柯發(fā)偉,黃潔,李鑫,宋強,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險也顯著增大，因此各國對在軌航天器的防護結構設計愈加重視。從1947年提出Whipple結構以來，先后提出了通過改進緩沖屏或艙壁的改進型Whipple結構[1]，填充式Whipple結構[2]，多層沖擊防護結構[3]等。目前，在軌航天器防護結構的外層結構仍大量采用鋁合金板，它具有密度小、強度高的特性，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域研究熱點之一。測量碎片云的主要測試設備有X射線成像系統(tǒng)[4，5]、陰影成像系統(tǒng)[6]等。文獻[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)的標定、陰影圖像數據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。根據試驗結果，開展了對應試驗狀態(tài)下的數值仿真，以及結果對比分析。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 試驗設備

鋁板的超高速撞擊試驗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，對應最大發(fā)射質量為1.0g和3.0g。彈丸在壓力低于50Pa的靶室內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來記錄彈丸到達各測試站的時間，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入準直系統(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構示意圖見圖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，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，根據不同時刻的碎片云形狀可獲得碎片云的擴散速度。

根據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據[10]。圖5中防護結構后墻反濺的碎片云輪廓清晰，通過圖像處理可獲得其運動速度。根據超高速撞擊纖維填充式防護構型陰影圖像，獲得的纖維層反濺碎片的運行特性，為分析纖維布破碎、攔截碎片云的機理以提供了數據[11，12]。

3.2 碎片運動軌跡測量

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為防護結構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動軌跡測量，需要對圖像進行標定。準直光束穿過測試區(qū)域時才能實現(xiàn)陰影成像，用于陰影成像系統(tǒng)的標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)，標定板放置在陰影成像系統(tǒng)的視場內，任意擺設不同的姿態(tài)和位置，獲得多幅不同姿態(tài)的標定板的陰影圖 (見圖7)，利用成像約束關系，獲得每一幅圖的2D像素點與3D空間點之間的關系，標定出不同陰影圖像的位置、角度關系。

圖6 標定板Fig.6 The calibration plate

圖7 標定板陰影圖像Fig.7 Shadow image of the calibration plate

根據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的散開運動特性，對碎片云序列陰影圖像進行碎片的提取和匹配對應不同圖像中同一碎片，獲得碎片云的運動軌跡。碎片在超高速運動過程中存在翻轉、旋轉，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行碎片識別，獲得的圖像如圖8所示，碎片二維運動結果如圖9所示，圖中藍色和紅色圖代表前后兩幅圖的碎片提取結果，綠線表示同一碎片在兩幅圖上的對應情況，可以看出，絕大部分碎片都能夠很好地對應上。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果Fig.8 Extraction results of shadowgraph images of debris cloud

圖9 碎片二維運動結果Fig.9 2-D moving trajectories of debris cloud

4 碎片云前光成像

隨著計算機視覺以及圖像處理技術的發(fā)展，雙目前光測量技術得到極大發(fā)展，應用在了粒子測速[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 雙目前光空間點定位原理Fig.10 Location of space point in binocular front image

雙目視覺測量技術具有測試視場大、測試精度高的優(yōu)點，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生了火光，對前光成像產生了一定的影響，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鏡頭與成像物距不匹配。采用曝光時間更短的工業(yè)相機可進一步消除測試的雜光對前光成像的影響。

5 數值仿真

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構型的SPH(光滑粒子流體動力學)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。為了便于分析碎片的產生來源和空間分布，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較好，圖15中碎片的運動方向與圖9中的也吻合較好。仿真結果與測試結果相比，圖像中碎片元的徑向運動速度低，碎片云前端的形狀明顯差異，這為仿真計算模型的改進提供了依據。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。根據水平陰影儀器獲得的圖像，獲得了碎片云二維運動情況，后續(xù)將發(fā)展建立多通道序列陰影測量，實現(xiàn)碎片云的三維運動測量。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，進一步減弱試驗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，設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，為了獲得其數據信息，待碎片云充分運動擴展后測量；同時，可考慮片光測量碎片云分布。

7 結論

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，初步試驗結果表明這兩種測量方案技術可行。對比測量和仿真結果，測量結果為仿真計算模型的改進提供了依據。根據前光和陰影兩種成像方式的特點，提出了前光及陰影成像立體測量碎片云的方案。