空间微碎片撞击下铝基光学天线的损伤与杂散光特性OA
Damage and stray light characteristics of aluminum-based optical antennas under space micro-debris impacts
为了研究空间碎片超高速撞击(HVI)对光学元件的损伤与光学系统散射影响,基于有限元法—光滑粒子流体动力学(FEM-SPH)自适应耦合方法,结合高速撞击实验,系统研究了空间微粒超高速撞击作用下光学元件的损伤机理及其光学性能退化效应.本文研究对象为尺寸范围为0.1～1 mm的2024-T3铝质微粒,综合考虑了粒子尺寸,撞击速度,入射角度和粒子形貌(SAVM)四类参数的影响.数值模拟结果表明,撞击坑的直径与深度随粒子尺寸和撞击速度增大而单调增加,且在约25°入射角条件下损伤最为显著.不同粒子形貌对损伤程度具有显著影响,其中长圆柱体粒子引起的损伤最为明显.撞击过程中伴随碎片云演化及靶体表面隆起现象,其形成机理主要源于应力波传播,材料动态塑性流动及SPH粒子挤压耦合作用.进一步地,通过将提取的损伤形貌耦合至光学系统模型,定量分析了撞击所致表面缺陷对系统光学性能的影响.研究发现,当撞击粒子尺寸超过0.4 mm时,系统杂散光抑制比(ER)显著下降,低于40 dB的工程阈值,导致系统杂散光水平急剧升高,从而严重劣化光学成像与通信性能.本文建立了从超高速撞击模拟到损伤形貌再提取,形貌进行光学性能退化的完整分析链路,可为空间光学元件的损伤评估与防护设计提供理论依据与方法支撑.
To investigate the damage to optical components and the scattering effects on optical systems caused by hypervelocity impact from space debris,a systematic study was conducted on the damage mech⁃anisms and optical performance degradation effects of optical components subjected to hypervelocity im⁃pacts from space particles.This research employed a finite element method-smooth particle hydrodynam⁃ics(FEM-SPH)adaptive coupling approach,combined with hypervelocity impact experiments.This study investigates 2024-T3 aluminum particles within the size range of 0.1-1 mm,comprehensively exam⁃ining the influence of four parameters:particle size,impact velocity,angle of incidence,and particle mor⁃phology(SAVM).Numerical simulation results indicate that the diameter and depth of impact craters in⁃crease monotonically with particle size and impact velocity,with the most pronounced damage occurring at an incidence angle of approximately 25°.The morphology of different particles exerts a significant influ⁃ence on the extent of damage,with damage caused by elongated cylindrical particles being the most pro⁃nounced.The evolution of the debris cloud and surface uplift phenomena observed during the impact pro⁃cess are primarily attributed to the coupled effects of stress wave propagation,dynamic plastic flow of ma⁃terials,and SPH particle compression.Furthermore,by coupling the extracted damage morphology to the optical system model,the impact of surface defects caused by the collision on the system's optical perfor⁃mance was quantitatively analyzed.Research has revealed that when impact particle dimensions exceed 0.4 mm,the system extinction ratio(ER)diminishes markedly,falling below the engineering threshold of 40 dB.This paper establishes a complete analytical chain from hypervelocity impact simulation to damage morphology extraction and subsequent optical performance degradation.It provides theoretical foundations and methodological support for damage assessment and protective design of space optical components.
冯健飞;王金成;王孝坤;张志宇;王玉坤;薛栋林;张学军
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春 130033||中国科学院大学,北京 100049||光学系统先进制造全国重点实验室,吉林 长春 130033
信息技术与安全科学
空间碎片HVIFEM-SPH光学性能退化杂散光分析
MMODHVIFEM-SPHdegradation of optical performancestray light
《光学精密工程》 2026 (6)
874-890,17
国家自然科学基金资助项目(No.62127901,No.12003034)上海市在线检测与控制技术重点实验室(No.NO.ZX2023102)
评论