龐寶君, 劉治東, 張 凱, 龔海鵬, 唐 頎, 劉武剛, 韓增堯, 劉 剛

（1.哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱 150080；2.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；3.北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

0 引言

隨著人類空間活動的日益頻繁，空間碎片環(huán)境日趨惡化。根據(jù)美國空間監(jiān)視網(wǎng)探測結果：截止到2009年10月，直徑大于10 cm的空間碎片數(shù)量為15 000塊，直徑小于 10 cm 的空間碎片數(shù)目非常巨大，難以計數(shù)。這些空間碎片對航天器的在軌安全運行構成了嚴重的威脅[1-4]。為了應對空間碎片的撞擊威脅，廣泛地開展了空間碎片的減緩和防護技術研究[5-6]。同時為了對航天器在軌遭受空間碎片撞擊事件進行實時監(jiān)測，世界主要航天國家或機構分別提出了多種空間碎片撞擊在軌監(jiān)測的技術措施，如熱成像感知技術、電磁波發(fā)射技術、基于聲發(fā)射技術的在軌感知技術、電阻薄膜監(jiān)測技術、聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜監(jiān)測技術、電容傳感監(jiān)測技術等。其中基于聲發(fā)射技術的在軌感知技術受到了最廣泛的關注，它技術成熟，具有航天器資源占用率低、環(huán)境適應性強、對結構形狀不敏感等特點，易于實現(xiàn)在軌實時監(jiān)測，被認為是最合適的在軌監(jiān)測技術手段[7-9]。該技術方法的優(yōu)點主要表現(xiàn)為：

1）它是一種動態(tài)檢測方法。由于感知系統(tǒng)所探測到的能量是來自空間碎片撞擊事件本身，因此，聲發(fā)射在軌感知系統(tǒng)所需功耗小，對航天器電源造成的負擔小。

2）聲發(fā)射源種類較多，除了空間碎片撞擊造成的聲發(fā)射現(xiàn)象外，航天器的氣體泄漏也可激發(fā)聲發(fā)射現(xiàn)象。因此，聲發(fā)射感知系統(tǒng)除了用于空間碎片撞擊監(jiān)測外，還可以用于航天器其他損傷和缺陷的監(jiān)測。

3）在一次空間碎片撞擊事件中，聲發(fā)射感知系統(tǒng)能夠整體探測和評價整個航天器結構中損傷的狀況并識別空間碎片的撞擊參數(shù)。

4）可提供動態(tài)缺陷隨載荷、時間、溫度等參量而變化的實時或連續(xù)信息，因此適用于對在軌航天器在線監(jiān)測和早期或臨近破壞預報。

5）環(huán)境適應性強，適用于空間的高低溫、高真空、強電磁輻射等環(huán)境。

6）空間碎片超高速撞擊航天器產(chǎn)生的聲發(fā)射信號能量很大，因此使用少量傳感器就可以實現(xiàn)大面積監(jiān)測。

7）每次聲發(fā)射事件中，各傳感器都能接收到來自同一聲發(fā)射源激發(fā)的聲發(fā)射信號，單個傳感器失效不會影響整個系統(tǒng)的功能，因此聲發(fā)射在軌感知系統(tǒng)具有很高的可靠性。

損傷位置的精確定位是聲發(fā)射技術檢測方法的基本功能，針對聲發(fā)射技術已經(jīng)發(fā)展了一系列用于損傷定位的方法[10-11]。對于突發(fā)型聲發(fā)射信號，有兩種定位方法：時差定位和區(qū)域定位。區(qū)域定位是一種處理速度快、簡便且粗略的定位方式，無法精確定位損傷位置。時差定位是通過對各個聲發(fā)射通道信號到達的時間差、波速和探頭間距等參數(shù)的測量，利用某種算法的計算來確定聲發(fā)射源的精確坐標或位置。但它易丟失大量的低幅度信號，其定位精度也會受波速、波形、波傳播過程中的衰減和構件形狀等許多因素變化的影響。因此時差定位法在實際應用中會受到種種限制。

1 空間碎片撞擊在軌感知技術的工作原理

基于聲發(fā)射技術的在軌感知技術的工作原理是利用聲發(fā)射換能器對空間碎片超高速撞擊所致的聲發(fā)射現(xiàn)象進行感知，利用定位算法和損傷識別技術來確定損傷位置與損傷情況，并對碎片撞擊情況作出動態(tài)的監(jiān)測與預報，其基本構成如圖 1所示。傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術主要是對一般力學環(huán)境下材料的失效，結構疲勞，裂紋產(chǎn)生和擴展，機械加工質(zhì)量等細觀現(xiàn)象進行研究[12-13]。近年來，隨著聲發(fā)射技術應用范圍的拓寬，聲發(fā)射的定義也得到擴展，已將諸如撞擊、湍流、泄漏、噴注等過程在結構中誘發(fā)的應力波也歸入聲發(fā)射范疇中，并利用聲發(fā)射技術進行研究。

圖 1 航天器空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)傳感器陣列示意圖Fig.1 Schematic diagram of space debris impact sensor network on a generic satellite

2 空間碎片撞擊在軌感知技術的國內(nèi)外研究進展

國外早在20世紀70年代就開始了該技術的研究工作，但其早期工作主要集中在利用模擬聲發(fā)射源開展該技術的可行性研究上。隨著載人航天的發(fā)展，尤其是“哥倫比亞號”航天飛機失事后，該技術受到了高度重視，隨之進行了一系列超高速撞擊聲發(fā)射試驗。

20世紀70年代，美國NASA針對3種不同的檢漏技術還開展了空間站氣體泄漏檢測技術的對比研究：對氣體濕度敏感的密封泄漏感應器檢漏技術、基于 LAMB探傷原理的主動探傷器檢漏技術和利用壓電傳感器監(jiān)測空間碎片撞擊艙壁激發(fā)應力波（聲發(fā)射現(xiàn)象）的被動撞擊感知系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)，壓電傳感器的被動撞擊感知系統(tǒng)可以有效地定位撞擊源位置，具有較好的發(fā)展前景[14]。在20世紀90年代早期，為了滿足空間站的安全需要，NASA開始對基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊和氣體泄漏事件的感知技術進行研究。利用斷鉛信號模擬空間碎片撞擊源，在鋁板上開展了撞擊源定位技術的研究。研究中，分析了信號在時域的變換規(guī)律，利用神經(jīng)網(wǎng)絡技術較精確地定位了聲發(fā)射源位置；研究還發(fā)現(xiàn)，當聲發(fā)射源與傳感器距離過大后，互相關方法無法有效地處理聲發(fā)射信號[15]。20世紀90年代，ESA對自己承擔設計的國際空間站哥倫比亞艙進行了地面試驗，開展了利用聲發(fā)射技術對其進行撞擊與定位的檢測研究，通過這種全尺寸實物的測試證明了這種技術的可行性[16-17]。

國內(nèi)空間碎片研究起步較晚，但已有多家研究機構在超高速撞擊的在軌檢測方面開展了研究工作，其中哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心率先提出并開展了基于聲發(fā)射技術空間碎片撞擊在軌感知技術的研究工作。蘭州物理研究所對碎片監(jiān)測之用的半導體探測器的幾項關鍵制造工藝進行了研究，目前還停留在探測器樣機研究階段。中國科學院空間科學與應用研究中心采用國內(nèi)較成熟的YDT探測器對撞擊效應進行了原理性試驗。該探測器靈敏度很高，但是其傳感面必須在受到撞擊時才能夠感知到撞擊的信號，因此要在結構復雜和面積較大的航天器表面安裝它將會受到很大限制。哈爾濱工業(yè)大學研制了基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機，在空間碎片撞擊在軌感知技術領域取得了重大突破。

基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括：超高速撞擊聲發(fā)射信號獲取技術，聲發(fā)射信號特征鑒別分析技術，撞擊源定位和損傷模式識別技術，聲發(fā)射源建模技術以及空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機等。

2.1 超高速撞擊聲發(fā)射信號獲取技術

研究超高速撞擊聲發(fā)射現(xiàn)象，首先要解決信號獲取技術。目前，利用二級輕氣炮進行超高速撞擊試驗和數(shù)值仿真試驗是獲取超高速撞擊聲發(fā)射信號的主要手段。

2.1.1 超高速撞擊試驗

非火藥驅(qū)動的二級輕氣炮是目前最常用的超高速發(fā)射裝置，包括發(fā)射系統(tǒng)、測速系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等4個部分。發(fā)射系統(tǒng)用于將模擬空間碎片的彈丸發(fā)射至試驗所需的速度，實現(xiàn)彈丸對靶件的超高速撞擊。該發(fā)射系統(tǒng)的一級驅(qū)動氣體為氮氣，二級驅(qū)動氣體為氫氣。測速系統(tǒng)用于彈丸著靶前的飛行速度測量，主要有磁感應測速方法和激光干涉測速方法。配氣系統(tǒng)用于高壓氣室的加壓充氣以及泵管內(nèi)充填氫氣。真空系統(tǒng)用于在靶艙內(nèi)形成真空環(huán)境，使靶艙內(nèi)壓力小于200 Pa。

使用二級輕氣炮，還可以進行碎片云撞擊試驗。在靶板前方一定距離處放置一塊擋板，彈丸撞擊該擋板形成碎片云，碎片云通過一段距離的膨脹、生長后撞擊后方靶板。通過選擇不同的前、后板距離和前板厚度可以控制碎片云特征[18-19]。

為了獲取超高速撞擊試驗的聲發(fā)射信號，需要選擇合適的傳感器并對其頻響特性進行標定。通常應選用寬帶響應的聲發(fā)射傳感器或超聲傳感器，如美國泛美（Panametrics）公司的 V182 型號的超聲換能器。圖2為該公司提供的V182傳感器頻譜，它在20 kHz～1 MHz區(qū)間的頻率響應曲線平滑、近似線性變化，可以得到高保真的波形。雖然V182傳感器在該頻率區(qū)間內(nèi)靈敏度較低，但超高速撞擊聲發(fā)射信號強烈，所采信號仍能滿足信噪比要求。

圖 2 美國泛美公司提供的V182傳感器的頻譜Fig.2 Frequency spectrum of V182 sensor supplied by Panametrics

2.1.2 數(shù)值仿真手段

輕氣炮發(fā)射的彈丸速度難于精確控制和試驗瞬態(tài)難于記錄，不利于后續(xù)的深入分析工作，因此有必要發(fā)展數(shù)值仿真試驗手段作為補充。數(shù)值仿真試驗可以精確控制撞擊速度和觀察記錄撞擊瞬態(tài)變化過程，從而有效地降低研究成本。數(shù)值仿真手段長期被用于研究超高速撞擊問題，但仍很少被用于獲取超高速撞擊聲發(fā)射信號。

唐頎和劉武剛在Autodyn軟件平臺上分別建立了Lagrange算法和SPH算法的模型，材料模型選用了 Mie-Gruneisun物態(tài)方程和 Johnson-Cook強度模型。對實際試驗中采集的聲發(fā)射波形進行還原，實際測量靶板損傷模式，并與數(shù)值仿真的結果進行了對比，結果表明兩種模型都與超高速撞擊試驗結果具有較好的一致性，滿足進行超高速撞擊聲發(fā)射損傷評估研究的需要[20-21]。兩種模型具有不同特點，其中Lagrange算法具有邊界清晰、計算效率高的優(yōu)點；SPH算法在碎片云撞擊模擬上具有優(yōu)勢，是研究碎片云撞擊聲發(fā)射信號的有力手段。

S.Ryan先生利用Autodyn平臺建立了碳纖維增強層合板/鋁芯蜂窩板的超高速撞擊模型，他首先建立了各向異性的碳纖維增強層合板的材料模型，又利用Lagrange算法和SPH算法聯(lián)合建立了碳纖維增強層合板的模型，利用殼體單元建立鋁芯模型。對比實際試驗和仿真試驗的聲發(fā)射信號，表明該模型與超高速撞擊試驗具有一定的一致性[22]。

2.2 超高速撞擊聲發(fā)射信號特征識別技術

掌握超高速撞擊聲發(fā)射信號特征是開發(fā)基于聲發(fā)射技術的在軌感知系統(tǒng)的技術基礎。借助上述超高速撞擊聲發(fā)射信號獲取技術，獲得各種超高速撞擊聲發(fā)射信號。然后利用傅立葉變換、小波變換和希爾伯特-黃變換（HHT）等信號處理手段，分析聲發(fā)射信號波形，研究超高速撞擊聲發(fā)射信號的模態(tài)特征和傳播規(guī)律。

2.2.1 超高速撞擊聲發(fā)射信號模態(tài)特征

Willam H.Prosser先生及其合作者在NASA的Langley研究中心對撞擊聲發(fā)射源損傷評估進行了一系列的研究。通過選用高保真的超聲傳感器收集聲發(fā)射信號，在鋁板和多種碳纖維增強層合板上進行了撞擊聲發(fā)射試驗，撞擊速度覆蓋了低速和高速范圍。試驗發(fā)現(xiàn)，彈丸撞擊鋁板會激發(fā)出膨脹波和彎曲波兩種模態(tài)成分，膨脹波幅值隨撞擊速度的增加而增強。在增強層合板撞擊試驗中也觀察到了相同現(xiàn)象，但增強層合板被擊穿后只剩余膨脹波，這是增強層合板與鋁板超高速撞擊聲發(fā)射信號的一個顯著區(qū)別[23]。

F.Schafer先生還利用二級輕氣炮和激光速度干涉測速儀采集了鋁彈丸以5.2 km/s速度分別撞擊鋁合金薄板、CFRP及蜂窩板的聲發(fā)射波形并對它們進行分析[24]。他認為3種情況中的波形都可以鑒別出擴展波、剪切波和彎曲波3部分，與它們對應的波速和到達時間吻合。他還利用FFT對3個波形進行了頻譜分析。在“哥倫比亞號”航天飛機爆炸后，為了給航天飛機提供撞擊感知和損傷識別技術，NASA對航天飛機開展了聲發(fā)射感知技術的研究工作，Madaras等人設計了一系列撞擊試驗，對航天飛機不同部位遭受不同碎片撞擊的聲發(fā)射信號進行了研究。他們使用了不同大小的泡沫材料和鋁球作為彈丸，以不同的速度和角度撞擊鋁板、玻璃纖維層合板、航天飛機起落架艙門、機翼、隔熱瓦等靶件。試驗發(fā)現(xiàn)機翼表面玻璃纖維板在被擊穿時只產(chǎn)生了頻率在80 kHz左右的膨脹波，這與Prosser先生的研究結果相同[25]。

S.Ryan先生主要用流體代碼數(shù)值仿真得到的超高速撞擊波形，研究了特定工況下超高速撞擊產(chǎn)生的彎曲波[26]。他的方法是通過對波形的直接觀察和不斷總結，以獲得經(jīng)驗公式。所得經(jīng)驗公式為

其中：A是彎曲波的幅度比例因子，α是峰值和波形形狀因子；β是指數(shù)延遲因子速率；t是時間；t0是到達傳感器的時刻。Ryan的經(jīng)驗公式可以近似滿足所研究的7個工況，原始波形與簡化波形的比較如圖3所示。

唐頎利用小波變換和板波理論研究了超高速撞擊聲發(fā)射波形模態(tài)特征。利用小波變換將聲發(fā)射信號展開到時頻空間，引入平面波群速度曲線，群速度曲線與各模態(tài)高幅值部分吻合較好，見圖4。群速度是板中波包的傳播速度，也是板中能量傳播的速度，小波頻譜反映了信號能量在時頻空間上的分布，因此該現(xiàn)象證明聲發(fā)射信號屬于彈性波，可以應用板波理論研究超高速撞擊聲發(fā)射信號。分析發(fā)現(xiàn)：彈丸超高速撞擊聲發(fā)射波形主要包含板波中的S0、S2、A0階模態(tài)，波形的能量在A0階、S0 階及S2 階模態(tài)之間的分布有規(guī)律地變化，較高速度的撞擊對應于較強的 S0 階和 S2 階模態(tài)，其S2分量的出現(xiàn)是超高速撞擊特有的現(xiàn)象[27]。

劉治東等人在唐頎的基礎上研究了碎片云超高速撞擊聲發(fā)射信號模式特征，發(fā)現(xiàn)碎片云撞擊信號同樣由這3種模態(tài)的波構成，但在相似損傷程度撞擊條件下，碎片云超高速撞擊聲發(fā)射波形中S0和S2階模態(tài)強度更大，這是由于碎片云粒子主要以斜撞擊方式撞擊靶板所造成的。

圖 3 經(jīng)驗公式簡化波形與原始波形的比較Fig.3 Comparison between simplified and original acoustic emission waveforms

圖 4 超高速撞擊聲發(fā)射波的小波譜Fig.4 Wavelet transform of impact acoustic emission signal

2.2.2 超高速撞擊聲發(fā)射信號衰減規(guī)律

在工程實際應用中，超高速撞擊聲發(fā)射信號的衰減規(guī)律影響著傳感器布局方案。為了優(yōu)化傳感器布局方案，劉武剛對超高速撞擊聲發(fā)射信號的衰減規(guī)律進行了研究。

他發(fā)現(xiàn)超高速撞擊聲發(fā)射信號以 500 kHz為分界點，在0～500 kHz和500～2 000 kHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，將這兩個頻域范圍內(nèi)的聲發(fā)射信號成分分別定義為低頻信號部分和高頻信號部分。利用小波重構技術將信號分解成低頻信號部分和高頻信號部分，分別進行衰減規(guī)律研究。低頻信號的衰減系數(shù)在撞擊速度1～4 km/s范圍內(nèi)基本保持在0.047，而當速度在4～8 km/s范圍內(nèi)時，衰減系數(shù)隨之增大；高頻信號的衰減系數(shù)在撞擊速度1～8 km/s范圍內(nèi)，隨撞擊速度提高而增大。低頻信號的原始幅值隨撞擊速度的變化規(guī)律基本與衰減系數(shù)隨撞擊速度的變化規(guī)律相一致。

2.3 超高速撞擊源定位與損傷模式識別技術

空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)的基本任務是對撞擊源定位和撞擊損傷模式識別。針對空間碎片超高速撞擊航天器產(chǎn)生的聲發(fā)射信號的波形特點，探求適合于超高速撞擊聲發(fā)射現(xiàn)象的撞擊源定位和損傷模式識別技術方案。

2.3.1 超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術

唐頎、劉武剛和劉治東合作開展了鋁板超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術研究，劉治東還研究了各向異性的玻璃纖維增強環(huán)氧層合板的超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術，劉治東和張凱合作還對碎片云撞擊鋁板聲發(fā)射源定位技術進行了研究，都獲得了聲發(fā)射源定位的成果。

聲發(fā)射源定位技術主要包含到達時刻確定和定位算法兩個部分。針對超高速撞擊聲發(fā)射信號幅值足夠強的特點，唐頎和劉治東設計了一種閾值法來求取信號的到達時刻。首先對信號進行濾波以消除高頻部分，再以信號的平均噪聲水平為基準，乘以事先確定的增益倍數(shù)作為閾值；當波形中連續(xù)一段時間的信號的絕對值超過閾值時，判定這段時間的起始時間為到達時間。該方法簡單、可靠且運算效率高[20]。劉武剛開發(fā)了自適應門檻法用以求取到達時刻，見圖 5。該方法以信號中的噪聲最大值作為取值下限（即Tl），以距離撞擊位置最遠的傳感器所對應信號的第一個峰值為取值上限（即Th），門檻值Tth應在Tl、Th之間取值，以保證時差來源于同一個模式的板波模態(tài)，從而保證了定位的正確性和準確性[21]。

圖 5 門檻取值范圍的定義Fig.5 Definition of localization threshold

F.Schafer和R.Janovsky兩位先生對鋁合金平板和蜂窩鋁板進行了超高速撞擊源定位試驗研究，采用了厚度為2 mm的鋁合金平板和厚度為49 mm的蜂窩鋁板作為研究對象，分別進行了超高速撞擊源定位試驗并給出了每次撞擊試驗的實際位置與預測位置，結果表明該技術具有可行性[28]。他們以撞擊位置和撞擊時刻為未知數(shù)，將定位問題轉(zhuǎn)換為對一個三元函數(shù)求取最小值的數(shù)學問題，該定位方法需要使用至少4個傳感器采集信號。

唐頎設計了時標最小方差算法用于各向同性材料的聲發(fā)射源定位。該方法以超高速撞擊事件的發(fā)生時刻為時標，以撞擊位置為未知數(shù)，利用時標、波速、傳感器位置以及撞擊源位置之間的關系，將定位問題轉(zhuǎn)化為求二元函數(shù)最小值的問題。經(jīng)試驗驗證該定位方案的定位精度優(yōu)于傳統(tǒng)的最小二乘定位法、菱形定位法和三角定位法。劉治東設計了虛擬波陣面法用于各向異性材料的聲發(fā)射源定位。該方法提出了虛擬波陣面的概念，并以超高速撞擊事件發(fā)生時刻為未知數(shù)，根據(jù)波速、傳感器位置等參數(shù)列出一個一元函數(shù)，將定位方程的求解轉(zhuǎn)化為求取一元函數(shù)最小值的優(yōu)化問題，并利用黃金分割法對其進行求解。在玻璃/環(huán)氧單向鋪設層合板與正交鋪設層合板上對鉛芯折斷波源和超高速撞擊聲發(fā)射源進行了定位試驗，結果表明該方法可有效應用于層合板定位問題。該方法也可用于各向同性材料的聲發(fā)射源定位[29]。

劉治東等人分別利用小波變換和HHT技術，將信號在時頻空間展開，利用板波理論，根據(jù)不同模態(tài)聲發(fā)射波形的到達時差進行定位。由于小波變換中的能量泄漏問題造成分析失真，因此利用小波變換的定位算法并不穩(wěn)定。相對于小波變換技術，HHT不存在能量泄漏問題，因此定位結果更穩(wěn)定[30]。

張凱和劉治東還進一步研究了碎片云撞擊鋁板的定位方法，他們分別將時標最小方差法和虛擬波陣面法成功推廣到了碎片云撞擊定位問題，并通過一系列碎片云撞擊試驗驗證了定位方法的可行性[18,31]。龐寶君和劉治東還嘗試地使用PVDF壓電薄膜進行聲發(fā)射信號采集和超高速撞擊聲發(fā)射源定位。相較于壓電傳感器，PVDF薄膜方便粘貼、使用靈活、質(zhì)量輕，更適用于一些特殊場合。經(jīng)碎片云超高速撞擊試驗驗證，該方案可以用于碎片云撞擊聲發(fā)射源定位[32]。

2.3.2 超高速撞擊損傷識別技術

唐頎發(fā)現(xiàn)超高速撞擊信號中3種模態(tài)的波與撞擊損傷模式之間具有不同的關系，并由此定義了“特征幅值”的概念用于超高速撞擊損傷模式識別。特征幅值確定算法如下：

1）對信號進行濾波處理，得到分布在特定頻率窗口模態(tài)的波形；

2）設定一個時間范圍，使之包含特定模態(tài)的主要部分；

3）對抽取出的時頻窗口中的波形，取其幅值絕對值的平均值作為特征幅值。

研究了特征幅值隨撞擊速度和彈丸尺寸變化對不同模態(tài)板波波形影響。結果表明：A0模態(tài)的幅度與彈丸的動量密切相關，在彈丸擊穿靶板之前，兩者近似成線性關系；而 S0、S2 模態(tài)的特征幅度只與彈丸的速度近似成正比。

劉武剛利用小波變換，提取出原始信號的低頻部分，將低頻第二峰值與第一峰值的比值作為特征參數(shù)（如圖6所示），記為δ。撞擊損傷直徑的變化規(guī)律是隨著聲發(fā)射低頻峰值比值的增加而逐漸線性降低。在超高速撞擊試驗的1～4.5 km/s速度范圍內(nèi)，彈丸質(zhì)量和靶板厚度一定的條件下，得到撞擊損傷直徑與聲發(fā)射低頻峰值比值的變化規(guī)律[33]：

式中Dd為撞擊損傷直徑。

圖 6 高速撞擊聲發(fā)射信號低頻峰值比Fig.6 Characteristics of hypervelocity impact acoustic emission

2.4 超高速撞擊聲發(fā)射源建模

唐頎通過對超高速撞擊過程的分析，提出了超高速撞擊聲發(fā)射波形產(chǎn)生的機理，并建立了法向沖擊力和徑向沖擊力的模型，利用這種模型解釋了超高速撞擊聲發(fā)射波中觀察到的3個主要模態(tài)S0、S2、A0的產(chǎn)生機制。

1）A0模態(tài)主要由法向沖擊力加載產(chǎn)生，其特征幅度與法向沖量近似成正比；

2） S0和 S2模態(tài)主要由徑向沖擊力加載產(chǎn)生，其中 S0模態(tài)的特征幅度與徑向沖量在較低速度時近似成正比。

利用LS-DYNA軟件工具進行了靶板中法向沖擊力和徑向沖擊力的彈性動力學計算，計算結果證實了上述機理的正確性。

2.5 空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機

為了驗證超高速撞擊聲發(fā)射技術是否能夠?qū)崿F(xiàn)工程上的實際應用，必須進行工程樣機的研制，進行地面驗證試驗。根據(jù)空間碎片超高速撞擊航天器聲發(fā)射信號的特點，基于超高速撞擊聲發(fā)射技術，劉武剛研制了基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機。該樣機能夠?qū)崿F(xiàn)撞擊聲發(fā)射信號的采集、撞擊源定位和撞擊損傷模式識別等功能。通過一系列地面超高速撞擊聲發(fā)射試驗，驗證了該原理樣機具備了上述功能。

3 總結和研究展望

文章回顧了國內(nèi)外空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)研制工作的進展，著重介紹了基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊在軌感知技術領域的研究工作，包括超高速撞擊聲發(fā)射技術的研究和在軌感知系統(tǒng)樣機的研制。國外在20世紀70年代開始了聲發(fā)射技術在空間應用的研究，在超高速撞擊聲發(fā)射波源機理、聲發(fā)射波的傳播特性、撞擊聲發(fā)射源定位和撞擊損傷模式識別領域進行了研究并取得了成果，但對撞擊聲發(fā)射參數(shù)與撞擊損傷模式之間的關系缺乏定量的分析。國內(nèi)研究起步較晚，目前主要有哈爾濱工業(yè)大學空間碎片高速撞擊研究中心從事超高速撞擊聲發(fā)射技術的研究工作，在超高速撞擊聲發(fā)射波源機理、定位技術、損傷模式識別原理樣機的研制領域取得了進展。綜合前述內(nèi)容可知，在基于聲發(fā)射技術的空間碎片撞擊在軌感知技術領域主要有如下幾點進展：

1）提出了聲發(fā)射產(chǎn)生的機理，解釋了超高速撞擊聲發(fā)射波中觀察到的3個主要模態(tài)；

2）開發(fā)了多種超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術，解決了彈丸撞擊與碎片云撞擊各向同性的鋁板和各向異性的復合材料層合板的撞擊聲發(fā)射源定位問題；

3）提取了超高速撞擊聲發(fā)射波形的特征幅值，初步建立了特征幅值與彈丸撞擊參數(shù)和撞擊損傷模式之間的定量關系；

4） 成功研制了空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機，為從理論研究到工程應用的轉(zhuǎn)化奠定了技術基礎。

據(jù)我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略，我國將建設空間實驗室和大型空間站。對于這類規(guī)模大、在軌運行時間長的載人航天器，空間碎片超高速撞擊威脅問題愈加突出。為了保障航天員生命安全和航天器在軌安全運行，對在航天器上特別是密封艙結構上布置空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)提出了迫切需求。目前利用聲發(fā)射技術對空間碎片撞擊進行在軌感知，主要針對的是典型材料（鋁合金）結構（平板）的聲發(fā)射信號特性。由于實際航天器結構和撞擊源更加復雜多樣，將在彈丸撞擊鋁合金平板試驗基礎上取得的研究結論應用到實際結構中還需開展下列研究工作：

1） 彈丸超高速撞擊加筋鋁合金板聲發(fā)射信號傳播特征

加筋鋁合金板是一種典型的航天器結構。加筋結構的引入帶來了結構上的不連續(xù)性，使得聲發(fā)射波形在板中傳播會明顯和平板結構不同。因此需要研究加筋結構中聲發(fā)射波的傳播規(guī)律，以便進一步研究加筋鋁合金板聲發(fā)射源定位技術及損傷識別技術。

2） 彈丸超高速撞擊加筋鋁合金板聲發(fā)射源定位技術及損傷識別技術

主要研究超高速撞擊加筋板情況下聲發(fā)射特征參數(shù)與損傷特征（損傷類型、損傷深度、損傷直徑）之間的關系。

3） 碎片云撞擊鋁合金平板聲發(fā)射信號特征及傳播規(guī)律

當空間碎片撞擊到航天器防護屏，有可能穿透防護屏，并以碎片云形式進一步撞擊航天器艙壁。碎片云撞擊與單彈丸撞擊具有較大差別，因此需要對碎片云超高速撞擊聲發(fā)射現(xiàn)象開展研究，掌握這一新型撞擊源激發(fā)的聲發(fā)射現(xiàn)象的特征。

4）碎片云撞擊鋁合金平板損傷模式識別

在掌握碎片云撞擊鋁合金平板聲發(fā)射波形特征后，參照彈丸撞擊損傷模式識別技術，開發(fā)碎片云撞擊鋁合金平板的損傷模式識別技術。

5） 碎片云撞擊鋁合金加筋板聲發(fā)射源定位及損傷模式識別

在研究了加筋結構中聲發(fā)射波的傳播規(guī)律以及碎片云撞擊鋁合金平板聲發(fā)射信號特征及傳播規(guī)律的基礎上，對碎片云撞擊加筋鋁合金板的聲發(fā)射信號進行研究。對碎片云撞擊區(qū)域進行定位，并根據(jù)靶板不同損傷情況，尋找能夠用于表征損傷的特征參數(shù)。

6）空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)樣機的改進

進一步降低樣機的重量、功耗和體積，提高樣機的空間環(huán)境適應性，為工程實際應用打好技術基礎。

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