预测微陨石造成的损害并最大限度地降低不良影响 

商业化的太空探索推动了对太空和行星探测以及卫星任务的技术创新需求。为了确保空间结构的安全性和可靠性，评估其结构完整性非常重要。恶劣的太空条件，如辐射和大的温度波动，会加快材料的老化和磨损。此外，微陨石撞击的风险无处不在，这可能导致严重的结构损坏。 

     太空挑战 

随着近地轨道 （LEO） 卫星数量的增加，太空碎片引起碰撞的可能性正在增加。欧洲航天局估计，近地轨道上有超过100万个大于1厘米的粒子，其中被登记在册并受到监测（如空间监视网络系统）的只有大约30,000个。与这些粒子发生碰撞及微陨石的撞击会导致卫星结构损坏，从而损坏结构元件和电子子系统的功能，在最坏的情况下，会导致整个任务的终止。

     目标：在轨评估 

在地球上常用的传统无损检测技术，在太空环境中的应用受到一定限制。因此，对于执行关键任务的结构和系统，进行在轨状态评估变得至关重要，这有助于监测材料的老化过程以及撞击事件后的结构损伤。

结构监测系统作为一种无损检测技术，在多个工业领域和陆地应用中已经显示出其成熟的技术实力。接下来的任务是将现有的监测方法和系统进行转换和验证，以确保它们能够适应太空环境。SeRANIS项目正是致力于将成熟的结构监测技术应用于太空领域。“结构事件监测”飞行试验利用振动和超声波技术进行结构监测，以确保获知太空任务中关键结构和系统的健康状态。

通过在 SeRANIS上集成卫星Athene-1的原型，获取自近地轨道的振动数据，以提高空间态势感知 （SSA） 并用于进一步的科研工作。 

     测试实施 

小颗粒碰撞和撞击的检测准确性常受到卫星平台上其它子系统产生的结构背景噪声的干扰。为了最大限度地提高监控系统的可靠性，必须对预期振动模式的探测算法进行调整。为此，位于弗莱堡的恩斯特·马赫研究所的高速动力学研究所专门研究极高速冲击（HVI）。撞击实验使用两级轻气枪(SLGG)，可将微粒子的运动速度提高到7公里/秒。

这些颗粒被放置在一个弹壳中，黑火药点火后导致气体压缩，将弹壳内的微粒子加速到所需发射速度。粒子云内含直径为100-200 μm的球形玻璃珠，以大约2.5 公里/秒的速度撞击目标样品（参见图1和图2）。样品包括一个光伏元件，该元件由Airbus Defense and Space GmbH提供，与靶室的射击轴垂直。

图 1：光伏元件的正面与靶室对齐。由元件左侧的激光测振仪和右侧的压电陶瓷加速度计和超声波传感器来记录冲击波。

图 2：光伏元件背面与撞击室对齐。透过观察窗，激光测振仪的测量光束在反射镜的帮助下被引导至目标样品上

为了将微小粒子加速到极高速，将目标腔室抽真空至80毫巴。当载有粒子的弹壳进入靶室时，残余空气的摩擦使得弹壳脱落，分离出来的部分粒子云便可撞击到光伏元件。

此处用来测试样品的压电陶瓷加速度计和超声波传感器，后续将在太空中使用。

     超越超声波传感器的性能极限：Polytec 激光测振仪及信号处理

加速度传感器和超声波传感器的机械设计限制了可测带宽。由于有时无法完全捕获高频信号，传感器的惯性以及与载波结构的物理连接等其它因素不可避免地会影响测量质量。为了不影响测量结果，我们同时使用四台Polytec激光测振仪，同时测量分布在样品正面和背面共四个测点的撞击信号。在冲击试验中，使用到反射镜将测振仪的激光束对准目标测量点。

激光多普勒测振仪获取到的激光频移与被测表面的振动速度成正比。这种测量方法对频率基本不受限，甚至可以精确获取MHz的高频运动特性。因此，激光测振仪可以测量样品的瞬态信号，这远远超出传统传感器测量范围。

对于冲击测试，激光测振仪有其特别优势：一方面，激光测振仪采用非接触式测量方法，对被测样品无任何附加质量影响，从而确保了测量数据的高度一致性；另一方面，可以通过靶室的观察窗口进行远程测量，非常方便及确保测试人员的安全。

图 3：光伏电池被若干个单独粒子击穿

图 4：光伏电池被粒子云击穿

实验的核心目标在于探测并分析所谓的声发射现象，这些声发射以弹性超声波的形式在结构内部传播。这些发射就是我们熟知的兰姆波，是检测微粒引起的高速撞击的可靠指标。现有的结构损坏和老化效应也会通过类似的现象展现出来，因此结构的声发射测试可以用于掌握有关组件的健康状况。

图 5：使用Polytec信号处理软件来处理测量信号并与传感器信号进行对比。PSV功能强大且使用灵活，可用于优化测量参数设置

当然，测试也会面临挑战。如在测试开始时，冲击信号的特性及所需的测量参数都是未知的，因此在每次测试之间都需要进行确定和调整。庆幸的是，Polytec分析软件的信号处理功能强大且使用灵活。通过结合频率变换、滤波和数值微分/积分等软件功能，可以对冲击信号进行分析并将其与已记录的传感器信号进行比对，以便成功优化测量参数设置。

图 6：被击穿的光伏电池和微粒子的细节图

     展望 

由波脉冲引起的撞击伴随着一系列复杂的物理过程：撞击发生后辐射出可见光、红外和微波光谱，接着凹坑中出现等离子体和次生粒子云（见视频截图），造成样品出现从微裂纹到完全穿孔不同程度的损坏。

上面截图分别是：致密粒子云撞击过程；等离子体和次级粒子云从凹坑中释放出；光伏元件被完全击穿。

为了可靠地检测到此类冲击事件的发生，必须了解这些现象引发的振动和结构声的模式。本次试验为创新探测算法做出了重大贡献，这些算法构成了SeRANIS飞行试验“结构事件监测”的核心。下一步，撞击测试的结果将用于鉴定合适的传感器和硬件组件。

最后，将基于振动和超声波信号的检测和分类方法进行调整，以评估它们在实际工作环境下的适用性。已开发出的实验原型将在近地轨道进行至少两年的任务测试。

作者：

M.Sc. Fabio von Coburg

University of the Bundeswehr Munich
Institute of Lightweight Engineering

M.Eng. Dennis Berft

Application Services
Business Unit Vibrometry
Polytec GmbH, Germany