基于PVDF的空间碎片在轨感知技术研究

摘要

由于人类太空活动日益增多,太空中产生越来越多的空间碎片,对在轨航天器造成严重的威胁。随着我国在轨目标飞行器的成功发射,我国长寿命、高可靠性、大型航天器将面临着对0.1～10cm之间的空间碎片进行在轨实时感知的问题。为了对航天器在轨健康监测、系统修复和航天员逃生决策制定等提供服务支持,需要广泛开展各种空间碎片在轨感知技术的研究。本文正是为了能够对空间碎片的撞击实时感知,开展了基于PVDF的空间碎片在轨感知技术研究。
　　PVDF压电薄膜是一种高分子聚合材料,被广泛的应用到各个领域中。PVDF压电薄膜还被应用到空间碎片、宇宙尘埃的探测中,并且取得了一定应用效果。
　　本文通过使用三种不同形式的PVDF压电传感器(SDT1传感器、PVDF压电薄膜、二维PVDF压电薄膜),实现了在轨感知系统对高速撞击的感知、定位、靶板损伤初步识别、以及撞击参数获取能力。
　　利用SDT1传感器,获取碎片高速撞击的声发射信号、测量声发射信号传播速度,分析信号的时域、频域特点,以及信号的模态特征,并对其所测声发射信号S0模态的幅值衰减进行了定量分析,最终获得其对高速撞击的定位能力。
　　利用PVDF压电薄膜在受到高速碎片撞击破损时发生去极化效应,而产生的快速脉冲,有效地区分了碎片撞击靶板后,靶板成坑和穿孔两种损伤模式。
　　同时针对二维PVDF压电薄膜的特点,设计相应的传感器电路,将其输出信号数字化,使其具有获取高速撞击位置及空间碎片参数等能力。研究表明二维PVDF同时还具有对多块碎片撞击的识别能力。
　　最后,结合以上三种PVDF传感器,对基于PVDF的空间碎片在轨感知系统进行了展望。

目录

摘 要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

1.2 空间碎片

1.2.1 空间碎片环境概述

1.2.2 空间碎片的危害

1.3 PVDF相关研究现状

1.3.1 PVDF在空间碎片领域的应用

1.3.2 PVDF在其它领域的应用

1.4 本文研究内容

第2章 基于PVDF传感器的撞击定位相关技术研究

2.1 SDT1传感器

2.2 SDT1与V182传感器所测声发射信号速度

2.2.1 实验方案

2.2.2 SDT1测速实验结果分析

2.2.3 V182测速实验结果分析

2.2.4 二者获取信号速度比较

2.3 SDT1获取高速撞击声发射信号的时域、模态及频域分析

2.3.1 实验方案

2.3.2 信号的时域分析

2.3.3 信号的模态分析

2.3.4 信号的频域分析

2.3.5 声发射信号时域、频域和模态特点

2.4 SDT1传感器所测声发射信号中S0模态信号的衰减规律

2.4.1 实验方案

2.4.2 S0模态信号衰减分析

2.5 SDT1传感器定位技术

2.6 本章小结

第3章 PVDF压电薄膜对高速撞击损伤的初步识别

3.1 高速撞击损伤模式

3.2 PVDF压电薄膜

3.3 实验方案

3.4 PVDF压电薄膜去极化效应与压电效应信号对比分析

3.4.1 PVDF压电薄膜在高速撞击下两种效应信号对比分析

3.4.2 PVDF压电薄膜受振动和高速撞击产生的信号对比分析

3.5 靶板鼓包和穿孔时PVDF压电薄膜信号分析

3.6 本章小结

第4章 基于二维PVDF压电薄膜碎片探测及感知技术

4.1 引言

4.2 空间碎片速度获取方法

4.3 二维PVDF压电薄膜定位方案一

4.4 二维PVDF压电薄膜定位方案二

4.5 本文中的二维PVDF压电薄膜

4.6 二维PVDF压电薄膜全信号的采集

4.7 二维PVDF传感器电路设计

4.7.1 电压比较器电路及比较电压

4.7.2 锁存器

4.7.3 定时器电路

4.7.4 并行输入转串行输出电路

4.7.5 逻辑控制电路

4.7.6 传感器电路综合设计方案

4.8 二维PVDF传感器电路的仿真结果分析

4.9 二维PVDF压电薄膜及传感器电路设计中的问题

4.10 本章小结

第5章 基于PVDF空间碎片在轨感知系统的展望

5.1 基于PVDF的空间碎片在轨感知系统总体方案

5.2 基于PVDF空间碎片在轨感知各分系统

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢