屏舱声发射信号耦合及对在轨感知系统定位的影响研究

论文摘要

空间碎片环境日益恶劣,严重威胁了航天器在轨运行安全。目前,对于直径1cm~10cm之间的空间碎片既不能准确预测其运行轨道,也无法提供有效的防护结构抵御其撞击,因此,需要在轨感知系统监测空间碎片撞击航天器事件,判断撞击的位置和评估损伤情况。目前,在国内,哈尔滨工业大学空间碎片高速撞击研究中心和北京强度环境研究所合作开发了基于声发射技术的在轨感知系统样机。防护屏结构对该系统的工程应用提出了挑战,空间碎片撞击防护屏激发声发射信号,之后生成空间碎片继续撞击密封舱舱壁,再次激发声发射信号。两种声发射信号先后传播到安装在舱壁上的传感器,它有可能使安装在舱壁上的传感器在接收到碎片云撞击舱壁引起的声发射信号之前被误触发,使感知系统得到错误的声发射信号到达时刻,这会对在轨感知系统的定位造成影响,因此,必须对屏舱声发射信号耦合这一现象进行研究。本文用铝弹丸撞击防护结构模型来模拟空间碎片撞击航天器,研究了铝弹丸撞击防护结构模型前板引起的声发射信号传播到后板上之后信号的幅值特性和频率特性。提出了影响时间的概念,根据最大影响时间确定了从防护屏上传播到舱壁上的干扰声发射信号,对干扰声发射信号和碎片云撞击后板产生的S0模态的声发射信号进行幅值和频率对比分析,同时还对加橡胶垫片和不加橡胶垫片模型的干扰信号进行了幅值和频率的对比分析。得出三个结论:1)干扰信号和有效信号的频带是重合的,很难通过滤波或者小波变换提取特定频率的信号来去除干扰声发射信号;2)干扰声发射信号的最大幅值比碎片云撞击舱壁产生的S0模态声发射信号的第一峰值低,可以通过合理设置阈值来确定声发射信号的到达时刻。3)在前板和支撑结构间增加一层橡胶垫片,能明显降低干扰声发射信号的幅值。对在轨感知系统的工程实用化有积极的意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 空间碎片环境
• 1.1.2 空间碎片危害
• 1.1.3 研究目的和意义
• 1.2 基于高速撞击声发射技术的在轨感知系统研究现状
• 1.2.1 美国航空航天局（NASA）的相关研究项目
• 1.2.2 欧空局（ESA）的相关研究项目
• 1.2.3 国内声发射在轨感知系统研究
• 1.3 现状分析及研究内容
• 1.3.1 现状分析
• 1.3.2 研究内容
• 第2章 研究方案
• 2.1 引言
• 2.2 模态声发射基础
• 2.3 数据处理工具
• 2.3.1 快速傅里叶变换的原理
• 2.3.2 小波分析
• 2.4 到达时刻确定及定位算法
• 2.4.1 到达时刻确定方法
• 2.4.2 定位算法
• 2.5 实验方案
• 2.5.1 模拟航天器防护结构的模型
• 2.5.2 实验设备
• 2.5.3 干扰信号范围的确定
• 2.5.4 减小干扰信号幅值的措施
• 2.6 本章小结
• 第3章 方案验证
• 3.1 引言
• 3.2 模型和航天器防护结构相似性验证
• 3.3 橡胶垫片对干扰信号幅值衰减和频率衰减的作用
• 3.3.1 传感器布局
• 3.3.2 橡胶垫片对干扰信号幅值衰减的作用
• 3.3.3 橡胶垫片对干扰信号频率衰减的作用
• 3.4 本章小结
• 第4章 高速撞击声发射信号分析
• 4.1 引言
• 4.2 实验过程
• 4.3 传感器布局
• 4.4 模型前后板声发射信号对比分析
• 4.4.1 高速撞击原始声发射信号
• 4.4.2 信号截取
• 4.4.3 幅值分析
• 4.4.4 频率分析
• 4.5 干扰声发射信号和舱壁有效声发射信号对比分析
• 4.5.1 幅值对比
• 4.5.2 频率对比
• 4.6 本章小结
• 第5章 防护结构模型撞击定位
• 5.1 引言
• 5.2 传感器布局
• 5.2.1 前面板传感器布局
• 5.2.2 工字梁模型后板传感器布局
• 5.2.3 圆柱支撑模型后板传感器布局
• 5.3 波速测量
• 5.3.1 前板S0 模态声发射信号波速测量
• 5.3.2 后板S0 模态声发射信号波速测量
• 5.4 定位算例
• 5.5 模型前后板定位结果
• 5.6 本章小结
• 结论和展望
• 参考文献
• 致谢