在超高速垂直撞击下，利用数字全息粒子跟踪测速技术对碎片云的三维参数进行测量

《Acta Astronautica》：Three-dimensional parameters of the debris cloud under hypervelocity normal impact with digital holographic particle tracking velocimetry

　　裴莉 | 徐一琦 | 薛志良 | 谢爱民 | 周永刚 | 吴学成
中国浙江省大学清洁能源利用国家重点实验室，杭州310027

**摘要**
航空航天设备的运行安全受到太空碎片的严重威胁。研究高速撞击下碎片云的影响风险具有重要意义。本文设计了一种纳秒双脉冲激光数字全息系统，通过精确的时间控制，在极短时间内记录不同时间点的碎片云全息图。同时，基于碎片云颗粒的形态特征，准确匹配颗粒并计算其三维速度。实验中，使用直径为3毫米的弹丸（A212铝合金）以4.831公里/秒的速度撞击直径为1毫米的目标板（A212铝合金），以获取模拟太空环境中的碎片云的三维参数。结果表明，大尺寸和高能量的颗粒主要分布在碎片云的核心和外壳部分，最大等效颗粒直径达到弹丸直径的46.21%，最大能量达到弹丸能量的2.56%。弹丸能量得到有效分散，84.62%的碎片云颗粒能量低于弹丸能量的0.20%。轴向速度沿轴线增加，最大速度可达弹丸速度的94.99%。径向速度分布相对均匀，核心前端的扩散范围较小。激光数字全息系统在修正碎片云数值模型、评估机械损伤和优化惠普尔防护盾设计方面将发挥重要作用。

**引言**
随着各种技术的进步，人类对太空的探索不断扩展。越来越多的昂贵且重要的航空航天设备被发射到太空中。航空航天设备的保护结构主要由基于铝的材料构成。轨道碎片和微流星体的高速撞击会损坏设备表面，严重威胁设备的安全运行[1][2][3]。高速撞击是指冲击强度显著超过接触物体强度的撞击情景。在近地轨道上，当太空碎片发生高速撞击时，撞击物在冲击波作用下断裂，表现出类似流体的行为，并产生碎片云[4]。同时，高速撞击事件还会产生更多的太空碎片[5]。目前，近地轨道上的太空碎片数量持续增加，速度范围从几公里/秒到几十公里/秒不等。即使质量非常轻或体积非常小的碎片，也可能具有极高的撞击能量，造成严重损害[1][2][6]。当太空碎片体积较大时，通常可以通过检测、预警和规避方法避免其危害；而当碎片体积小且数量庞大时，被动防护技术更为有效[6][7][8]。1947年提出的“惠普尔防护盾”是一种有效的被动防护技术，通过将撞击碎片分散成碎片云来消散撞击动量和能量，从而降低碎片穿透航天器舱壁的风险[2][9][10][11][12][13]。碎片云的结构、质量分布和动量分布的演变对于损伤风险评估、性能评估和惠普尔防护盾的优化设计至关重要[6]。

目前，关于碎片云分布特性的研究主要集中在模型建立和数值模拟上，实验测量结果可以有效验证和修正模型的缺陷[14][15][16][17][18][19][20]。高质量碎片云图像的捕捉与分析为研究碎片云的分布特性提供了有效参考。碎片云图像可以通过激光阴影图技术、闪射X射线成像技术、超快相机捕捉技术、全息成像技术等方法获取[10][21][22][23][24][25][26]。张等人[27]使用两级轻气枪进行了高速弹丸撞击实验，并通过激光阴影图获得了碎片云的特征参数和扩散情况。Ke等人[21]利用序列激光阴影图成像仪成功获取了碎片云图像，可用于讨论带有填充层的防护配置的性能。Ke等人[22]进一步通过高速序列阴影图图像评估了7公里/秒至9公里/秒撞击速度范围内铝制惠普尔结构的防护性能。Piekutowski等人[28][29]通过分析碎片云的闪射X射线照片确定了特定颗粒的尺寸和分布。Poormon等人[30]利用闪射X射线技术获取了镉碎片云中颗粒的速度，并将其与铝碎片云中的速度进行了比较，提出了一种速度缩放技术。Piekutowski等人[31][32]进一步利用碎片云的X射线照片识别了其前核心的材料来源，并讨论了目标板厚度与弹丸直径的比例与弹丸破碎初始阈值之间的关系。Hertel等人[33]使用X射线拍摄碎片云图像，以比较模拟数据和实验数据。Higashide等人[34]通过闪射X射线和超高速摄像机拍摄碎片云照片，获得了弹丸撞击产生的碎片云中颗粒的速度分布，并结合见证板上的撞击坑检查结果计算了碎片云的动能[35]。Kota等人[36]利用超高速摄像机研究了碎片云的演变，评估了折叠芯夹层复合材料的抗高速撞击性能，表征了损伤模式，并确定了关键设计参数。Kawase等人[37]使用高速摄像机记录了碎片云和前向喷射物的情况，并使用频闪灯使前向喷射物和碎片云的边界更加清晰。Abdulhamid等人[38]利用高速摄像机和激光阴影图技术记录了碎片云的分布，以了解撞击过程。碎片云三维特征参数的统计分析对于理解其分布特性具有重要意义。

目前，大多数研究将碎片云的三维空间分布投影到二维平面上，信息深度不足，限制了复杂空间分布的表示。Watson等人[5][39][40][41][42]使用同步高速摄像机记录了高速撞击实验中颗粒的空间和时间信息，并进一步利用四个视角的两个同步高速摄像机识别高速撞击实验中的碎片云颗粒及其轨迹，测量了颗粒的三维速度。全息成像技术在碎片云颗粒位置和形态的三维成像应用领域也显示出巨大潜力[6][43][44]。Nebolsine等人[45]利用双脉冲全息技术确定了碎片云中颗粒的速度，并指出当颗粒速度较高时需要更短的激光脉冲持续时间。Werdiger等人[26]使用离轴全息技术记录碎片云。然而，传统全息成像技术的处理、记录和重建过程复杂且耗时，逐渐被基于激光、光敏成像设备和计算机成像处理技术的数字全息技术所取代，实现了信号的数字存储，更加方便快捷[10][46][47]。Li等人[48]克服了内联全息技术的一些挑战，测量了激光冲击熔化铝产生的碎片颗粒的尺寸分布。Yeager等人[49]利用数字全息技术测量了通用铝盖起爆器的最快移动碎片的大小和形状。Zhou等人[6]使用高速撞击设施和数字内联全息系统获得了模拟太空环境中高速撞击下碎片云的三维位置和形状，并验证了将数字全息技术应用于碎片云三维成像的可行性。Xue等人[10]构建了一个大视场脉冲数字内联全息系统，通过组合多个透镜扩大了测量范围，并使用直径为3毫米的球体撞击直径为1毫米的目标板，进一步研究了高速撞击下碎片云的三维结构和颗粒尺寸分布，为碎片云颗粒的匹配识别和三维速度计算提供了有效支持。

基于团队已完成的高速撞击设施、数字内联全息系统和大视场设计，本文介绍了纳秒双脉冲激光数字全息系统的设计和构建。该系统使用两个数字摄像机进行双帧双曝光。本研究采用球形弹丸，便于精确控制发射参数，从而系统地研究撞击产生的碎片云的发展模式。弹丸和目标板材料均为A212铝合金，模拟近地轨道太空碎片的特征高速撞击事件，使实验条件更接近实际应用场景[50]。在实验中，直径为3毫米的弹丸以4.831公里/秒的速度撞击厚度为1毫米的目标板，系统在极短时间内捕获了不同时间点的碎片云全息图。实验压力设定为12帕斯卡，以模拟太空环境。经过重建、匹配和计算后，确定了碎片云颗粒的三维尺寸、速度和能量分布。高速撞击实验的执行涉及相当大的操作复杂性。本文验证了通过单条件实验捕获碎片云三维特征参数和进行模式分析的可行性。未来的研究将利用这一已建立的实验系统，在一系列操作条件下进行研究。本文表明，纳秒双脉冲激光数字全息系统是测量高速正常撞击下碎片云三维特性的可行方法，可用于改进碎片云的数值模型，帮助评估高速撞击下的机械损伤，并在优化惠普尔防护盾设计方面展现出巨大潜力。

**部分摘录**
**测量方法和实验系统**
本文完成了高速正常撞击下碎片云三维速度场测量系统的设计和构建。图1显示了高速撞击下碎片云三维速度场的重建步骤。捕获并重建了碎片云的全息图，并实现了碎片云颗粒的匹配和三维速度的计算，以研究碎片云的三维特性。

**系统校准**
使用棋盘校准板（长度1毫米，符号宽度0.2毫米）进行静态校准。数字全息测量系统拍摄的棋盘校准板的全息图像如图5(a)所示。与棋盘校准板的尺寸相比，测量视场的放大倍数为1.9倍，等效像素大小为14.06微米。通过比较棋盘校准板的物理图像和全息图，

**结论**
本文构建了一种高速正常撞击下碎片云的纳秒双脉冲激光数字全息系统，能够在极短的时间间隔内成功捕获全息图，并获得碎片云颗粒的三维特征参数。

**作者贡献声明**
裴莉：撰写——原始草稿，概念构思。
徐一琦：撰写——原始草稿，数据整理。
谢爱民：可视化，资源准备。
薛志良：可视化，资源准备，调查。
吴学成：撰写——审稿与编辑，监督。
周永刚：方法论，概念构思。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
作者感谢浙江省自然科学基金（LZ24E060001）的资助。