单层板撞击成坑声发射辨识及参数估计研究
唐颀1 庞宝君1 韩增尧2 刘武刚3
(1 哈尔滨工业大学航天学院，哈尔滨150080)(2 中国空间技术研究院，北京100094)(3 北京强度环境研究所，北京100076)
摘要
空间碎片撞击航天器的威胁对发展在轨感知系统提出需求，为研制基于声发射技术的感知系统，有必要研究利用声发射波形分析对防护结构进行损伤模式辨识的方法。文章利用超声传感器进行了铝弹丸超高速撞击单层板的声发射信号采集实验及其数值仿真，并对波形在时域和频域内进行分析，结果表明：声发射渡形的主波谷值随撞击速度增加而线性增加，直到防护结构被击穿；声发射波形中的高频分量与低频分量幅值之比存在一个区别成坑模式与击穿模式的阈值。基于上述结果提出了一种在撞击弹丸尺寸已知条件下辨识成坑模式并对其撞击速度及其弹坑尺寸进行估计的方案。
关键词 空间碎片 超高速撞击 声发射辨识 参数估计 数值仿真
1 引言
由于人类航天事业的发展，在地球周围已经分布了大量的空间碎片，加上其自然存在的微流星体，空间碎片高速撞击给人类的航天活动带来了巨大的威胁[1]。如果这些以超高速运行的粒子撞击到航天器的表面，就会对航天器造成严重甚至于毁灭性的破坏。在此背景下，有学者提出一种使用多传感器网络对航天器的表面进行监测的方案[2]，通过此系统，对航天器的表面受到的空间碎片撞击情况进行实时监控，所得到的数据将成为损伤评估以及启动应急方案的重要依据。迄今为止，各国专家提出的方案涵盖了多种类型的传感器。其中，压电型的声发射传感器以其可以得到丰富的撞击数据、技术成熟、对航天器附加较小的载荷等优点，具有较好的应用前景。
利用声发射传感器对空间碎片的撞击进行监测，其技术基础就是超高速撞击中的声发射现象。传统的声发射技术，主要是对力学环境下的材料失效、结构疲劳、裂纹萌生和扩展、机械加工等现象进行研究。对由于空间碎片超高速撞击航天器表面所引起应力波释放的现象(从广义上来看也可以称为“声发射现象”)进行研究的报导目前还较少。Schafer与Liu都研究了超高速撞击的声发射定位[2-3]，William Prosser以超高速撞击为目标研究了冲击载荷引起的声发射波，并实际利用超高速撞击声发射实验进行测试，观察到声发射波频率峰值随撞击速度的转移现象[4-5]。本文针对特定参数的单层板防护结构进行了超高速撞击实验，通过在特定位置安装的超声传感器来采集声发射波形信号；同时进行了相同工况下的数值仿真，与实验结果进行了对比，并在有效性前提下对工况进行推广。利用上述手段，获取了单层板在受到不同速度弹丸撞击时的声发射波形，探讨利用其辨识成坑模式并估计其参数的可行性及方案。本文的研究为利用声发射信号定量评估由空间碎片超高速撞击所导致的航天器表面损伤奠定了技术基础。
