一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法技术

本发明专利技术提供一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，包括如下步骤：步骤一：进行卫星的等效计算，其中卫星等效计算包括卫星形状等效、结构强度等效和剩余推进剂等效；步骤二：根据卫星的等效计算结果，进行爆炸解体碎片分布特性评估，评估内容包括爆炸解体碎片总数预测、碎片质量分布、面质比分布以及速度增量分布关系。本发明专利技术通过卫星建模分析和解体行为数值运算，可快速评估在轨卫星发生意外爆炸解体时的解体碎片分布特性，科学分析解体碎片对正常运行卫星及轨道资源可能造成的危害，以便采取有效的应对措施。

【技术实现步骤摘要】
一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法
本专利技术主要涉及冲击动力学技术和航天飞行器空间防护领域，具体涉及一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法。
技术介绍
随着人类航天发射活动的日趋频繁，空间碎片环境日益恶化，对航天器在轨安全运行构成了严重威胁。空间碎片主要源于运载火箭末级箭体、航天器在轨解体碎片、任务相关碎片(又称操作碎片)和失效航天器等方面，而且，各部分所占比例是随时间变化的。据美国SS编目的物体数量统计，在2007年之后，突发卫星解体事件导致解体碎片上升趋势非常明显，甚至已成为突发新增空间碎片最主要的来源。造成卫星解体事件的原因通常有意外碰撞、剩余推进剂爆炸以及故意事件、电池等，而剩余推进剂爆炸以及故意事件占了其中的绝大部分。因此，如何科学评估在轨卫星发生意外爆炸解体，分析解体碎片对正常运行卫星及轨道资源可能造成的危害和不利影响，采取有效的应对措施，是当前空间碎片领域的重大研究课题。在轨卫星(或航天器)发生意外爆炸解体事件，其爆炸强度等级、解体模式以及由此产生的解体碎片质量、速度增量和空间密度等分布特性，主要取决于两方面因素，一是卫星所携带的剩余推进剂量，二是卫星形状、材料及结构等自身约束条件。在轨卫星(或航天器)形式和结构多样，解体行为及模式复杂，无论在轨或地面模拟实验还是理论分析都存在相当的难度，很大程度上制约了研究工作的开展，特别是更具应用价值的解体模型尚待进一步深入研究和建立。
技术实现思路
为解决目前技术的不足和存在的问题，本专利技术结合带壳装药爆炸解体碎片分布规律，提出了一种卫星(或航天器)爆炸解体碎片分布特性的评估方法。本专利技术的技术方案如下：一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，具体过程包括两个主要模块，第一，卫星等效模块，主要包括卫星形状等效、结构强度等效和剩余推进剂等效三个方面；第二，爆炸解体碎片分布特性评估模块，主要包括爆炸解体碎片总数预测、碎片质量分布、面质比分布以及速度增量分布等关系。根据总体评估框架，得到卫星爆炸解体碎片分布特性评估方法的详细步骤如下：首先，进行卫星形状的等效，考虑到外壳的几何形状多种多样，有球形、棱柱形、圆柱形和各种不规则的多面体等，除维持外形外，外壳还应满足表面积、卫星内容积、热控制、空间辐射防护、各种表面开孔等要求。为便于问题分析和地面模拟试验的进行，将卫星形状等效为简单的几何体，如球体、圆柱体和立方体等。然后，进行卫星结构强度的等效，在卫星结构设计中，使用最普遍的是蜂窝夹层板结构，几乎占整个卫星结构重量的90％，而且蜂窝夹层结构已经成为主要的承力结构。蜂窝夹层板由上、下面板和蜂窝芯层组成，为便于问题分析，在本专利技术中，将其等效为与原来夹层板强度相同的各向同性等效靶板。假设蜂窝夹层板和等效壳体的应力沿厚度均匀分布，各应力之间存在下面的关系式N＝δ0σ0+(δ1+δ2)σ＝σeqδeq(1)于是可以导出等效板的厚度，即卫星结构强度的等效公式为式中，N为平面应力；δ0为夹芯层厚度；δ1为上表板厚度；δ2为下表板厚度；δeq为等效板厚度；σ0为夹芯层强度；σ为上、下表板强度；σeq为等效板强度。接下来，进行剩余推进剂的等效，考虑到卫星发射时携带的推进剂通常有4种用途：用于速度控制的推进剂，用于姿态控制的推进剂，储备量和剩余量。储备推进剂量为总推进剂量的9％～20％，而剩余量为总推进剂量的1％～2％，据此，可以认为卫星运行过程中发生爆炸时剩余推进剂量为总推进剂量的1％～20％。在进行剩余推进剂等效时，本专利技术基于爆炸过程中的做功能力等效原则，利用常用猛炸药(如梯恩梯、B炸药等)替代推进剂爆炸，首先根据TNT爆炸当量的概念将推进剂质量等效为爆炸威力相同的TNT的质量，即mT＝Y×m0(3)式中，m0为推进剂总质量(包括燃料和氧化剂)，kg；mT为与m0的推进剂爆炸威力相当的TNT的质量，kg；Y为推进剂的TNT爆炸当量系数，常用液体推进剂的TNT爆炸当量系数如表1所示。在利用式(3)得到等效TNT的质量之后，根据做功能力等效原则来进行TNT和其它猛炸药之间的等效替换，采用特性乘积法计算做功能力，并利用约翰逊(C·H·Johansson)的臼炮法测定的结果可得A＝3.65×10-4Qvvg(4)式中，A为做功能力，kJ·g-1；Qv为爆热，kJ·g-1；vg为气态爆炸产物的体积，cm3·g-1；AT为TNT的做功能力；AB为某种等效炸药的做功能力；mB为等效炸药的质量；mT为TNT的质量。其中爆热和气体爆炸产物的体积需要根据实验测定，几种常用炸药爆热如表2所示。通过式(3)～(5)便可以将推进剂质量等效为与之爆炸威力相同的任意猛炸药质量，这样，在地面模拟试验中就可以使用炸药来替换推进剂，进行卫星爆炸解体地面模拟试验，获得卫星爆炸解体的基础数据。表1液体推进剂爆炸TNT当量系数表2几种炸药爆热及爆炸产物体积值通过上述步骤，即可完成对卫星的等效，在此基础上，将进入卫星爆炸解体碎片分布特性评估模块。首先，针对上述卫星等效模型，引入战斗部碎片总数预测公式估算卫星爆炸解体碎片总数，具体表达式为式中，N0为爆炸产生的碎片总数；A为与炸药相关的常数(常用炸药的A值见表3)，(g.mm-3)1/2；M为卫星模型的质量，g；d为卫星等效直径，mm；δ为卫星等效壁厚，mm；C为等效装药量，g。但是，需要注意的是，卫星爆炸解体与战斗部爆炸解体存在本质区别，因此，式(6)和(7)中的参数需要通过地面模拟实验获得，而不能直接使用战斗部爆炸解体的相关参数。对于可近似为类圆柱体的卫星，其碎片总数预测公式可参考文献[余庆波，徐峰悦，王勤智等.模拟卫星结构爆炸解体碎片分布特性.兵工学报.]，具体表达式为式中，为碎片平均质量(g)；C为剩余燃料质量(g)；M为卫星结构质量(g)；δ为卫星等效壳体壁厚(mm)；d为卫星等效结构直径(mm)；Y为推进剂的TNT爆炸当量系数。表3常用炸药的A值在得到卫星爆炸解体碎片总数之后，引入低强度爆炸解体碎片分布模型，可得到碎片数随碎片质量的分布关系为式中，Nf为质量大于m的碎片数；N0为碎片总数；m为碎片质量；为归一化碎片质量；B为爆炸强度；c为斜率参数；k为校准参数，参数设置为：c＝0.55，k＝8.7。需要注意的是，参数B的取值与N0密切相关，其关系式可表述为式中，Nf0max为可能产生的最大碎片数，mtr为已知的示踪质量，Nftr为质量大于mtr的碎片数。然后，在获得碎片数与碎片质量之间的关系条件下，根据碎片质量和特征直径之间的关系可得到碎片数和特征直径的关系为式中，d*为参考直径，1cm；p为幂律参数，p＝1.13；ρ*＝ρ(d*)＝2700kg/m3；ρmax＝4700kg/m3；d为碎片直径，m；m*为参考质量，1.41372g；Nf为特征直径大于d的碎片数；Nf0为爆炸解体碎片总数；B为爆炸强度；c为斜率参数；k为校准参数。而且，考虑到特征直径和面质比之间存在的转换关系为在此基础上，联合式(14)可以得到碎片数与面质比之间的关系为式中，Nf为面质比小于A/m的碎片数，fA＝π/4，其余各物理量的意义与式(14)中的相同。通过推进剂与炸药之间的等效，引入战斗部碎片初速计算公式来预测卫星爆炸解体产生碎片的碎片初始速度增量(即最大速度增量)vi，即式中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：进行卫星的等效计算，其中卫星等效计算包括卫星形状等效、结构强度等效和剩余推进剂等效；步骤二：根据卫星的等效计算结果，进行爆炸解体碎片分布特性评估，评估内容包括爆炸解体碎片总数预测、碎片质量分布、面质比分布以及速度增量分布关系。

【技术特征摘要】
1.一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：进行卫星的等效计算，其中卫星等效计算包括卫星形状等效、结构强度等效和剩余推进剂等效；步骤二：根据卫星的等效计算结果，进行爆炸解体碎片分布特性评估，评估内容包括爆炸解体碎片总数预测、碎片质量分布、面质比分布以及速度增量分布关系。2.如权利要求1所述的一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，其特征在于，在步骤一中，首先进行卫星形状的等效，将卫星外壳形状等效为简单的几何体；然后进行卫星结构强度的等效，将其等效为与卫星蜂窝夹层板强度相同的各向同性等效靶板，并设定蜂窝夹层板和等效壳体的应力沿厚度均匀分布，各应力之间存在下面的关系式N＝δ0σ0+(δ1+δ2)σ＝σeqδeq(1)通过上式可导出等效板的厚度，即卫星强度结构的等效公式为式中，N为平面应力；δ0为夹芯层厚度；δ1为上表板厚度；δ2为下表板厚度；δeq为等效板厚度；σ0为夹芯层强度；σ为上、下表板强度；σeq为等效板强度；最后，进行剩余推进剂的等效，基于爆炸过程中的做功能力等效原则，根据TNT爆炸当量的概念将推进剂质量等效为爆炸威力相同的TNT的质量，即mT＝Y×m0(3)式中，m0为推进剂总质量(包括燃料和氧化剂)，kg；mT为与m0的推进剂爆炸威力相当的TNT的质量，kg；Y为推进剂的TNT爆炸当量系数；在利用式(3)得到等效的TNT的质量之后，根据做功能力等效原则来进行TNT的等效替换，采用特性乘积法计算做功能力，公式如下A＝3.65×10-4Qvvg(4)式中，A为做功能力，kJ·g-1；Qv为爆热，kJ·g-1；vg为气态爆炸产物的体积，cm3·g-1；AT为TNT的做功能力；AB为某种等效炸药的做功能力；mB为等效炸药的质量；mT为TNT的质量；通过式(3)～(5)便可以将推进剂质量等效为与之爆炸威力相同的任意猛炸药质量，这样，在地面模拟试验中就可以使用炸药来替换推进剂，进行卫星爆炸解体地面模拟试验，获得卫星爆炸解体的基础数据。3.如权利要求2所述的一种卫星爆炸解体碎片分布特性的评估方法，其特征在于，在步骤二中，首先，针对卫星等效模型，引入战斗部碎片总数预测公式估算卫星爆炸解体碎片总数，具体表达式为式中，N0为爆炸产生的碎片总数；A为与炸药相关的常数，(g.mm-3)1/2；M为卫星模型的质量，g；d为卫星等效直径，mm；δ为卫星等效壁厚，mm；C为...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐峰悦，
申请(专利权)人：贵州理工学院，
类型：发明
国别省市：贵州,52