航天运载器力学环境工程技术发展回顾及展望

近50年来,航天科技工作者对运载器发射飞行过程中的力学环境的认识逐步深入,带动了相关基础理论、预示方法、分析工具、试验技术和试验设备的不断发展。随着航天技术的快速发展,对运载器等的设计要求越来越高,火箭经受的力学环境也越来越恶劣,火箭力学环境预示与试验技术研究的迫切性日益突出。文章综合分析了力学环境预示与试验技术领域的研究发展状况,重点总结了北京强度环境研究所50年来为解决航天工程中的诸多力学环境问题所做的具体工作。最后,结合新时期航天项目的工程需求,提出了今后在航天运载器力学环境预示与试验技术研究领域的主要研究方向。     

某平台卫星发射及在轨力学环境测量与分析

为获取航天器准确的发射及在轨力学环境数据,设计了一套具有数据采集、存储和传输功能的星载测量系统。利用该系统对某大型平台卫星发射飞行过程进行了测量,获取了星箭界面及卫星结构典型位置在发射主动段的正弦振动响应、随机振动响应、冲击响应及在轨微振动的环境数据。将测量数据与星箭载荷耦合分析结果、地面力学试验结果进行了详细对比,结果表明:星箭载荷耦合分析的结果在星箭界面处横向相对准确,而纵向在有限频段准确,其他频段及星上分析结果均大于测量结果,即存在极大裕度;地面试验结果大于测量结果,意味着有较大的裁剪设计空间。测量数据对后续卫星模型修正、试验条件设计、相似平台卫星抗力学环境优化、部组件设计等均具有重要的参考价值。     

电磁阀阀体断裂故障分析及结构改进

针对某型电磁阀力学冲击后阀体断裂的问题,计算了阀体的结构强度,分析了故障原因和断裂机理。在不改变电磁阀外形尺寸和性能的前提下,提出了增加结构强度的改进措施,仿真计算结果表明改进后阀体断裂部位应力降低至原来的42,电磁阀经过力学环境试验、整机试车及飞行试验考核,阀体断裂问题得到彻底解决。研究结果表明,当阀体结构存在应力集中时,在高量级冲击条件下极易出现开裂、断裂等问题,同时外壳与阀体的连接可靠性对阀体结构强度影响较大,电磁阀设计时应重点考虑。     

高超声速飞行器鲁棒控制方法研究

针对冲压推进高超声速飞行器飞行高度和飞行马赫数跨度范围大,飞行环境非常复杂 ,而其飞行过程中各种复杂的力学过程不可能完全精确地考虑在用于控制设计的飞行器控制 模型中,且飞行过程中往往又会受到各种事先无法完全预知的扰动,采用μ分析方法 设计了高超声速飞行器鲁棒控制系统,设计结果表明μ分析方法可以较理想的解决高超 声速飞行器飞行控制系统在多种不确定因素情况下的建模误差难题。     

信息时代的飞行力学

基于现代信息技术，扼要论述了作为信息时代的飞行力学－－计算飞行力学的产生背景、问题表述、理论框架和计算系统，以及计算飞行力学在未来飞行器发展和运用研究中的作用。     

航天器振动控制技术进展

航天器在发射过程中经受复杂和严酷的力学环境,力学环境效应主要是激起航天器主次结构共振响应以及局部动力响应过大,造成结构破坏,局部失稳,电子元器件等敏感组件发生故障。为了提高飞行任务的可靠性,需要采用振动控制技术以降低运载载荷环境条件,提高航天器有效载荷比。本文从航天器系统级和部件级两方面对国内外振动控制技术的研究进展进行了系统的综述和深入的分析,以期对我国航天器振动控制技术的研究发展和工程应用有所启示。     

再入参数调整对登月航天器返回再入特性的影响

首先分析了再入参数调整对登月航天器返回再入运动特性的影响;然后利用自主编制的仿真软件,对再入参数调整的影响进行了仿真分析;最后在深入分析仿真结果的基础上,研究了再入参数变化对航天器再入过载、航程、飞行时间及落点散布等的具体影响规律,为后继进一步开展载人月球飞行相关任务的分析设计提供了有益参考。     

月面软着陆探测器地面力学试验方法研究

月面软着陆探测器的主要任务是携带有效载荷实现在月球表面的安全着陆,其经历的主要过程包括发射段、地月转移段、近月制动段、环月段、着陆段和月面工作段。软着陆探测器面临的月球环境比近地轨道卫星复杂得多。为提高软着陆探测器系统的可靠性,必须进行充分的地面试验,验证软着陆探测器的设计合理性。文章分析了月球软着陆探测器在各飞行过程中面临的力学环境,分析了力学环境对探测器系统的影响及作用效果,提出软着陆探测器需完成的地面力学试验项目,设计相应的试验方法,并给出确定试验量级的基本原则。     

“海洋二号”卫星主动段、自由飞行段力学环境测量与分析

力学环境测量系统首次搭载于“海洋二号”遥感卫星并开展了卫星在轨动力学环境的测量。文章主要介绍了利用该测量系统对主动段和自由飞行段卫星关键设备和关键部位动力学环境的测量情况,包括主动段卫星振动响应及其结构传递,自由飞行段卫星活动部件工作引起的微振动以及传递到光学敏感器上的微振动响应等;根据测量结果进行了力学响应分析。由于是首次开展在轨动力学环境的测量,所以获得的结果非常宝贵,对于完善、修正卫星分析模型具有重要的价值,可为卫星地面力学试验条件的确定提供参考依据。     

航天飞行动力学仿真模型验证环境研究

论述了利用三维图形建立航天飞行动力学仿真模型验证环境的研究方法,该验证环境包括飞行动力学仿真模型实时解算的主控机系统设计、三维图形显示系统的设计、输入输出界面控制台设计以及实时网络的设计。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异，以单关节机械臂为研究对象，进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型，为分析不同重力环境下，负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响，通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置，进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异，并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识，从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型，为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

Performance relationships between ground model and space prototype of deployable space antennas

Performance testing is very useful in the design of deployable space antennas. It is arduous and costly to carry out the prototype experiments on the ground because of the large aperture of the antenna and the difficulty of simulating space environments. Thus, a smaller replica of the antenna, called scale model, is used to achieve the performance testing for reasons of economy, convenience, and saving in time. In this paper, a two-step approach is proposed to predict the prototype performance of the antenna in the space environment according to the performance testing of the scale model. The first step is to analyze the similarity between the prototype and the model in the same environment. Different methods are adopted according to the different performance of the antenna. The scaling laws of the driving force of the deployable Astromesh antenna are established through the differential equations on the basis of the deployment dynamic equations, while the scaling laws of frequency are derived by the dimensional analysis method. The second step is to analyze the performance relationships of the scale model in the different environments. Experiments on the scale model can be performed to obtain the performance relationships. Finally, a complete example of the natural frequency analysis is given to illustrate the two-step method.     

Extraterrestrial environmental impact assessments – A foreseeable prerequisite for wise decisions regarding outer space exploration,research and development

Although existing international instruments such as the Outer Space Treaty and Moon Agreement generally express sentiments for minimizing missions' extraterrestrial environmental impacts, they tend to be limited in scope, vague and generally unenforceable. There is no formal structure for assessing how and to what extent we affect those environments, no opportunity for public participation, no uniform protocol for documenting and registering the effects of our actions and no requirement to mitigate adverse impacts or take them into consideration in the decision-making process. Except for precautions limiting forward biological contamination and issues related to Earth satellites, environmental impact analysis, when done at all, remains focused on how missions affect the Earth and near-Earth environments, not how our actions affect the Moon, Mars, Europa, comets and other potential destinations. Extraterrestrial environmental impacts are potentially counterproductive to future space exploration, exploitation and scientific investigations. Clear, consistent and effective international protocols guiding a process for assessing such impacts are warranted. While instruments such as the US National Environmental Policy Act provide legally tested and efficient regulatory models that can guide impact assessment here on Earth, statutory legal frameworks may not work as well in the international environment of outer space. A proposal for industry-driven standards and an environmental code of conduct based, in part, on best management practices are offered for consideration.     

大载荷谐振板的仿真研究

为使跌落式谐振板装置的特性满足大载荷冲击试验的要求,采用有限元方法对谐振板和大载荷（100 kg）谐振板的固有频率及它们在半正弦冲击信号激励下的响应进行计算,得出相应的冲击响应谱。根据计算结果反复调整谐振板的结构尺寸、激励源,使响应点的时域响应和冲击响应谱符合要求。研究结果显示:大载荷对谐振板装置的冲击响应谱有很大的影响,导致响应时域延长、转折点频率降低、冲击谱幅值降低。     

飞行器舱室突发污染源散发强度动态辨识

诸如载人航天器和大型飞机等密闭微环境,随着人员停留时间的延长,舱室突发污染 问题已成为危害工作人员生命安全的主要因素,所以迫切需要开展突发不确定污染源辨识及 危害性预测研究技术,以提高上述密闭环境主动应对突发污染的能力。本文提出一种新的浓 度离散随机模型,并建立敏感性分析方法实现污染源定位及强度初步估计,之后利用隐式与 显式卡尔曼滤波相结合的方法同时完成污染源散发特性的动态辨识及舱室空气污染物的浓度 预测。上述研究能够实现污染源散发特性的快速准确辨识。仿真结果证实了该算法的有效性 。
     

HR-30E型磁带机在静环境与动环境下动态性能的研究

文章研究了磁带机在静环境与动环境下的各项性能指标,介绍了动态性能测试原理以及动态重复性与动态线性度的计算方法,并对磁带机进行了动态补偿研究,补偿结果能够满足工程要求。     

无人飞行器在线航迹规划技术研究

在线航迹规划是针对不确定环境中的航迹规划问题,无人飞行器需要在参考飞行航线的约束下,根据局部地形、地貌、障碍、威胁等信息以及飞机本身机动能力的限制,实时地计算出飞行航迹,并跟随该航迹完成飞行任务。阐述了无人飞行器在线航迹规划的结构框架,分析了无人飞行器动力学约束及威胁场约束,并根据航迹几何建模方法及在线规划算法的国内外研究概况,着重探讨了在线规划算法如A＊算法、Dynapath算法及连续型粒子群优化算法。最后,阐述了无人飞行器在线航迹规划面临的关键问题及发展趋势。     

航天产品常见振动问题及对策

文章对航天器设计中常见的振动环境问题以及振动试验问题进行了比较系统、全面的归纳,并对产生这些问题的原因进行了分析。为了避免产生这些问题,应该从全寿命周期和系统工程的思想出发,对覆盖的有效性进行分析,对产品振动环境进行细化,对使用操作过程进行监测,以及加强环境设计标准的制订和动态管理。     

空间辐射环境工程的现状及发展趋势

空间辐射环境是航天器在轨运行所面临的重要环境要素之一,因其诱发的单粒子效应、总剂量效应、位移损伤效应、表面充放电效应、内带电效应等既可引起航天器材料、器件、结构等在轨损伤、性能退化甚至失效,然而又可以利用其开展空间育种等活动。文章从空间辐射环境与模型、空间辐射效应及机理、空间辐射环境与效应试验的评价标准、空间辐射环境效应试验方法、空间辐射环境与效应地面模拟试验设备、空间辐射环境与效应数值模拟、空间辐射环境与效应飞行试验及抗辐射加固技术等角度对空间辐射环境工程的现状进行了评述,进而提出了空间辐射环境工程各个领域的发展趋势。     

机载火控雷达的作战使用环境分析

首先分析了机载火控雷达的目标环境,给出了固定翼飞机、直升机、无人机、巡航导弹等目标的简要特性;然后分析了机载火控雷达的电磁干扰环境,总结了自然干扰、己方无意干扰和敌方恶意干扰的分类、作用机理及其影响,着重对敌方有源干扰、无源干扰、复合干扰的技术样式和使用方法进行了分析。