究,可将高速撞击的信号通过小波变换进行低频和高频信号的分解与重构,这样就可以得到信号的高频部分和低频部分,然后再对高频和低频信号进行损伤特征规律的分析。 从高速撞击的声发射波动高频和低频时域重构信号中,可以看到几个明显的幅度特征,如图3 和图4 分别为信号经过小波重构后的低频和高频信号。 在经过小波信号的重构以后的低频时域信号中,出现两个波峰值,定义第一个出现的为低频第一峰值,第二个出现的低频峰值定义为低频第二峰值。同样在重构的高频信号中,也先后出现高频第一峰值和高频第二峰值。 3 试验数据分析 3. 1 撞击深度特性与声发射特征的关系 铝合金中厚板高速正撞击深度尺寸是弹丸直径和撞击速度共同作用的结果。撞击速度不同,撞击成坑特性会不同,声发射特征也不同,能够通过声发射特征的变化规律来对撞击成坑特性进行研究。 3. 2 撞击速度对成坑深度的影响 撞击成坑深度是撞击产生的一个重要的特征参数,反映了弹丸对靶板的撞击损伤情况,撞击损伤深度随弹丸撞击速度的变化规律如图5 所示。由图中的实验点可以看出,高速撞击试验的速度范围在1kmPs～2. 6kmPs 内,损伤深度的总体变化规律是随着撞击速度的增加而逐渐线性增大。通过对本文高速撞击得到的数据进行拟合分析,可以得到成坑深度随着撞击速度的变化规律。 3. 3 成坑深度与声发射特征参数的相互关系 通过声发射信号低频和高频特征与撞击速度的变化规律可以得出,撞击成坑深度与声发射特征之间存在一定的相互关系。成坑深度是撞击产生的一个重要的特征参数,反映了弹丸对靶板的撞击损伤情况,撞击成坑深度随声发射低频峰值比值的变化规律如图6 所示。由图中的实验点可以看出,撞击速度范围在1kmPs～2. 6kmPs 内,成坑深度的总体变化规律是随着声发射低频峰值比值的增加而逐渐降低。通过对数据的拟合分析,可以得到成坑深度随着声发射低频峰值比值的变化规律。 3. 4 撞击速度与撞击损伤直径的关系 与损伤深度相同,损伤直径同样是弹丸直径和撞击速度共同作用的结果。定义损伤直径为成坑时的坑径和穿孔损伤时较大的孔径,损伤直径可用于描述发生撞击后,弹丸对靶板的损伤情况。试验所得的损伤直径随撞击速度的变化规律如图7 所示。 由图中实验点可以发现,损伤直径的变化规律与成坑深度相类似。当撞击速度小于4. 0kmPs 时,损伤直径随撞击速度的增加而增大。 3. 5 预测高速撞击损伤直径公式 由本文高速撞击试验得到的损伤孔径和撞击速度的相互关系见图7 ,拟合曲线得到的预测损伤孔径的经验公式: 3. 6 撞击损伤直径与声发射特征参数的关系 撞击损伤直径是撞击产生的一个重要的特征参数,反映了弹丸对靶板的撞击损伤情况,焊缝探伤仪http://www.hanfengtanshangyi.com损伤直径随声发射低频峰值比值的变化规律如图8 所示。由图中的实验点可以看出,损伤直径的总体变化规律是随着声发射低频峰值比值的增加而逐渐线性降低。高速撞击试验的速度范围在1kmPs～4. 5kmPs 内,通过对数据的拟合分析,可以得到损伤直径随着声发射低频峰值比值的变化规律。 4 结论 通过对超高速撞击试验所得到的声发射信号进行小波时频分析和重构,发现可以将声发射信号的低频信号部分的峰值幅度比值作为撞击损伤的特征参数,得到了通过声发射特征预测撞击损伤成坑深度和损伤直径的经验公式。从而可以在在轨运行的航天器结构表面安装声发射传感器,记录空间碎片撞击时产生的声发射波动信号,利用本文得到的经验公式,来进行撞击损伤的预测,实现了利用声发射感知技术来进行航天器遭受空间碎片撞击在轨损伤监测的可能。 |
