超高速碰撞产生等离子体SPH模拟

【作者】 栗建桥； 宁建国； 宋卫东；

【机构】 爆炸科学与技术国家重点实验室,北京理工大学；

【摘要】 航天器在轨运行时,时刻受到空间碎片以及空间微流星体的威胁,空间碎片能够以每秒几公里乃至十几公里的速度碰撞航天器结构,除了造成结果损坏之外,还能因为碰撞产生的等离子体而使航天器受到一定程度上的电磁破坏,微流星体通常的运动速度约为每秒几十公里,因而遭受微流星体的碰撞更容易引发航天器电磁损伤。航天器针对结构破坏已有成熟的防护设计,但是对电磁破坏仍然没有清晰的认识。在现代的空间资源竞争中,一方面需要保护我们的航天器不受损坏,另一方面需要考虑如何对对方航天器造成软杀伤,如电磁杀伤,而超高速碰撞在空间环境中经常发生,适合作为攻击手段,因此需要了解超高速碰撞产生的等离子体的特性,依此来进行防护结构设计和增强对对方目标的杀伤效果。基于上述的实际应用要求,对超高速碰撞产生等离子体问题进行理论和数值模拟研究。将超高速碰撞产生等离子体看作是一种化学反应,基于热力学与统计物理的基本理论,建立描述反应平衡情况下碰撞产生等离子体电子密度、气体温度和电子温度之间关系的物理方程组,在给定内能以及体积的情况下,可以求得体系中电子气体与原子和离子气体处于非热平衡状态下的等离子体特征参数。将得到的物理方程组与自行编写的SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics,光滑粒子流体动力学)程序结合,对超高速碰撞产生等离子体问题进行数值模拟研究,得到了不同速度下以及碰撞不同厚度靶板产生等离子体总电荷,分析结果发现靶板厚度对产生等离子体有一定的影响,这与厚度和弹丸直径之比有关,当比例大于一定数值时,靶板厚度对产生等离子体没有影响。碰撞速度对产生等离子体电荷数的影响较为符合经验公式结果,尤其当速度较高时。当碰撞速度较低时,需要考虑产生等离子体的临界碰撞速度的影响,因此对传统的经验公式进行了修正,并拟合得到碰撞产生铝等离子体的临界速度。当碰撞双层薄板时,二次碰撞产生的等离子体远远多于一次碰撞产生的等离子体,前板越薄,二次碰撞产生的等离子体越多,分析原因认为是由于二次碰撞速度与一次碰撞差别较小,但是二次碰撞的碰撞面积远远大于一次碰撞,这导致能量沉积率很高,因此二次碰撞过程中内能增加很快,导致大量产生等离子体,并且前板越薄,一次碎片云长径比越小,相同板间距时碰撞厚板的截面积越大,产生等离子体越多。上述得到的结果对航天器针对碰撞产生等离子体的防护设计以及提高等离子体产生效率,增强对对方目标的电磁破坏具有一定的应用价值。更多还原