柯發(fā)偉,黃潔,李鑫,宋強(qiáng),馬兆俠,文雪忠,柳森

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,綿陽621000)

1 引言

人類日益增多的航天活動造成了大量的空間碎片，在軌航天器受空間碎片撞擊的風(fēng)險也顯著增大，因此各國對在軌航天器的防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計愈加重視。從1947年提出Whipple結(jié)構(gòu)以來，先后提出了通過改進(jìn)緩沖屏或艙壁的改進(jìn)型Whipple結(jié)構(gòu)[1]，填充式Whipple結(jié)構(gòu)[2]，多層沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)[3]等。目前，在軌航天器防護(hù)結(jié)構(gòu)的外層結(jié)構(gòu)仍大量采用鋁合金板，它具有密度小、強(qiáng)度高的特性，還能有效地破碎空間碎片并將形成的碎片云擴(kuò)散，降低航天器艙壁受到的損傷。因此，測量超高速撞擊鋁板形成的碎片云特性成為了該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。測量碎片云的主要測試設(shè)備有X射線成像系統(tǒng)[4，5]、陰影成像系統(tǒng)[6]等。文獻(xiàn)[7]開展了碎片云全息測量，可獲得碎片云三維尺寸和分布，但測試視場較小、很難增大，不能獲得碎片的形貌。

為了開展超高速撞擊鋁板形成的碎片云測量研究，針對中國空氣動力研究與發(fā)展中心 (以下簡稱氣動中心)發(fā)展的序列陰影成像系統(tǒng)，文中開展了序列陰影成像系統(tǒng)的標(biāo)定、陰影圖像數(shù)據(jù)分析的碎片云測量研究工作。前光圖像可直觀地判斷超高速飛行模型的外形及表面損傷[8]，文中還開展了光源系統(tǒng)和成像系統(tǒng)同步控制的前光成像的碎片測量研究。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，開展了對應(yīng)試驗(yàn)狀態(tài)下的數(shù)值仿真，以及結(jié)果對比分析。最后，文中還提出了碎片云的前光及陰影成像的測量方案。

2 試驗(yàn)設(shè)備

鋁板的超高速撞擊試驗(yàn)在氣動中心的超高速碰撞靶 (見圖1)上完成，超高速碰撞靶配置口徑7.6mm和16mm發(fā)射器，它們的最高發(fā)射速度分別為7.5km/s和8.8km/s，對應(yīng)最大發(fā)射質(zhì)量為1.0g和3.0g。彈丸在壓力低于50Pa的靶室內(nèi)飛行時速度變化可忽略，它的平均速度通過光幕測量獲得，其原理是利用彈丸飛越測試區(qū)域時對激光束的遮擋效應(yīng)來記錄彈丸到達(dá)各測試站的時間，速度測量的誤差小于0.3%。

3 碎片云陰影測量

3.1 超高速撞擊碎片云陰影成像

氣動中心的序列激光陰影成像系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、準(zhǔn)直系統(tǒng)、棱錐分光成像系統(tǒng)和控制采集系統(tǒng)組成。每臺脈沖激光器的光束通過高能量閾值光纖耦合后進(jìn)入準(zhǔn)直系統(tǒng)，激光器脈寬小于10ns、40mJ，激光器出光的最小序列間隔為10ns，陰影圖像的有效曝光時間小于10ns，每張圖像的分辨率優(yōu)于1000萬像素 (與圖像間隔解耦)。序列陰影成像儀的整體結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

彈丸超高速撞擊鋁板形成的序列碎片云陰影圖像如圖3～圖5所示，緩沖屏均為鋁板，彈丸為鋁合金，均為正撞擊。圖4中的緩沖屏材料采用了夾具固定。彈丸撞擊速度越高，撞擊過程的火光越強(qiáng)，序列陰影成像儀均有效消除了超高速碰撞過程火光對成像的影響，碎片云陰影圖像清晰；陰影圖像的成像比例一致，根據(jù)不同時刻的碎片云形狀可獲得碎片云的擴(kuò)散速度。

根據(jù)陰影圖像中碎片的大小，為分析緩沖屏材料破碎彈丸的性能提供了支撐數(shù)據(jù)[10]。圖5中防護(hù)結(jié)構(gòu)后墻反濺的碎片云輪廓清晰，通過圖像處理可獲得其運(yùn)動速度。根據(jù)超高速撞擊纖維填充式防護(hù)構(gòu)型陰影圖像，獲得的纖維層反濺碎片的運(yùn)行特性，為分析纖維布破碎、攔截碎片云的機(jī)理以提供了數(shù)據(jù)[11，12]。

3.2 碎片運(yùn)動軌跡測量

圖1 氣動中心超高速碰撞靶Fig.1 HVI Range in CARDC

圖2 序列陰影成像儀示意圖[9]Fig.2 The sketch of the sequenced shadowgraph instrument[9]

圖3 碎片云序列陰影圖像 (t=1mm，V=4.64km/s，d=4.00mm，S=100mm)Fig.3 Shadow image sequences of debris cloud(t=1mm，S=100mm，V=4.64km/s，d=4.00mm)

圖4 碎片云序列陰影圖像 (t=4mm，V=7.20km/s，d=3.98mm，T=8 μs，S=100mm)① d為彈丸直徑，mm；V為彈丸撞擊速度，km/s；S為防護(hù)結(jié)構(gòu)緩沖屏和后墻之間的距離，mm；t為緩沖屏厚度，mm；T為圖像間隔， μs。Fig.4 Shadow image sequences of debris cloud(t=4mm，S=100mm，V=7.20km/s，d=3.98mm)

圖5 碎片云序列陰影圖像 (t=2mm，V=8.31km/s，d=6.00mm，T=4 μs，S=100mm)Fig.5 Shadow image sequences of debris cloud(t=2mm，S=100mm，V=8.31km/s，d=6.00mm)

氣動中心發(fā)展的序列陰影成像系統(tǒng)[6，9]不同的脈沖激光束穿過同一測試區(qū)域時有微小的夾角。采用獲得的序列陰影圖像開展碎片運(yùn)動軌跡測量，需要對圖像進(jìn)行標(biāo)定。準(zhǔn)直光束穿過測試區(qū)域時才能實(shí)現(xiàn)陰影成像，用于陰影成像系統(tǒng)的標(biāo)定裝置為布滿等間隔的相同大小通孔的平面金屬板 (見圖6)，標(biāo)定板放置在陰影成像系統(tǒng)的視場內(nèi)，任意擺設(shè)不同的姿態(tài)和位置，獲得多幅不同姿態(tài)的標(biāo)定板的陰影圖 (見圖7)，利用成像約束關(guān)系，獲得每一幅圖的2D像素點(diǎn)與3D空間點(diǎn)之間的關(guān)系，標(biāo)定出不同陰影圖像的位置、角度關(guān)系。

圖6 標(biāo)定板Fig.6 The calibration plate

圖7 標(biāo)定板陰影圖像Fig.7 Shadow image of the calibration plate

根據(jù)同一碎片在兩幅圖像上的幾何外形相似性和碎片沿碰撞點(diǎn)的散開運(yùn)動特性，對碎片云序列陰影圖像進(jìn)行碎片的提取和匹配對應(yīng)不同圖像中同一碎片，獲得碎片云的運(yùn)動軌跡。碎片在超高速運(yùn)動過程中存在翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)，以及陰影圖像中碎片的遮擋影響，為了更好地匹配不同陰影圖像中的相同碎片，選取圖3(e)和圖3(f)兩幅陰影圖像。對碎片云陰影圖像進(jìn)行碎片識別，獲得的圖像如圖8所示，碎片二維運(yùn)動結(jié)果如圖9所示，圖中藍(lán)色和紅色圖代表前后兩幅圖的碎片提取結(jié)果，綠線表示同一碎片在兩幅圖上的對應(yīng)情況，可以看出，絕大部分碎片都能夠很好地對應(yīng)上。碎片云頭部的碎片密集，單個碎片很難識別。

圖8 陰影圖像碎片提取結(jié)果Fig.8 Extraction results of shadowgraph images of debris cloud

圖9 碎片二維運(yùn)動結(jié)果Fig.9 2-D moving trajectories of debris cloud

4 碎片云前光成像

隨著計算機(jī)視覺以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，雙目前光測量技術(shù)得到極大發(fā)展，應(yīng)用在了粒子測速[13]。雙目前光測量定位的原理如圖10所示，它的測量原理是從二維圖像中獲取物體表面的三維信息，實(shí)現(xiàn)被測物體的空間定位和尺寸測量。

圖10 雙目前光空間點(diǎn)定位原理Fig.10 Location of space point in binocular front image

雙目視覺測量技術(shù)具有測試視場大、測試精度高的優(yōu)點(diǎn)，但測試區(qū)域的雜光對前光成像的影響較大。開展碎片云前光成像，須消除雜光對成像的影響。鋁球超高速撞擊鋁板形成的強(qiáng)烈火光持續(xù)約10μs[14]，為了有效消除撞擊火光對前光成像的影響，采用圖11所示控制方式，撞擊火光消失后，控制工業(yè)相機(jī)的開啟和脈沖小于10ns激光器閃光，碎片云前光成像的測量布置示意圖如圖12所示，兩層鋁板厚度均為1mm，工業(yè)相機(jī)為4872像素×3248像素、最短曝光時間為233μs，激光脈沖能量40mJ。獲得的碎片云前光圖像如圖13所示，由圖可知碎片云撞擊到第二層鋁板時也產(chǎn)生了火光，對前光成像產(chǎn)生了一定的影響，在前光圖像中可見第二層板位置有火光；脈沖光束照射到第二層鋁板反射到第一層鋁板，在前光圖像中可見亮線。前光圖像中成像景深外的碎片輪廓模糊，這是由于采用的相機(jī)鏡頭與成像物距不匹配。采用曝光時間更短的工業(yè)相機(jī)可進(jìn)一步消除測試的雜光對前光成像的影響。

5 數(shù)值仿真

圖11 碎片云前光成像控制示意圖Fig.11 The controlling mode of the front light imaging

圖12 前光成像布置圖Fig.12 The measurement layout of the debris cloud

圖13 碎片云前光圖像(t=1mm，d=5.00mm，V=4.22km/s，S=100mm)Fig.13 Vision image of debris cloud(t=1mm，S=100mm，V=4.22km/s，d=5.00mm)

采用AUTODYN有限元軟件建立彈丸和防護(hù)構(gòu)型的SPH(光滑粒子流體動力學(xué))3D仿真模型。彈丸和鋁板的材料狀態(tài)方程均采用Shock模型，強(qiáng)度模型采用Johnson Cook模型，SPH粒子尺度為0.2mm。緩沖屏:φ20mm；后墻:φ2mm，為空間尺寸的參考基準(zhǔn)。為了便于分析碎片的產(chǎn)生來源和空間分布，仿真計算中彈丸和兩層鋁板均用不同的顏色表示。仿真結(jié)果如圖14～圖16所示。圖14中的碎片云前端位置與圖中的前六幅對應(yīng)較好，圖15中碎片的運(yùn)動方向與圖9中的也吻合較好。仿真結(jié)果與測試結(jié)果相比，圖像中碎片元的徑向運(yùn)動速度低，碎片云前端的形狀明顯差異，這為仿真計算模型的改進(jìn)提供了依據(jù)。圖16為碎片云空間分布圖，通過圖像處理[15]僅能給出碎片的空間尺寸。

圖14 碎片云陰影分布仿真計算結(jié)果 (t=1mm，V=4.64km/s，d=4.0mm，S=100mm)Fig.14 2-D distribution of debris cloud(t=1mm，S=100mm，V=4.64km/s，d=4.00mm)

圖15 碎片云二位分布仿真計算結(jié)果(t=1mm，V=4.64km/s，d=4.00mm，S=100mm)Fig.15 2-D moving trajectories of debris cloud(t=1mm，S=100mm，V=4.64km/s，d=4.00mm)

圖16 碎片云仿真結(jié)果斜示意圖(t=1mm，d=5mm，V=4.22km/s，S=100mm)Fig.16 Oblique drawing of the debris cloud(t=1mm，S=100mm，V=4.22km/s，d=5.00mm)

6 分析討論

文中采用的兩種測量方法可以獲得碎片云的清晰圖像。根據(jù)水平陰影儀器獲得的圖像，獲得了碎片云二維運(yùn)動情況，后續(xù)將發(fā)展建立多通道序列陰影測量，實(shí)現(xiàn)碎片云的三維運(yùn)動測量。采用前光成像可獲得碎片云空間分布和三維形貌，需要在同一時刻從多個視角對碎片云前光成像；采用曝光時間更短的工業(yè)相機(jī)，進(jìn)一步減弱試驗(yàn)過程的雜光對成像的影響。針對陰影成像和前光成像的特點(diǎn)，設(shè)計了在同一測試位置同時獲得碎片云前光及陰影圖像的測量方案，布局示意圖如圖17所示。在同一測試區(qū)域獲得的靜態(tài)模型前光及陰影圖像如圖18所示，測試區(qū)域φ500mm，光源系統(tǒng)為40mJ的脈沖綠光。

圖17 前光及陰影成像系統(tǒng)布局圖Fig.17 The sketch of the front light imaging and shadowgraph

圖18 靜態(tài)模型的前光及陰影圖像Fig.18 The images at the same measurement area

超高速撞擊形成的碎片云頭部碎片密集，為了獲得其數(shù)據(jù)信息，待碎片云充分運(yùn)動擴(kuò)展后測量；同時，可考慮片光測量碎片云分布。

7 結(jié)論

文中開展了超高速撞擊鋁板碎片云的陰影成像和前光成像測量，初步試驗(yàn)結(jié)果表明這兩種測量方案技術(shù)可行。對比測量和仿真結(jié)果，測量結(jié)果為仿真計算模型的改進(jìn)提供了依據(jù)。根據(jù)前光和陰影兩種成像方式的特點(diǎn)，提出了前光及陰影成像立體測量碎片云的方案。