日趋增多的空间碎片对航天器在轨安全运行造成了严重威胁,特别是随着我国载人航天事业的发展,对应用于载人密封舱的空间碎片超高速撞击在轨感知技术提出了迫切需求。目前,通过研究单弹丸超高速撞击铝合金平板的声发射现象,初步验证了基于声发射的在轨感知技术对于空间碎片超高速撞击在轨运行航天器事件的实时感知、定位及损伤模式识别具有较好的应用前景。然而,载人密封舱通常装有防护屏且其舱壁具有加筋、隔框及焊缝等多种形式的凸起,导致空间碎片撞击载人密封舱产生的超高速撞击声发射信号特性及其传播规律更加复杂:空间碎片击穿防护屏形成的二次碎片云撞击密封舱舱壁将产生大量点状声发射源;感知系统将同时采集经支撑构件传播进入舱壁的防护屏超高速撞击声发射信号;舱壁中传播的声发射信号受到舱壁表面凸起的干涉作用,其波形及衰减特性将发生变化。载人密封舱的复杂结构给声发射在轨感知技术,特别是给基于声发射的舱壁损伤模式识别技术的工程应用带来了困难。本文以空间站密封舱结构为研究对象,针对二次碎片云超高速撞击声发射源时序特性、声发射信号在舱壁表面凸起作用下的幅值衰减特性、支撑构件导致的屏/舱间声发射信号干扰现象等问题开展深入研究,制定传感器布局方案,突破二次碎片云超高速撞击定位、损伤模式识别等关键技术,为在轨感知技术的工程应用奠定技术基础。论文的具体研究内容、研究方法以及取得的理论创新性分述如下:首先,提出了时序最速点和时序最速环概念,建立了传播时序函数,通过引入虚拟波阵面法解决了二次碎片云撞击定位问题。基于二次碎片云运动特性,分析了点状声发射源的产生时序及其所发信号的传播时序特性,建立了“传播时序函数”描述点源所发信号的传播时序,并提出了“时序最速点”的概念用以表征二次碎片云超高速撞击声发射源。通过研究时序最速点位置分布特征,提出了“时序最速环”概念,在此基础上引入虚拟波阵面法解决二次碎片云撞击定位问题。舱壁波速的各向异性会导致虚拟波阵面法定位结果偏离撞击中心,为验证该算法的可行性,设计了定位误差测试方案,利用时序最速点模拟声发射源,利用传播时序函数计算信号到达时刻,利用虚拟波阵面法进行定位计算,结果表明:由舱壁波速各向异性引起的相对定位误差小于0.13%,虚拟波阵面法可用于解决二次碎片云撞击定位问题。其次,采用数值仿真手段,研究舱壁表面凸起对超高速撞击声发射信号衰减特性的影响,建立了P波首波谷幅度衰减比预测公式,掌握了声发射信号在密封舱舱壁中的衰减特性。采用数值仿真手段获取了一系列的弹丸超高速撞击铝合金平板、加筋板的声发射信号,通过对比分析平板、加筋板信号波形特征,研究了表面凸起对声发射信号波形特征的影响,结果表明:在舱壁中传播的声发射信号波形可分为P波(primary wave)、S波(secondary wave)两部分。为定量描述P波衰减特性提出了“首波谷幅度衰减比”的概念,并利用它研究表面凸起对P波的衰减作用,结果表明衰减比大小主要取决于凸起的尺寸、数量以及信号的传播距离和方向,在此基础上建立了P波首波谷幅度衰减比预测公式,并通过实验验证了该公式的有效性。最后,通过仿真枪枪击定位实验,对S波衰减特性进行了定性分析,结果表明:使用底边长3200mm、高2000mm的等腰三角形定位阵列,可以获得具有一定精度的到达时刻,得到误差小于95.2mm的定位结果。再次,采用超高速撞击实验手段,研究了声发射信号在屏/舱间的传播特性,发现通过在“无干扰区域”布置传感器可以避免屏/舱干扰问题。针对圆柱支撑双层板防护结构进行超高速撞击实验,获得了单纯的防护屏声发射信号,利用小波变换辨识信号模态特征,结果发现:支撑构件对信号具有低通滤波和模态转换作用,防护屏信号经支撑构件传播进入舱壁后转变为低频的A0模态板波。基于这一特性,建立了屏/舱声发射信号到达时差预测公式,并采用实验手段验证了该公式的有效性。最后,以双层板防护结构为例,利用该公式研究了传感器位置与屏/舱声发射信号到达时序之间的关系,结果表明:舱壁存在“无干扰区域”,当传感器位于该区域内时,舱壁声发射信号总是最先到达传感器,可以避免屏/舱干扰现象的发生。然后集成对超高速撞击声发射信号在密封舱结构中的传播特性的研究结果,为某典型载人密封舱制定了声发射传感器布局方案。首先,根据密封舱结构特征修正了屏/舱声发射信号到达时差预测公式,评估了舱壁无干扰区域范围;其次,根据信号在舱壁中的衰减特性在无干扰区域内布置传感器,制定了需要30枚传感器的布局方案。使用该布局方案,能够避免屏/舱干扰现象的发生,并可以获得具有一定精度的定位结果。最后,通过一系列超高速撞击实验,获得了PVDF探头超高速撞击穿孔信号特征,制定了基于PVDF探头的舱壁穿孔感知技术方案。二次碎片云声发射源是大量点状声发射源的集合、在舱壁中传播的声发射信号波形受舱壁表面凸起引起的散射现象影响而变异,与单弹丸撞击平板相比,其声发射现象更加复杂,导致难以提取信号中携带的损伤信息,为满足对损伤模式识别技术的迫切需求,引入PVDF探头,通过超高速撞击实验研究了PVDF探头超高速撞击信号特征,在此基础上提出了基于PVDF探头的舱壁损伤模式识别技术方案:在密封舱内部布置环绕舱壁的PVDF探头,通过监测舱壁穿孔碎片云实现对舱壁穿孔损伤的实时感知。本文研究成果对发展适用于我国未来空间站的空间碎片撞击在轨感知系统具有重要的参考价值。