基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术研究

对数字孪生技术和运载火箭结构设计制造与验证的数字化技术现状进行介绍,在此基础上对基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术开展论证,主要包括基于数字孪生的结构设计技术、基于数字孪生的结构制造仿真技术和基于数字孪生的结构试验仿真与控制技术3个方面。与现有技术相比,基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术增加了面向过程的虚拟映射、模型驱动和数字管理等关键要素,加强了模型和数据对结构研制过程的预测、监测和控制作用,能够进一步提高设计效率,加快试验周期,提升结构的精细化和轻量化水平。     

发射场地面发射支持系统数字孪生架构及应用

针对航天发射场地面支持系统远程监测诊断、智能维护保养和自主决策控制等应用需求,提出了面向地面发射支持系统的数字孪生参考架构,提炼了实现数字孪生的关键技术。结合我国首型固液捆绑运载火箭塔式吊装对接工作,开发了基于参考架构的运载火箭塔式吊装对接仿真平台。经实际运行考核,该平台基于虚实空间交互映射和实时动力学仿真,通过丰富吊装场景监控信息,能够提高吊装对接工作的安全性和效率;同时,验证了数字孪生参考架构设计的合理性及技术路线的可行性。     

标准数字化在航天领域实施路径的思考

介绍了标准数字化的概念和国内外标准数字化研究及应用进展，以航天领域数字化转型探索为契机，结合数字化条件下对标准化工作的需求分析，提出航天领域标准数字化转型的思路和实施路径，以期对航天领域标准数字化转型应用提供借鉴和参考，支撑和保障“航天强国”目标和“数字航天”战略的实现。     

对航天器仿真技术发展趋势的思考

航天仿真技术是指系统仿真技术与航天工程技术的结合,为航天器、航天运输系统和导弹武器系统的设计分析、性能评估、体系对抗、指控及作战训练、故障诊断、运行管理等提供数学或半实物的验证手段和模拟平台.航天器仿真技术主要包括航天工程仿真和航天器系统仿真,涉及分系统仿真与建模技术、多物理场耦合的总体仿真技术以及高效协同的仿真技术.本文在总结航天器仿真技术发展的基础上,提出基于航天器仿真技术的航天工程研制全过程、全系统的多学科多场耦合的总体级仿真体系架构思想,论述了航天器仿真技术体系的需求与构想,阐述了航天器仿真技术涉及的关键技术,并对现代信息技术在航天器仿真技术中的应用进行了展望.     

智能制造技术在航天大型构件中的应用

智能制造是制造技术、系统工程、人工智能与网络技术等学科互相渗透、互相交织而形成的一门综合技术，可为高品质复杂零件制造提供新的解决方案，特别适应航天多品种、小批量生产的需要。本文分析了航天大型构件的生产制造现状，并列举了智能制造在航天构件领域应用的情况，分别从体系构架、工艺技术、制造装备、生产管理方面阐述了智能制造的实践应用。结合企业近年来的工作，从数字化的航天产品工艺设计和管理、面向航天复杂构件的智能化装备升级、全过程透明化的智能运营管控、航天智能焊接车间建设探索、数字孪生技术实现虚实融合等几个方面展开论述。     

航天系统雷电防护技术发展综述及展望

为满足航天系统的全天候发射任务需求，加强航天系统对于雷电环境的适应性，对航天系统雷电防护技术的发展情况进行了综述。首先分析雷电环境对于航天系统产生的破坏效应，追踪了世界航天史上典型的雷击案例，系统梳理了国内外航天系统雷电防护标准规范。针对运载火箭雷电效应数值仿真技术、雷电防护设计技术和试验验证技术，雷电气象监测预警技术，地面雷电防护技术和接地技术等关键技术的发展情况进行了追踪。在此基础上，从我国航天工程雷电防护的实际需求出发，对未来我国航天系统雷电防护技术重点研究方向进行了展望。     

航天产品三维数字化制造模式探索与实践

阐述了国内外数字化制造现状,并以首都航天机械公司为例,分析了公司数字化制造现状。公司以某新型号研制为背景,从背景需求分析、实施方案确定、研制流程梳理、支撑体系构建、关键技术攻关几个方面讲述了如何开展航天产品数字化制造模式探索;并结合新型号研制阐述了数字化制造技术实践及应用,为全面实现航天型号产品数字化制造奠定了坚实基础,对其它单位数字化制造的实施具有很好的借鉴意义。     

航天器数字化模拟及应用技术

通过国内外航天器数字化模拟技术的现状调研,从仿真框架、建模表达、求解计算、交互与可视化以及大数据等几个方面,综述了航天器数字化模拟所涉及的关键技术,并深入分析了相关技术在系统设计、开发与验证、飞行演练、控制与决策支持、体系仿真与效能评估等领域的应用。在此基础上,面向未来日益复杂的航天任务需求,提出了发展通用化框架、高可信建模、标准化工具和智能化应用的建议,从而加速推进航天器研制数字化、智能化的发展进程。     

人工智能航天领域应用参考模型

针对人工智能在航天领域的发展和应用问题,梳理了人工智能涉及的技术内涵和技术范畴,分析了在航天领域应用人工智能的近期迫切需求,给出了人类自然智能功能结构,构建了"信息感知、记忆思维、学习适应、行动驱动"的人工智能模型。从基础设施、基础技术、应用技术、产品与系统等层次,给出了人工智能技术参考模型,对需要发展的核心关键技术进行了描述。该参考模型可为明确航天领域的人工智能技术发展重点、建立标准体系提供参考。     

先进制造技术专题导言

正面对未来航天装备研制生产模式变革和先进生产能力构建的重大需求,航天企业界已将航天制造的数字化、信息化、智能化创新作为其关键战略发展路径。"航天发展,动力先行",固体火箭发动机作为航天动力技术的发展前沿,其先进制造技术的探索应用已成为航天领域的研究热点之一。为展示和交流这些研究动态与工程成果,本刊特组织"先进制造技术(Advanced Manufacturing Technology,AMT)"系列专题,不定期出版。     

滑行段低温推进剂流动及换热特性对气枕压力的影响研究

运载火箭在飞行过程中需要进行姿态调整以满足入轨要求,贮箱内推进剂在外界干扰力的作用下将发生晃动,由此引入了诸如气液接触面积、蒸发、冷凝过程及推进剂流动变化等不确定影响因素。实际飞行过程尤其是进入滑行段的初始推进剂晃动对贮箱内气枕压力及推进剂流动行为具有重要影响。在调研国内外运载火箭末级飞行过程中低温贮箱压力及推进剂流动特性的基础上,建立仿真模型,采用流体体积函数方法(VOF)分析滑行段推进剂流动特性变化对贮箱气枕压力的影响。     

氢氧末级长时间滑行贮箱压力控制及关键技术分析

为通过弹道优化设计提升火箭发射圆轨道卫星的运载能力,同时提高火箭对不同发射任务的适应性,需要火箭末级具备长时间在轨滑行能力。对氢氧末级火箭而言,延长在轨滑行时间需要解决的一个重要问题是液氢贮箱压力、推进剂温度的预示和控制。结合微重力下贮箱内低温推进剂力热耦合运动特征,给出了低温火箭在轨滑行过程中贮箱压力控制的设计流程和计算方法,并通过计算分析获得了整个滑行阶段液氢蒸发量、补压气瓶需求量等关键设计参数,为工程研制提供参考。     

运载火箭低温推进剂热管理技术及应用进展分析

运载火箭低温推进剂与外界环境的传热是造成汽化的主要原因。为长期贮存和使用低温推进剂,必须采用综合的热管理技术。首先介绍国内外提出的被动热防护技术和主动制冷技术。前者的主要目的是降低贮箱与外界环境的热量交换强度;后者是通过对贮箱内的热量进行转移,以实现低温推进剂的无损贮存,但只适合已具有良好被动热防护的贮箱。其次,对国外典型低温推进剂实验应用系统进行分析,并初步提出多功能液氢实验平台方案设想,方案中通过CZ-3A号搭载多功能液氢实验平台用于验证空间环境下低温推进剂的综合应用技术。通过对低温推进剂热管理技术的调研和论证,为我国低温推进剂在空间环境下的长期在轨使用提供技术参考。     

可贮存推进剂火箭增压气体与泵入口压力关系研究

根据氦气和氮气在可贮存推进剂中的溶解度与发动机泵入口压力关系，以及对美国上面级火箭“阿金纳”增压系统的分析，计算和研究，对我国可贮存推进剂上面级火箭的发动机泵入口压力要求和增压输送系统进行分析和研究，认为采用氦气增压，我国可贮存推进剂上面级火箭发动机氧化剂泵入口压力要求可以大幅度地降低，较大地提高火箭的运载能力，并提出相应的改进建议。     

低温推进剂火箭发动机预冷方案研究

对国内外低温推进剂火箭发动机采用的排放预冷、自然循环预冷和强制循环预冷等预冷方案进行了综述。介绍了国内新一代运载火箭使用的新型低温液体发动机的预冷研究。对液氧煤油发动机预冷方案中推进剂类型、发动机所在子级、自然循环多因素综合等影响方案的主要因素,以及发动机预冷方案中的维护、沸腾传热与两相流数值模拟等关键技术进行了分析。     

可重复启动低温上面级的推进剂管理装置研究

回顾了低温上面级推进剂管理技术的国内外研究现状,分析了上面级微重力环境中低温推进剂管理涉及的液体蓄留、气液分离和局部热控等关键技术。开展了液氧贮箱推进剂管理装置的方案设计,并试验验证了可填充蓄液器的填充和下层板网的指定路径排气等关键功能,确认了方案的可行性。     

长时间在轨上面级动力系统关键技术研究

上面级动力系统提供用于变轨所需要的动力，同时提供姿态控制、推进剂沉底、末速修正功能所需要的动力，将上面级和北斗导航卫星一起送入预定轨道。回顾了从早期的上面级动力系统选型论证到后续的关键技术攻关过程，对比研究了泵压式与挤压式动力系统的技术优势，分析了动力系统研制过程中的主要关键技术，并对关键技术的应用情况进行了总结，最后提出了长时间在轨上面级动力系统的后续发展建议。     

Lessons learned from the dynamic identification/qualification tests on the ESC-A upper stage model

The dynamic qualification of the new cryogenic upper stage ESC-A of the ARIANE 5 is supported by several tests in order to verify the assumptions and the modeling approach made at the beginning of the development. The stage contains a large amount of equipment such as propellant lines, acceleration rockets, batteries, fluid control equipment etc. For the low frequency domain the verification of the equipment responses in the integrated state was done by a sine vibration test, excited to levels representing the predicted flight loads including a qualification factor. Acoustic tests with the upper stage were performed to verify the random vibration responses in the frequency range up to 2000 Hz. To verify the shock response level induced by stage separation (pyro-shock) a stage separation test was performed. The paper concentrates on the experience made with the modal identification and sine vibration test of the stage. For the sine vibration test an electro-dynamic multi-shaker table was used. It was able to produce the required input precisely up to as specified, not an easy task for a test set-up of 20 tons weight. The paper presents the approach of how the dynamic qualification was reached successfully and highlights the experience accomplished.     

低温表面张力贮箱研究

对用于低温液氧推进剂的表面张力贮箱进行了理论上的初步分析，认为其在理论上是可以实现的。从低温表面张力贮箱的材料选择、低温推进剂引起的热应力及隔热层结构形式等方面进行了初步探讨。重点介绍了低温表面张力贮箱隔热层的结构形式及选用的隔热材料。分析了低温表面张力贮箱面临的特殊问题。     

深空探测用低温推进剂贮箱热力排气系统研究

Cryogenic propellant usually experiences long term on orbit storage. The pressure increase in cryogenic storage tank is faced by most of space missions. The thermodynamic vent system (TVS) is treated as the promising method to control the increase of the tank pressure by scholars both at home and abroad. Based on the investigation conducted by different research agencies, literature review and management are conducted to reflect the recent research statue on TVS. The development profile of the experimental research on the pressure control performance of TVS is specially summarized. The condition setting and performance difference of TVS conducted by different agencies are compared and analyzed. The key technique and related conclusion are refined during the operation of TVS. Finally, based on the requirement of the large scale using of cryogenic propellant in deep space exploration in China, the development plan is proposed on the aspect of TVS pressure control on cryogenic storage tanks.