航天器在轨空间碎片碰撞多参数检测系统及检测方法转让专利
申请号 : CN202010940365.8
文献号 : CN112082724B
文献日 : 2021-10-08
发明人 : 綦磊 , 孙立臣 , 崔寓淏 , 芮小博 , 孟冬辉 , 张景川 , 孙伟 , 冯咬齐 , 赵越阳
申请人 : 北京卫星环境工程研究所
摘要 :
权利要求 :
1.基于航天器在轨空间碎片碰撞多参数检测系统，包括电容阵列薄膜、金属板、固定支架、PVDF传感器、超声波传感器、多路扫描式容抗检测模块、前置放大器、信号采集模块、信号激励模块和计算机，电容阵列薄膜与金属板通过固定支架平行安装在一起，使得两者保持一定距离h,4只PVDF传感器分别布置在金属板四角上，另一只PVDF传感器布置在电容阵列薄膜右上角；2只超声波传感器分布布置在电容阵列薄膜和金属板的左下角上；电容阵列薄膜中所有电容单元连接多路扫描式容抗检测模块；每个PVDF传感器连接一个前置放大器，前置放大器连接到信号采集模块上，前置放大器的作用是放大PVDF传感器获得的电荷信号以便于后续处理；超声波传感器与信号激励模块连接，信号激励模块控制超声波传感器发射超声波信号；多路扫描式容抗检测模块、信号采集模块、信号激励模块均与计算机相连，计算机负责后续信号分析与处理。
2.如权利要求1所述的系统，其中，电容阵列薄膜与金属板的距离h为10‑20cm。
3.如权利要求1所述的系统，其中，电容阵列薄膜尺寸1m×1m，电容阵列薄膜为三层的结构，包括上电极层、空腔层、下电极层，每层均将硅晶材料作为基底，铝金属作为电极材料2
贴附于上电极层及下电极层上，并且电极互相对准，电容阵列薄膜为1cm的圆形阵列。
2
4.如权利要求3所述的系统，其中，全部电容阵列薄膜的电极面积为0.8m ，空腔层为圆形孔洞阵列结构，尺寸位置与电极一致。
5.如权利要求1‑4任一项所述的系统，其中，金属板尺寸与电容阵列薄膜的尺寸相同，材料为镁铝合金。
6.如权利要求1‑4任一项所述的系统，其中，金属板的厚度3‑5mm。
7.如权利要求1‑4任一项所述的系统，其中，PVDF传感器为以聚偏二氟乙烯膜材料制作的柔性压电式传感器。
8.如权利要求1‑4任一项所述的系统，其中，金属板中的四个PVDF传感器只需三只工作，另外一只备份即可。
9.如权利要求1‑8任一项所述系统检测航天器在轨空间碎片碰撞多参数的方法，其中，电容阵列薄膜和金属板在轨状态下波速计算步骤如下：步骤(1)计算弹性波波速：
分别使用电容阵列薄膜和金属板上的超声波流量计激发5个周期、频率为200kHz的弹性波，能量均为E1，对角线PVDF传感器接收，设超声传感器与对角线PVDF传感器的距离均为l，PVDF传感器测得弹性波的幅值为Ap，Aq，到达时刻分别为tp、tq，超声传感器激发弹性波的时刻分别为tp0，tq0；则在电容阵列薄膜以及金属板弹性波的传播速度v1、v2分别为：步骤(2)计算碎片尺寸
启动多路扫描式容抗检测模块对电容阵列进行扫描，确定电容发生变化的电容阵元编号(i，j)及对应的电容变化值Cij，当电容被完全击穿，其电容值将变成无限大，当电容被部分击穿，其电容值将变小；
根据电容的基本公式：
当电容被撞击击穿且能正常工作时，被击穿面积ΔS与电容变化值为ΔC成正比，当电容被完全击穿，电容无法正常工作，电容值变为无穷大；
当仅有电容被部分击穿时，电容被碎片击穿面积S穿为S穿＝ΔC×S/C
当有电容被完全击穿和部分击穿时，电容被碎片击穿面积S穿为S穿＝n×S+ΔC×S/C；
其中，n为被完全击穿电容数量，S为单个电容面积；考虑到碎片高速击穿将会有一定的烧蚀作用，碎片的实际碰撞面积S碎乘以补偿系数0.8，即S碎＝0.8S穿，当碎片近似为圆形时，则碎片尺寸，即直径D为：
10.如权利要求1‑9任一项所述系统检测航天器在轨空间碎片碰撞多参数的方法，其中碎片尺寸计算包括以下步骤：
1)太空碎片与检测系统发生碰撞当太空碎片依次碰撞到检测系统中的电容阵列薄膜和金属板时，会在电容阵列薄膜和金属板中产生弹性波，弹性波传播到每个PVDF传感器会产生电信号，当任何一支PVDF传感器电信号幅值上升2倍时，认为发生了碎片碰撞，分别记录上升2倍时的时刻t0，t1，t2，t3，t4；
2)扫描
启动多路扫描式容抗检测模块对所有电容阵列进行扫描，确定电容发生变化的电容阵元编号(i，j)及对应的电容变化值Cij，当电容被完全击穿，其电容值将变成无限大，当电容被部分击穿，其电容值将变小；
3)碎片尺寸计算
根据电容的基本公式：
当电容被撞击击穿且能正常工作时，被击穿面积ΔS与电容变化值为ΔC成正比，当电容被完全击穿，电容无法正常工作，电容值变为无穷大；
当仅有电容被部分击穿时，电容被碎片击穿面积S穿为S穿＝ΔC×S/C
当有电容被完全击穿和部分击穿时，电容被碎片击穿面积S穿为S穿＝n×S+ΔC×S/C；
其中，n为被完全击穿电容数量，S为单个电容面积；考虑到碎片高速击穿将会有一定的烧蚀作用，碎片的实际碰撞面积S碎乘以补偿系数0.8，即S碎＝0.8S穿，当碎片近似为圆形时，则碎片尺寸，即直径D为：
11.如权利要求9‑10任一项所述的方法，进一步包括碎片撞击位置计算步骤，所述碎片撞击位置计算步骤包括：
电容阵列薄膜上碎片撞击位置根据电容被击穿位置来确定，被击穿区域的中心电容位置为撞击位置记为(xm，ym)，金属板上碎片撞击位置可根据PVDF传感器接收声波的时刻t1，t2，t3，t4来确定，实际上使用三个传感器即可；假设使用1，2，3号传感器来定位，接收时刻分别记为t1、t2、t3，假设三个传感器分别位于A(x1，y1)、B(x2，y2)和C(x3，y3)三个位置，同步接收碰撞点T(xn，yn)发出的声发射信号，计算出时间差t12＝|t1‑t2|和t13＝|t1‑t3|，由时间差乘以声波的传播速度v2，就可以得到距离差dAB和dAC，其中，dAB是碰撞点T到A点距离与碰撞点T到B点距离的差值，dAC是碰撞点T到A点距离与碰撞点T到C点距离的差值，即：联立上述二式可以求解碎片碰撞金属板的坐标(xn，yn)。
12.如权利要求11所述的方法，进一步包括确定碎片飞行方向的步骤，所述确定碎片飞行方向的步骤包括：
已知碎片撞击电容阵列薄膜和金属板的位置，利用三角关系求碎片飞行方向，获得碎片与测量平面的撞击角度θ：
其中，h为电容阵列薄膜距离金属板距离。
13.如权利要求9‑11任一项所述的方法，进一步包括确定碎片飞行速度的步骤，确定碎片飞行速度包括：
设电容阵列薄膜和金属板上的PVDF传感器分布测得的碎片到达时刻分别为t0、t1，碎片撞击在电容阵列薄膜以及金属板产生的弹性波波速经测量分别为v1、v2，电容阵列薄膜和金属板上的PVDF传感器位置坐标分别为(x0，y0)，(x1，y1)，电容阵列薄膜上碎片撞击位置根据电容被击穿位置来确定，被击穿区域的中心电容位置为撞击位置记为(xm，ym)，金属板上的PVDF传感器碰撞点的位置为(xn，yn)，所述撞击位置和所述碰撞点与测时用传感器距离Δl1、Δl2分别为：
则碎片发生撞击后弹性波在电容阵列薄膜和金属板的传播时间Δt1、Δt2分别为：则碎片到达电容阵列薄膜和金属板的真正时刻tm、tn分别为：tm＝t0‑Δt1
tn＝t1‑Δt2
所以碎片的撞击速度c为：
14.如权利要求9‑11任一项所述的方法，进一步包括确定碎片密度及材料的步骤，所述确定碎片密度及材料步骤包括：
通过对金属板的平面上弹性波的测量，得到碎片碰撞产生的弹性波的幅值A，根据弹性波的幅值Aq，能量E1，计算出碎片碰撞产生的弹性波的能量E2考虑到碎片动能的70％转化为了弹性波的能量，因此计算得到碎片的动能Ek根据以下公式求得撞击碎片的质量m：撞击碎片近似为球形，其密度为：并根据密度的数值来推测碎片的材料以及碎片的来源。
说明书 :
航天器在轨空间碎片碰撞多参数检测系统及检测方法
技术领域
背景技术
结构设计都有了很大提高，能够对小体积碎片进行有效防护，但对厘米级甚至毫米级碎片
防护效果有限，因此需要对空间碎片碰撞进行实时监测，得到碎片尺寸、速度、飞行方向、碰
撞位置等参数，利用这些参数对航天器结构健康情况进行评估，并预测航天器轨道碎片分
布情况。
发明内容
参数进行实时检测，为在轨飞行器的运行安全提供保障。当太空碎片与系统发生碰撞时，碎
片将穿透电容阵列薄膜层，最终撞击到金属板上。在穿透电容阵列薄膜时，将会使一个或几
个微小电容发生电容值变化，并产生弹性波在薄膜中传播。撞击金属板时将同样产生弹性
波，并在金属板中传播。利用检测系统检测电容及弹性波变化，通过特定的检测算法，可以
计算碎片的碎片尺寸、密度、飞行方向、速度、碰撞位置等参数。
块、信号激励模块和计算机，电容阵列薄膜与金属板通过固定支架平行安装在一起，两者保
持一定距离h,4只PVDF压电传感器分别布置在金属板四角上，另一PVDF压电传感器布置在
电容阵列薄膜右上角；2只超声传感器分布布置在电容阵列薄膜和金属板的左下角上；电容
阵列薄膜中所有电容单元连接多路扫描式容抗检测模块；每个PVDF传感器均连接一个前置
放大模块，前置信号放大模块连接到信号采集处理模块上，前置信号放大电路的作用是放
大PVDF传感器获得的电荷信号以便于后续处理；超声波传感器与信号激励模块连接，信号
激励模块控制超声波传感器发射超声波信号；多路扫描式容抗检测模块、信号采集模块、信
号激励模块均与计算机相连，计算机负责后续信号分析与处理。
2
电极层上，并且电极互相对准，电容单元为1cm的圆形阵列。
传感器电信号幅值上升2倍时，认为发生了碎片碰撞，分别记录上升2倍时的时刻t0，t1，t2，
t3，t4。
性波信号幅值为Ap，Aq，到达时刻分别为tp、tq，超声传感器激发弹性波的时刻分别为tp0，tq0。
则在薄膜层以及金属层弹性波的传播速度v1、v2分别为：
电容被部分击穿，其电容值将变小；
时，则碎片尺寸(直径)D为：
t2，t3，t4来确定，实际上使用三个传感器即可。假设使用1，2，3号传感器来定位，接收时刻
分别记为t1、t2、t3，假设三个传感器分别位于A(x1，y1)、B(x2，y2)和C(x3，y3)三个位置，同步
接收碰撞点T(xn，yn)发出的声发射信号，计算出时间差t12＝|t1‑t2|和t13＝|t1‑t3|，由时间
差乘以声波的传播速度v2，就可以得到距离差dAB和dAC，即：
PVDF传感器位置坐标分别为(x0，y0)，(x1，y1)，击穿点的位置分别为(xm，ym)、(xn，yn)。击穿点
与测时用传感器距离Δl1、Δl2分别为：
附图说明
具体实施方式
不应理解为限制本发明范围。
检测模块、前置放大模块、信号采集模块、信号激励模块和计算机，电容阵列薄膜与金属板
通过固定支架平行安装在一起，电两者保持一定距离h,4只PVDF压电传感器分别布置在金
属板四角上，1只PVDF压电传感器布置在电容阵列薄膜右上角；2只超声传感器分布布置在
电容阵列薄膜和金属板的左下角上；电容阵列薄膜中所有电容单元连接多路扫描式容抗检
测模块；每个PVDF传感器连接一个前置放大模块，前置信号放大模块连接到信号采集处理
模块上，前置信号放大电路的作用是放大PVDF传感器获得的电荷信号以便于后续处理；超
声波传感器与信号激励模块连接，信号激励模块控制超声波传感器发射超声波信号；多路
扫描式容抗检测模块、信号采集模块、信号激励模块均与计算机相连，计算机负责后续信号
分析与处理。
料作为基底，铝金属作为电极材料贴附于上电极层及下电极层，并且电极互相对准，电容单
2 2
元为1cm的圆形阵列，全部电容阵列的电极面积为0.8m。空腔层为圆形孔洞阵列结构，尺寸
位置与电极一致。金属板尺寸1m×1m，材料为镁铝合金，厚度4mm。
的四个PVDF传感器只需三只工作即可，另外一只为备份，提供系统稳定性。
为l，PVDF传感器测得弹性波信号幅值为Ap，Aq，到达时刻分别为tp、tq，超声传感器激发弹性
波的时刻分别为tp0，tq0。则在薄膜层以及金属层弹性波的传播速度v1、v2分别为：
录上升2倍时的时刻t0，t1，t2，t3，t4。
被部分击穿，其电容值将变小。
记为t1、t2、t3。定位原理如图5所示，假设三个传感器分别位于A(x1，y1)、B(x2，y2)和C(x3，y3)
三个位置，同步接收碰撞点T(xn，yn)发出的声发射信号，计算出时间差t12＝|t1‑t2|和t13＝|
t1‑t3|，由时间差乘以声波的传播速度v2，就可以得到距离差dAB和dAC，即：
PVDF传感器位置坐标分别为(x0，y0)，(x1，y1)，击穿点的位置分别为(xm，ym)、(xn，yn)。击穿点
与测时用传感器距离Δl1、Δl2分别为：
用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。