幾種典型結(jié)構(gòu)的空間碎片在軌感知聲發(fā)射源定位技術(shù)研究.pdf

1、空間碎片環(huán)境日益惡化,嚴(yán)重威脅著航天器尤其是載人航天器的在軌運行安全。為了實時監(jiān)測空間碎片撞擊航天器事件,人們提出了多種在軌感知技術(shù)方案。其中,采用聲發(fā)射技術(shù)對撞擊事件進(jìn)行撞擊源定位,逐漸受到人們的重視。平板、加筋板及焊接板等為載人航天器中常用的承力結(jié)構(gòu),因此,如何通過布置較少的傳感器,實現(xiàn)對較大范圍內(nèi)多種結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲發(fā)射源定位,便成為了一個熱點和難點問題。
　　目前,對于鋁合金平板,國內(nèi)外在其受空間碎片撞擊的聲發(fā)射源定位進(jìn)行了較多

2、的研究,并且能夠在小尺度條件下比較準(zhǔn)確的確定撞擊源位置,但由于實驗設(shè)備尺寸的限制,尚未進(jìn)行大尺度條件下超高速撞擊聲發(fā)射源定位試驗。對于加筋板及焊接板,由于筋體及焊縫的存在,聲發(fā)射信號通過筋體及焊縫時會發(fā)生反射、透射等現(xiàn)象,聲發(fā)射信號傳播規(guī)律會發(fā)生較大變化。因此,需要定量分析筋體及焊縫對聲發(fā)射信號在結(jié)構(gòu)中傳播規(guī)律的影響,并獲取聲發(fā)射源定位有效距離。
　　在此背景下,本文主要針對平板、加筋板及焊接板等載人航天器中常用的典型結(jié)構(gòu),利用數(shù)

3、值模擬技術(shù)分別獲取其受空間碎片產(chǎn)生的聲發(fā)射信號,并分析了聲發(fā)射信號在其中的傳播規(guī)律,最終得到了聲發(fā)射源定位有效距離。在本文的工況范圍內(nèi),主要得到以下結(jié)論:
　　首先,較為詳細(xì)的分析了聲發(fā)射信號在平板中的傳播規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,分別建立了表征S0模態(tài)第一峰值遠(yuǎn)場和近場的衰減規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。本文研究結(jié)果表明,可以將S0模態(tài)第一峰值衰減規(guī)律分為遠(yuǎn)場和近場兩種情況,根據(jù)線性聲學(xué)理論,采用指數(shù)模型對遠(yuǎn)場衰減進(jìn)行了曲線擬合,發(fā)現(xiàn)了衰減指數(shù)與傳播

4、距離成近反比關(guān)系,因此,引入了等效衰減指數(shù)概念,得到了其與傳播距離的關(guān)系,并改進(jìn)了原模型,發(fā)現(xiàn)用該模型表征遠(yuǎn)場衰減規(guī)律具有較高的匹配度和良好的預(yù)測性。對于近場衰減,本文提出了能量波陣面概念,認(rèn)為能量以波陣面形式傳播,對于各向同性材料,假設(shè)能量均勻分布在波陣面上,忽略能量傳遞損失,得到了近場衰減數(shù)學(xué)模型。
　　第二,研究了筋體對聲發(fā)射信號在加筋板中傳播特性的影響,提出了S0模態(tài)第一峰值通過筋體后衰減程度的表征方式,并獲得了筋體特征參

5、數(shù)與S0模態(tài)第一峰值衰減程度的定量關(guān)系。S0模態(tài)第一峰值通過筋體后與相同工況條件下平板中同一位置相比會出現(xiàn)衰減,為了表征這種衰減程度,本文提出了過筋衰減系數(shù)概念,即同一位置加筋板中S0模態(tài)第一峰值與平板之比,并選取不同位置所獲得的衰減系數(shù)作為衰減程度的表征參數(shù)。相對于筋體參數(shù)中的筋寬和數(shù)量,筋高、位置及間距對衰減程度影響較小。因此,可以認(rèn)為筋體對衰減程度影響主要取決于筋寬和筋體數(shù)量。隨著筋寬的增加衰減程度逐漸增大,但二者不成線性關(guān)系;對

6、于同一種材料及相同結(jié)構(gòu)尺寸的筋體,隨著數(shù)量的增加衰減程度逐漸增大,但二者并不滿足線性關(guān)系;同時,相同寬度和高度的兩根筋體對衰減程度影響小于相同高度的、寬度為兩根筋體之和的一根筋體的影響。
　　第三,重點研究了焊縫材料對聲發(fā)射信號在焊接板中傳播規(guī)律的影響,并最終獲得了由到達(dá)時刻、波速及S0模態(tài)第一峰值決定的加筋板聲發(fā)射源定位有效距離確定方法。本文研究結(jié)果表明,相對于筋體,焊縫對板波模態(tài)及模態(tài)特征參數(shù)在結(jié)構(gòu)中變化規(guī)律的影響都較小,同時