空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)研究綜述

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(xué)，哈爾濱 150080；2.中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；3.北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)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(jié)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(jì)數(shù)。這些空間碎片對航天器的在軌安全運(yùn)行構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅[1-4]。為了應(yīng)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(hù)技術(shù)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(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，世界主要航天國家或機(jī)構(gòu)分別提出了多種空間碎片撞擊在軌監(jiān)測的技術(shù)措施，如熱成像感知技術(shù)、電磁波發(fā)射技術(shù)、基于聲發(fā)射技術(shù)的在軌感知技術(shù)、電阻薄膜監(jiān)測技術(shù)、聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜監(jiān)測技術(shù)、電容傳感監(jiān)測技術(shù)等。其中基于聲發(fā)射技術(shù)的在軌感知技術(shù)受到了最廣泛的關(guān)注，它技術(shù)成熟，具有航天器資源占用率低、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、對結(jié)構(gòu)形狀不敏感等特點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)在軌實(shí)時監(jiān)測，被認(rèn)為是最合適的在軌監(jiān)測技術(shù)手段[7-9]。該技術(shù)方法的優(yōu)點(diǎn)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(fù)擔(dān)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(jié)構(gòu)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(shí)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(yù)報。

5）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適用于空間的高低溫、高真空、強(qiáng)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(shí)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(shù)檢測方法的基本功能，針對聲發(fā)射技術(shù)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(dá)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(jì)算來確定聲發(fā)射源的精確坐標(biāo)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(gòu)件形狀等許多因素變化的影響。因此時差定位法在實(shí)際應(yīng)用中會受到種種限制。

1 空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)的工作原理

基于聲發(fā)射技術(shù)的在軌感知技術(shù)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(jìn)行感知，利用定位算法和損傷識別技術(shù)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(yù)報，其基本構(gòu)成如圖 1所示。傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術(shù)主要是對一般力學(xué)環(huán)境下材料的失效，結(jié)構(gòu)疲勞，裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，機(jī)械加工質(zhì)量等細(xì)觀現(xiàn)象進(jìn)行研究[12-13]。近年來，隨著聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用范圍的拓寬，聲發(fā)射的定義也得到擴(kuò)展，已將諸如撞擊、湍流、泄漏、噴注等過程在結(jié)構(gòu)中誘發(fā)的應(yīng)力波也歸入聲發(fā)射范疇中，并利用聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)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(shù)的國內(nèi)外研究進(jìn)展

國外早在20世紀(jì)70年代就開始了該技術(shù)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(shù)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(jī)失事后，該技術(shù)受到了高度重視，隨之進(jìn)行了一系列超高速撞擊聲發(fā)射試驗(yàn)。

20世紀(jì)70年代，美國NASA針對3種不同的檢漏技術(shù)還開展了空間站氣體泄漏檢測技術(shù)的對比研究：對氣體濕度敏感的密封泄漏感應(yīng)器檢漏技術(shù)、基于 LAMB探傷原理的主動探傷器檢漏技術(shù)和利用壓電傳感器監(jiān)測空間碎片撞擊艙壁激發(fā)應(yīng)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(jì)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(shù)的空間碎片撞擊和氣體泄漏事件的感知技術(shù)進(jìn)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(shù)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(luò)技術(shù)較精確地定位了聲發(fā)射源位置；研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲發(fā)射源與傳感器距離過大后，互相關(guān)方法無法有效地處理聲發(fā)射信號[15]。20世紀(jì)90年代，ESA對自己承擔(dān)設(shè)計(jì)的國際空間站哥倫比亞艙進(jìn)行了地面試驗(yàn)，開展了利用聲發(fā)射技術(shù)對其進(jìn)行撞擊與定位的檢測研究，通過這種全尺寸實(shí)物的測試證明了這種技術(shù)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(jī)構(gòu)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(xué)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(shù)空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)的研究工作。蘭州物理研究所對碎片監(jiān)測之用的半導(dǎo)體探測器的幾項(xiàng)關(guān)鍵制造工藝進(jìn)行了研究，目前還停留在探測器樣機(jī)研究階段。中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心采用國內(nèi)較成熟的YDT探測器對撞擊效應(yīng)進(jìn)行了原理性試驗(yàn)。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(jié)構(gòu)復(fù)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(xué)研制了基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機(jī)，在空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。

基于聲發(fā)射技術(shù)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(shù)，聲發(fā)射信號特征鑒別分析技術(shù)，撞擊源定位和損傷模式識別技術(shù)，聲發(fā)射源建模技術(shù)以及空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機(jī)等。

2.1 超高速撞擊聲發(fā)射信號獲取技術(shù)

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(shù)。目前，利用二級輕氣炮進(jìn)行超高速撞擊試驗(yàn)和數(shù)值仿真試驗(yàn)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(yàn)

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(yàn)所需的速度，實(shí)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?dú)猓夠?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(yīng)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(jìn)行碎片云撞擊試驗(yàn)。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(yàn)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(jìn)行標(biāo)定。通常應(yīng)選用寬帶響應(yīng)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(yīng)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(qiáng)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(yàn)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(yàn)手段作為補(bǔ)充。數(shù)值仿真試驗(yàn)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(qiáng)度模型。對實(shí)際試驗(yàn)中采集的聲發(fā)射波形進(jìn)行還原，實(shí)際測量靶板損傷模式，并與數(shù)值仿真的結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果表明兩種模型都與超高速撞擊試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，滿足進(jìn)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(diǎn)，其中Lagrange算法具有邊界清晰、計(jì)算效率高的優(yōu)點(diǎn)；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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)層合板的模型，利用殼體單元建立鋁芯模型。對比實(shí)際試驗(yàn)和仿真試驗(yàn)的聲發(fā)射信號，表明該模型與超高速撞擊試驗(yàn)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(shù)

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(shù)的在軌感知系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。借助上述超高速撞擊聲發(fā)射信號獲取技術(shù)，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(jìn)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(qiáng)層合板上進(jìn)行了撞擊聲發(fā)射試驗(yàn)，撞擊速度覆蓋了低速和高速范圍。試驗(yàn)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(qiáng)。在增強(qiáng)層合板撞擊試驗(yàn)中也觀察到了相同現(xiàn)象，但增強(qiáng)層合板被擊穿后只剩余膨脹波，這是增強(qiáng)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(jìn)行分析[24]。他認(rèn)為3種情況中的波形都可以鑒別出擴(kuò)展波、剪切波和彎曲波3部分，與它們對應(yīng)的波速和到達(dá)時間吻合。他還利用FFT對3個波形進(jìn)行了頻譜分析。在“哥倫比亞號”航天飛機(jī)爆炸后，為了給航天飛機(jī)提供撞擊感知和損傷識別技術(shù)，NASA對航天飛機(jī)開展了聲發(fā)射感知技術(shù)的研究工作，Madaras等人設(shè)計(jì)了一系列撞擊試驗(yàn)，對航天飛機(jī)不同部位遭受不同碎片撞擊的聲發(fā)射信號進(jìn)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(jī)起落架艙門、機(jī)翼、隔熱瓦等靶件。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)機(jī)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(jié)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(jié)，以獲得經(jīng)驗(yàn)公式。所得經(jīng)驗(yàn)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(dá)傳感器的時刻。Ryan的經(jīng)驗(yàn)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(yīng)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(yīng)于較強(qiáng)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(chǔ)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(gòu)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(qiáng)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(yàn)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(shí)際應(yīng)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(jìn)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(diǎn)，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(gòu)技術(shù)將信號分解成低頻信號部分和高頻信號部分，分別進(jìn)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(dāng)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(shù)

空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)的基本任務(wù)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(diǎn)，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(shù)方案。

2.3.1 超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術(shù)

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(shù)研究，劉治東還研究了各向異性的玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧層合板的超高速撞擊聲發(fā)射源定位技術(shù)，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(shù)進(jìn)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(shù)主要包含到達(dá)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(qiáng)的特點(diǎn)，唐頎和劉治東設(shè)計(jì)了一種閾值法來求取信號的到達(dá)時刻。首先對信號進(jìn)行濾波以消除高頻部分，再以信號的平均噪聲水平為基準(zhǔn)，乘以事先確定的增益倍數(shù)作為閾值；當(dāng)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(dá)時間。該方法簡單、可靠且運(yùn)算效率高[20]。劉武剛開發(fā)了自適應(yīng)門檻法用以求取到達(dá)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(yuǎn)的傳感器所對應(yīng)信號的第一個峰值為取值上限（即Th），門檻值Tth應(yīng)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(zhǔn)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(jìn)行了超高速撞擊源定位試驗(yàn)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(jìn)行了超高速撞擊源定位試驗(yàn)并給出了每次撞擊試驗(yàn)的實(shí)際位置與預(yù)測位置，結(jié)果表明該技術(shù)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(xué)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(shè)計(jì)了時標(biāo)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(biāo)，以撞擊位置為未知數(shù)，利用時標(biāo)、波速、傳感器位置以及撞擊源位置之間的關(guān)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(yàn)驗(yàn)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(shè)計(jì)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(jìn)行求解。在玻璃/環(huán)氧單向鋪設(shè)層合板與正交鋪設(shè)層合板上對鉛芯折斷波源和超高速撞擊聲發(fā)射源進(jìn)行了定位試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法可有效應(yīng)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(shù)，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(dá)時差進(jìn)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(shù)，HHT不存在能量泄漏問題，因此定位結(jié)果更穩(wěn)定[30]。

張凱和劉治東還進(jìn)一步研究了碎片云撞擊鋁板的定位方法，他們分別將時標(biāo)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(yàn)驗(yàn)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(jìn)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(yàn)驗(yàn)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(shù)

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(guān)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(jìn)行濾波處理，得到分布在特定頻率窗口模態(tài)的波形；

2）設(shè)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(jié)果表明：A0模態(tài)的幅度與彈丸的動量密切相關(guān)，在彈丸擊穿靶板之前，兩者近似成線性關(guān)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(yàn)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(jī)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(jī)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(jìn)行了靶板中法向沖擊力和徑向沖擊力的彈性動力學(xué)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果證實(shí)了上述機(jī)理的正確性。

2.5 空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機(jī)

為了驗(yàn)證超高速撞擊聲發(fā)射技術(shù)是否能夠?qū)崿F(xiàn)工程上的實(shí)際應(yīng)用，必須進(jìn)行工程樣機(jī)的研制，進(jìn)行地面驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)空間碎片超高速撞擊航天器聲發(fā)射信號的特點(diǎn)，基于超高速撞擊聲發(fā)射技術(shù)，劉武剛研制了基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片撞擊在軌感知系統(tǒng)原理樣機(jī)。該樣機(jī)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(yàn)，驗(yàn)證了該原理樣機(jī)具備了上述功能。

3 總結(jié)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(jìn)展，著重介紹了基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)領(lǐng)域的研究工作，包括超高速撞擊聲發(fā)射技術(shù)的研究和在軌感知系統(tǒng)樣機(jī)的研制。國外在20世紀(jì)70年代開始了聲發(fā)射技術(shù)在空間應(yīng)用的研究，在超高速撞擊聲發(fā)射波源機(jī)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(lǐng)域進(jìn)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(guān)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(xué)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(shù)的研究工作，在超高速撞擊聲發(fā)射波源機(jī)理、定位技術(shù)、損傷模式識別原理樣機(jī)的研制領(lǐng)域取得了進(jìn)展。綜合前述內(nèi)容可知，在基于聲發(fā)射技術(shù)的空間碎片撞擊在軌感知技術(shù)領(lǐng)域主要有如下幾點(diǎn)進(jìn)展：

1）提出了聲發(fā)射產(chǎn)生的機(jī)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(shù)，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(fù)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(guān)系；

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

據(jù)我國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略，我國將建設(shè)空間實(shí)驗(yàn)室和大型空間站。對于這類規(guī)模大、在軌運(yùn)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(yùn)行，對在航天器上特別是密封艙結(jié)構(gòu)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(shù)對空間碎片撞擊進(jìn)行在軌感知，主要針對的是典型材料（鋁合金）結(jié)構(gòu)（平板）的聲發(fā)射信號特性。由于實(shí)際航天器結(jié)構(gòu)和撞擊源更加復(fù)雜多樣，將在彈丸撞擊鋁合金平板試驗(yàn)基礎(chǔ)上取得的研究結(jié)論應(yīng)用到實(shí)際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。加筋結(jié)構(gòu)的引入帶來了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)不同。因此需要研究加筋結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射波的傳播規(guī)律，以便進(jìn)一步研究加筋鋁合金板聲發(fā)射源定位技術(shù)及損傷識別技術(shù)。

2） 彈丸超高速撞擊加筋鋁合金板聲發(fā)射源定位技術(shù)及損傷識別技術(shù)

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(guān)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(dāng)空間碎片撞擊到航天器防護(hù)屏，有可能穿透防護(hù)屏，并以碎片云形式進(jìn)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(shù)，開發(fā)碎片云撞擊鋁合金平板的損傷模式識別技術(shù)。

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(jié)構(gòu)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(chǔ)上，對碎片云撞擊加筋鋁合金板的聲發(fā)射信號進(jìn)行研究。對碎片云撞擊區(qū)域進(jìn)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(jī)的改進(jìn)

進(jìn)一步降低樣機(jī)的重量、功耗和體積，提高樣機(jī)的空間環(huán)境適應(yīng)性，為工程實(shí)際應(yīng)用打好技術(shù)基礎(chǔ)。

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