本文關(guān)鍵詞： 超高速碰撞 等離子體 數(shù)值模擬 電子溫度 SPH方法 爆炸　出處：《北京理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在人類航天活動(dòng)當(dāng)中經(jīng)常會(huì)遭遇到超高速碰撞問(wèn)題，對(duì)于那些無(wú)法規(guī)避的毫米級(jí)碎片來(lái)說(shuō)，碰撞到航天器是無(wú)法避免的，這種小尺寸的碰撞很難對(duì)航天器結(jié)構(gòu)造成致命的破壞，但是碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的電離氣體卻能夠使一些暴露在其中的電子器件遭到不同程度上的破壞。這種多場(chǎng)耦合問(wèn)題往往具有復(fù)雜的物理機(jī)制，需要綜合多學(xué)科知識(shí)進(jìn)行分析才能了解其復(fù)雜的物理本質(zhì)，進(jìn)而針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)和防護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。有鑒于此，本文針對(duì)超高速碰撞產(chǎn)生等離子體問(wèn)題在理論和數(shù)值模擬方面開(kāi)展了深入的研究，為航天器對(duì)超高速碰撞產(chǎn)生等離子體的防護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。全文創(chuàng)新性的工作如下： （1）在電子溫度與電離氣體溫度熱平衡的假設(shè)下推導(dǎo)得出描述真實(shí)氣體電離參數(shù)與溫度關(guān)系的電離平衡方程，通過(guò)托馬斯費(fèi)米(Thomas-Fermi)方程給出氣體溫度與比內(nèi)能和密度關(guān)系，然后采用AUTODYN3D軟件進(jìn)行不同角度下超高速碰撞數(shù)值模擬研究，得到空間固定位置處的電離氣體的內(nèi)能與密度，給出電離氣體溫度并通過(guò)電離平衡方程給出空間固定位置處的電離氣體電子溫度和電導(dǎo)率，將電子溫度和電導(dǎo)率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明，熱平衡電離模型在一定程度可以用來(lái)預(yù)測(cè)超高速碰撞的電離情況，但是對(duì)于了解超高速碰撞電離機(jī)制存在一些不足，并且熱平衡假設(shè)是條件滿足的，因此需要針對(duì)電子溫度與氣體溫度非平衡的情況進(jìn)行討論。 （2）在對(duì)熱平衡假設(shè)下超高速碰撞電離模型的研究基礎(chǔ)上，考慮了電子溫度與電離氣體溫度非熱平衡的情況，認(rèn)為電子溫度是氣體溫度和電子密度的函數(shù)，據(jù)此推導(dǎo)得出化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)電子溫度、氣體溫度以及電子密度之間的關(guān)系，給出反應(yīng)平衡需要滿足的熱力學(xué)條件，結(jié)合正逆反應(yīng)速率相等關(guān)系和孤立系統(tǒng)總能量保持不變，得到含有三個(gè)方程的方程組來(lái)求解給定能量和質(zhì)量的孤立系統(tǒng)中的等離子體所具有的電子密度、電子溫度和氣體溫度等參數(shù)。針對(duì)非熱平衡條件下得到的電離模型，通過(guò)編寫SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics，光滑粒子流體動(dòng)力學(xué))程序進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超高速碰撞中的等離子體產(chǎn)生問(wèn)題的數(shù)值模擬研究，對(duì)不同速度下正碰撞問(wèn)題進(jìn)行研究，得到了不同速度下產(chǎn)生等離子體電量。與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比，表明了模擬結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果在高速階段較為符合，在低速階段得到的模擬結(jié)果小于經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果，但是這個(gè)低速階段的范圍較小，因此總體上說(shuō)模擬和理論分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。 （3）在上述理論和數(shù)值模擬研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同碰撞條件產(chǎn)生的等離子體電荷數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，首先對(duì)改變彈丸碰撞條件分析對(duì)產(chǎn)生等離子體的影響，通過(guò)不同碰撞速度的模擬研究得到不同速度下產(chǎn)生等離子體總電量，與經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生等離子體的臨界速度并沒(méi)有在經(jīng)驗(yàn)公式中體現(xiàn)出來(lái)，據(jù)此修正經(jīng)驗(yàn)公式的形式并根據(jù)模擬結(jié)果得到擬合參數(shù)和臨界速度。在相同碰撞速度條件下改變彈丸著靶姿態(tài)得到了著靶姿態(tài)對(duì)產(chǎn)生等離子體總電量和點(diǎn)和分布都有顯著影響的結(jié)論，并且得到了不同著靶姿態(tài)下產(chǎn)生等離子體總電量對(duì)持續(xù)時(shí)間積分基本相同的結(jié)果。接著分析靶板參數(shù)對(duì)產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)的影響，從模擬結(jié)果來(lái)看，靶板厚度對(duì)超高速碰撞產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)有一定的影響，但是隨著靶板厚度的增加，等離子體電量變化減小，碰撞雙層板時(shí)，，二次碰撞產(chǎn)生的等離子體電荷數(shù)遠(yuǎn)大于一次碰撞產(chǎn)生的電荷數(shù)，前板越薄、板間距越大，二次碰撞產(chǎn)生等離子體電荷數(shù)越大。 （4）將單一元素電離模型擴(kuò)展到多種組分元素電離模型，并將其與MMIC3D三維歐拉方法的流體彈塑性程序結(jié)合模擬炸藥化學(xué)爆炸過(guò)程中產(chǎn)生等離子體電量，通過(guò)將化學(xué)爆炸等效轉(zhuǎn)化為超高速碰撞的方法，并根據(jù)分離電荷的分離比率不變性質(zhì)，給出化學(xué)爆炸產(chǎn)生等離子體電量和產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，證明了多組分電離模型的可靠性，為其在超高速碰撞方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
[Abstract]:The problem of super high speed collision is often encountered in human space activities . For those millimeter - level fragments that cannot be avoided , collision - to - spacecraft is unavoidable . The small - sized collision is difficult to cause fatal damage to the structure of the spacecraft . The multi - field coupling problem often has a complex physical mechanism . It needs comprehensive multi - disciplinary knowledge to analyze the complex physical essence . Therefore , this paper provides a basis for the optimization of the protection design of the spacecraft for the high - speed collision . The work of the whole - text innovation is as follows : ( 1 ) The ionization equilibrium equations describing real gas ionization parameters and temperature relationships are derived under the assumption of thermal equilibrium between the electron temperature and the temperature of the ionized gas . By means of the Thomas - Fermi equation , the relationship between gas temperature and temperature is given . The electron temperature and conductivity of the ionized gas at the fixed position are given by using the AUTODYN3D software . ( 2 ) Based on the research on the ultra - high speed collision ionization model under the assumption of thermal equilibrium , the relationship between the electron temperature and the electron density is considered , and the relationship between the electron temperature , the gas temperature and the electron density is obtained . ( 3 ) Based on the above - mentioned theoretical and numerical simulation studies , the numerical simulation of the number of plasma electric charges generated by different collision conditions is carried out . The influence of the parameters of the target plate on the generation of plasma electric charge is obtained . ( 4 ) the single element ionization model is extended to a plurality of component element ionization models , and the fluid elastic - plastic program of the MMIC3D three - dimensional Euler method is combined with the fluid - plastic program of the MMIC3D three - dimensional Euler method to generate the plasma electric quantity , and the chemical explosion is converted into an ultra - high - speed collision method , and the electric field intensity and the magnetic field strength generated by the chemical explosion are given according to the separation ratio of the separated charge , and the reliability of the multi - component ionization model is proved , and the foundation is laid for the application of the multi - component ionization model in the aspect of ultrahigh - speed collision .

【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O531

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 陳生玉,孫新利,錢世平,韋蔭康;化爆引起的電磁輻射[J];爆炸與沖擊;1997年04期

2 唐蜜;柏勁松;李平;張展冀;;超高速撞擊中影響碎片云形狀因素分析[J];高壓物理學(xué)報(bào);2007年04期

3 宋衛(wèi)東;栗建橋;劉海燕;;超高速撞擊下鈦基復(fù)合材料動(dòng)力學(xué)行為研究[J];高壓物理學(xué)報(bào);2011年05期

4 李靜;;電場(chǎng)對(duì)瓦斯爆炸過(guò)程中火焰?zhèn)鞑ズ捅úǖ淖饔肹J];建井技術(shù);2007年05期

5 陳致英,孫祉偉;高壓氣體狀態(tài)方程的計(jì)算機(jī)模擬[J];力學(xué)學(xué)報(bào);1984年04期

6 寧建國(guó);栗建橋;宋衛(wèi)東;;超高速碰撞產(chǎn)生等離子體的毀傷特性研究[J];力學(xué)學(xué)報(bào);2014年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 卞梁;高速碰撞中的SPH方法及其應(yīng)用研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2009年

本文編號(hào)：1441873