空间碎片超高速撞击载人密封舱Whipple结构感知与定位研究

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1、硕士学位论文空间碎片超高速撞击载人密封舱Whipple结构感知与定位研究THEWHIPPLESTRUCTURESENSINGANDPOSITIONINGOFSPACECRAFTDEBRISWITHHYPERVELOCITYIMPACTMANNEDCAPSULES王紫潇哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：V423.7学校代码：10213国际图书分类号：629.7密级：公开工学硕士学位论文空间碎片超高速撞击载人密封舱Whipple结构感知与定位研究硕士研究生：王紫潇导师：庞宝君教授申请学位：工学硕士学科：航空宇

2、航科学与技术所在单位：航天学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:V423.7U.D.C:629.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringPERCEPTIONANDLOCATIONOFWHIPPLESTRUCTUREOFMANNEDSPACECAPSULEIMPACTEDBYSPACEDEBRISCandidate：WangZixiaoSupervisor：Prof.PangBaojunAcademicDegreeApp

3、liedfor：MasterofScienceinEngineeringSpeciality：AeronauticalandAstronauticalScienceandTechnologyAffiliation：SchoolofAstronauticsDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要随着人类对太空环境持续不断地探索，空间碎片环境日益恶劣，严重威胁在轨航天

4、器的安全运行。根据尺寸分为大碎片、小碎片和危险碎片，其中对于大碎片主要采用在轨机动进行规避；对于小碎片主要采用防护结构；但是对于直径在1cm~10cm范围内的危险碎片，既无法准确预测其轨道参数，提前规避，也无法对其有效防护。针对危险碎片，人们提出对撞击事件进行感知、定位及损伤模式识别的在轨感知系统。大型载人航天器的舱壁外通常安装有Whipple防护结构，采用T型支柱连接固定。空间碎片与Whipple结构防护屏发生碰撞时，产生的声发射信号会经过T型支柱传递到安装在舱壁上的传感器，从而与二次碎片云直接撞击舱壁的信号发生

5、一定叠加。对空间碎片撞击在轨航天器密封舱Whipple防护结构的感知与定位问题进行研究。主要内容如下：（1）Whipple结构上板下传信号传递的时序特征。Whipple结构存在多个T型支柱，分析下传支柱的时序特征，将传感器采集到的信号与下传信号支柱顺序对应，是实现对Whipple结构防护屏声发射源定位的关键。当传感器距某一T型支柱的距离小于所有T型支柱间距离中最短的1/10时，传感器采集的信号头部由此T型支柱传下。（2）Whipple结构超高速撞击无干扰区范围。当空间碎片击穿Whipple结构防护屏产生的二次碎片云

6、撞击在舱壁上，所产生声发射信号与经由T型支柱传递到舱壁信号在时域可能发生耦合。通过地面实验对空间碎片撞击Whipple结构防护屏事件模拟，传感器采集到的声发射信号的头部为碎片云二次撞击产生，上板下传信号不会对超高速撞击定位产生干扰。（3）Whipple结构上板下传信号感知识别。从时域、频域以及模态特征三个方面对传感器可能采集到的信号分析，根据信号的时域、频域以及模态特征的差异区分，其识别率为90%，当上板下传信号距离撞击位置较远时，信号很难与其他干扰信号区分开。（4）Whipple结构防护屏撞击源定位并研究舱外设备

7、对定位结果影响。首先提出了一种面对Whipple结构防护屏的定位算法，使用两种长度T型支柱的Whipple结构进行实验，对定位算法验证。两种支柱下的定位精度都满足要求。设备对信号传播的影响较小，影响信号传播的主要因素是信号穿过加筋结构的数I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文量，加筋节点不会对信号传播产生影响。关键词：空间碎片；超高速撞击；声发射；Whipple防护结构；在轨感知II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractAsmankindcontinuestoexplorethespaceenvironment,

8、thespacedebrisenvironmentisincreasinglydeteriorating,whichseriouslythreatensthesafeoperationofspacecraftinorbit.Accordingtothesize,itisdividedintolargedebris,smalldebris,anddangero