118 / 2019-06-26 14:35:42

剩余推进剂当量对卫星爆炸解体碎片分布特性的影响研究

剩余推进剂，卫星，爆炸解体，SPH方法

航天器爆炸解体是空间碎片的主要来源之一。当前对于爆炸解体事件，通常采用NASA标准解体模型来描述解体碎片的分布，但是该模型仅采用一个缩放因子来表征几类典型的前苏联卫星爆炸解体事件，不能进一步反映航天器结构、推进剂剩余量等因素的影响。本文采用中国空气动力研究与发展中心研发的基于SPH方法的大规模并行计算软件PTS，对模拟卫星结构在推进剂爆炸作用下的解体过程进行了数值模拟研究，获得了解体碎片尺寸、面质比、速度等特性随着爆炸当量的变化规律，为开展爆炸解体模型的改进提供基础性认识。
将剩余推进剂按照当量等效为一定质量的TNT，采用Lost模型描述TNT的爆轰过程。在SPH框架内统一处理固体和气体，固体粒子的偏应力张量根据本构方程计算，而气体粒子的偏应力张量为零，系统满足质量、动量和能量守恒。卫星壳体及内部单机视为薄壁结构，提出了一种包含最大拉应力、最大剪切应力以及最大塑性应变失效准则在内的混合失效模型来描述其材料的失效行为。失效的粒子如果处在拉伸状态，那么此粒子与其它粒子没有相互作用。采用一种与SPH方法完全相容而且具有物理意义的碎片识别算法，即在SPH框架内无相互作用的两个粒子属于不同的碎片，碎片识别结果和粒子光滑长度、核函数影响域大小、粒子失效情况等都有关，而不是单纯的基于距离。采用上述数值模拟方法，对炮弹爆炸问题进行了模拟，通过将计算后识别得到的碎片分布与经典的Mott破片分布模型进行对比（图1），验证了上述方法的准确性和有效性。
研究的卫星为模拟构型，外形为边长1m的立方体，卫星外壳为蜂窝铝材料，卫星内部安装有3个单机，材料为铝合金。推进剂位置固定于卫星中心附近，爆炸当量分别设为2kg、5kg、10kg、15kg和20kg（图2）。每个算例的粒子规模约为1000万，模拟的物理时间持续到爆炸发生后6ms，采用240个核并行计算耗时约24h。通过数据分析，得到了碎片尺寸、碎片速度均值与方差以及面质比分布随爆炸当量变化的定量规律（图3）。此外，还发现爆炸当量对碎片尺寸-质量关系以及尺寸-横截面积关系无明显影响（图4）。