航天器空间碎片防护结构设计优化技术研究

航天器空间碎片防护结构设计优化在国际上属前沿研究课题,也是我国载人航天后续工程急需突破的技术。文章研究了防护优化理论方法,建立了适用于各类典型防护结构的两类防护优化数学模型,介绍了所采用的优化算法;完成了防护结构设计优化软件系统的重要模块防护优化算法库及防护优化求解器的设计开发;还对防护优化求解器进行了测试考核,验证了求解器的有效性、稳定性及高效性。     

空间碎片防护结构设计优化技术研究进展

空间碎片防护结构设计优化技术是航天器防护设计的关键技术之一,在空间碎片超高速撞击风险评估软件研制基础上,国际上已开始了空间碎片防护优化软件的研究开发,而且取得了阶段性的研究成果。丈章首先对防护结构构型方案及其防护材料选择评估技术作了简要介绍；然后重点对防护结构设计优化技术的研究进展从优化模型、优化算法、敏度分析等方面进行了分析综述；最后简要给出了防护结构设计优化流程和研究工作建议。     

DE算法在空间交会中的应用

在第一次脉冲位置可变的条件下,用差异演化(DE)算法实现航天器双冲量交会的优化。根据C-W方程建立双冲量交会模型,用时间-能量加权法计算混合优化指标。给出了所设计DE优化算法的编码、生成初始种群、变异、交叉、辅助和选择等操作步骤。仿真结果表明,DE算法较基本遗传算法(GA)能更有效地获得最优解。     

复材结构航天器静电特性及防护技术

复合材料结构航天器静电防护特性相对于金属材料结构航天器而言呈现出较大差异。文章针对新型天地往返无人航天器,研制了高温条件下材料电阻率测试专用探头和测试系统,并从材料静电特性、静电防护设计等方面开展了复材结构航天器静电特性研究。结果表明:作为冷结构的碳纤维复合材料属于导静电型材料,可以满足防静电需要;在航天器地面着陆后,可通过导静电轮胎将飞行器冷结构上的静电释放至大地,实现对航天器着陆后的静电防护;采用局部静电消除的方法,可消除热防护绝缘材料上的静电,将航天器热防护材料表面静电降低至安全范围内,保证再入返回着陆后人员的操作安全。     

超高速撞击弹丸形状效应数值模拟研究

为保证在轨航天器的安全运行，微流星体和空间碎片的防护成为现有航天器，特别是长寿命、大尺寸航天器设计时必须考虑的问题。本文采用AUTODYN软件进行了不同形状弹丸超高速撞击whipple防护结构的数值模拟，对不同形状弹丸撞击Whipple防护结构的撞击极限曲线进行了比较，分析了各形状弹丸撞击防护屏后形成的碎片云状态，以及分析了各撞击极限曲线之间差异的原因。不同形状弹丸对Whiple防护结构的损伤能力有很大差异，弹丸破碎和碎片云分散程度随弹丸速度、长径比和撞击方向的改变而改变。     

克服地球轨道空间碎片的航天器防护结构几何规划设计

文章描述了一个用于航天器防护结构综合优化的独特方法——几何规划优化技术,以减小暴露于流星体和空间碎片超高速碰撞环境下的航天器防护结构系统的重量。空间碎片和流星体环境由广义加权目标函数的公式来定义。通过Wilkinson,Burch和Nysmith超高速碰撞预示模型说明几何规划的性能。表明遵循几何规划形式的超高速碰撞模型,可以进行综合非线性设计优化。     

航天器火工冲击环境防护技术现状与应用

火工冲击环境是航天器经历的最恶劣的力学环境之一,尤其以航天器与运载火箭分离时最为恶劣。火工冲击环境会影响有冲击敏感元件的设备甚至航天器的正常工作,严重时可导致发射任务失败。因此,有必要研究火工冲击环境的防护措施。文章分析了火工冲击环境特点及载荷组成,阐明了火工冲击载荷来源、作用机制及防护原则,分析了航天器系统级和部件级火工冲击防护措施的现状,在调研国内外航天器火工冲击防护措施最新进展的基础上,提出了我国航天器火工冲击防护技术的研究方向及应用建议。     

球形弹丸高速撞击航天器防护结构的数值模拟分析

给出了空间碎片超高速撞击航天器双层防护结构模型，采用非线性有限元方法中的光滑粒子流体动力算法，计算了球形弹丸对航天器双层防护墙结构超高速撞击过程，获得了弹丸穿过第一层防护墙后，碎裂形成颗粒云团及其对第二层防护墙的损伤效应。计算结果表明多层防护墙结构能够有效地缓减高速空间碎片对航天器的破坏作用。     

欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划粒子群算法

研究欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划问题。众所周知航天器利用三个动量飞轮可以控制其姿态和任意定位，当其中一轮失效，航天器动力学方程表现为不可控。在系统角动量为零的情况下，系统的姿态控制问题可转化为无漂移系统的运动规划问题。基于粒子群优化技术设计了欠驱动刚性航天器姿态的非完整运动规划算法。通过数值仿真，并和遗传算法进行了比较，结果表明该方法对欠驱动航天器姿态运动规划是有效的。     

航天器防护瓦脱落力学分析

以固体力学为基础研究了航天器中热防护瓦的脱落问题。通过考查防护瓦与机体间粘接面上剥离应力的存在,建立了新的力学模型,满足了粘结面上剪切应力的边界条件,克服了传统剪滞理论的缺点,并对航天器防护瓦的脱落做出了合理解释。进一步并分析了防护瓦长度、厚度及材料对剥离应力的影响,进而为防护瓦的设计提供力学参考建议。     

超高速碰撞数值模拟的工程算法模型

提出了双层板防护结构的超高速碰撞数值模拟的工程算法模型，采取理论分析、经验公式和数值模拟相结合的研究方法来模拟碎片云的产生，以及碎片云对结构的破毁过程。本模型中，碎片云的产生采用理论分析和经验公式得到，结构响应采用有限元动力学软件Dyna3D进行计算。数值模拟结果与文献中给出的破坏效果基本一致，说明提出的工程算法是可行的，模拟得到的结果能定性的描述相应的超高速碰撞的现象，得到基本正确的结果。     

Continuum Model for Space Debris Evolution with Account of Collisions and Orbital Breakups

The paper discusses the mathematical modeling of long-term orbital debris evolution taking into account mutual collisions of space debris particles of different sizes. Investigations and long-term forecasts of orbital debris environment evolution in low Earth orbits are essential for future space mission hazard evaluation and for adopting rational space policies and mitigation measures. The paper introduces a new approach to space debris evolution mathematical modeling based on continuum mechanics incorporating partial differential equations. This is an alternative to the traditional approaches of celestial mechanics incorporating ordinary differential equations to model fragments evolution. The continuum approach to orbital debris evolution modeling has essential advantages for describing the evolution of a large number of particles, because it replaces the traditional tracking of space objects by modeling the evolution of their density of distribution.     

梯度波纹夹层防护结构超高速碰撞特性仿真研究

文章基于空间碎片被动防护需求,提出了一种梯度波纹夹层防护结构,并对其超高速碰撞过程及形成碎片云的特性进行了仿真分析。仿真结果表明,相比于Whipple结构,在梯度波纹夹层结构中冲击波的卸载方式更复杂,更有利于空间碎片的破碎;碰撞速度在5~20 km/s时,碎片云的膨胀半角先增大后减小;夹层结构中前置波纹板对撞击动能中不可逆功的吸收量和吸收占比最大。研究结果对空间碎片被动防护结构的设计具有一定的参考价值。     

深度交叉遗传神经网络在液体火箭发动机故障检测中的应用

将遗传算法与BP神经网络深度交叉融合,即采用遗传算法对BP神经网络的权值和阈值进行多点优化,而在进化的每一代中随机取少量染色体进行单一BP网络训练,训练结果再返回染色体,经过若干代的进化后得到稳定的权值和阈值,再将它们赋给BP神经网络,作为初始值,按误差前向反馈算法沿负梯度搜索重新训练,最终得到最优解。这种算法既避免BP算法易陷入局部最优解的不足,又克服遗传算法以类似穷举的形式寻找最优解而引起的搜索时间长、速度慢的缺点。并且经过仿真分析,深度交叉遗传BP神经网络的收敛性和故障诊断能力优于传统BP神经网络和单一使用遗传算法,可有效应用于液体火箭发动机故障检测中。     

空间碎片数据形式及轨道演化算法

根据建立空间碎片工程模型的需要,定义了一种描述单个空间碎片运行位置及其物理特性的数据形式。基于空间碎片运动规律给出了一种用于计算单个空间碎片运行时＂平均位置＂的演化算法。计算的演化结果与STK软件计算的标称轨道比较表明：该演化算法正确。     

Hybrid methods for determining time-optimal,constrained spacecraft reorientation maneuvers

Time-optimal spacecraft slewing maneuvers with path constraints are difficult to compute even with direct methods. This paper examines the use of a hybrid, two-stage approach, in which a heuristic method provides a rough estimate of the solution, which then serves as the input to a pseudospectral optimizer. Three heuristic methods are examined for the first stage: particle swarm optimization (PSO), differential evolution (DE), and bacteria foraging optimization (BFO). In this two-stage method, the PSO-pseudospectral combination is approximately three times faster than the pseudospectral method alone, and the BFO-pseudospectral combination is approximately four times faster; however, the DE does not produce an initial estimate that reduces total computation time.     

基于自适应差分进化和BP网络的罗盘误差补偿

To improve the acuuracy of heading angle measured by electronic compass, a new error compensation method is proposed based on adaptive differential evolution algorithm and BP neural network. In the method, the 3 layer BP neural network is used to model heading angle error, and adaptive differential evolution algorithm is adopted to train the weights of network, thus obtaining a more exact error model, and compensating the heading angle error measured by electronic compass. Compared with other compensation methods such as 8 position least squares, BP neural network, differential evolution algorithm for optimizing BP neural network, and so on, its error compensation accuracy is significantly improved, the method has strong global optimization ability, great convergence rate, good stability, and so on. The experimental results show that after compensation, the error range of heading angle is decreased from -16°~30.7° to -0.22° ~0.2°, which satisfies the needs of higher accuracy navigation systems.     

载人航天器空间碎片防护与减缓设计

为降低空间碎片撞击所带来的威胁,文章针对某载人航天器进行了空间碎片撞击风险分析,并设计了空间碎片专用防护结构,制定了轨道规避策略;同时针对重点设备进行钝化设计,并采用寿命末期有控离轨制动方案。以上措施可有效实现空间碎片减缓。