低温环境光纤光栅反射光谱感应特性研究

为提升光纤光栅低温传感性能,对低温环境中光纤光栅反射光谱响应特性进行了研究。建立了低温模拟环境光纤光栅传感器反射光谱响应试验系统。分别对不同温度下自由状态有/无涂覆层、不同胶接状态的光纤光栅反射光谱低温响应特性进行了实验研究,分析了半波展宽、反射波峰幅值和偏移量等性能。结果表明:涂覆层与胶粘液属性均会不同程度影响光栅栅区受力的均匀性,造成波峰分裂或旁瓣等啁啾现象。基于光栅低温啁啾效应产生机理,研制了一种封装结构光纤光栅传感器,用聚合物对无涂覆层光纤光栅进行封装,基片为低热膨胀系数的合金材料,胶粘剂为高性能紫外胶。试验表明:该传感器有良好低温响应特性,反射光谱平滑,且基本无旁瓣。     

光纤应变传感技术在固体火箭发动机测试中的应用

介绍了利用光纤光栅传感器组成固体火箭发动机光纤智能健康监测系统的基本原理，研究了光纤传感器缠入复合材料壳体的工艺问题，构建了光纤智能实时监测系统，并通过水压试验对试样进行了实时监测，取得了良好的效果，初步验证了光纤智能实时监测系统的功能，表明基于光纤光栅传感器的健康监测系统在固体火箭发动机领域有着良好的应用前景。     

光纤光栅光谱异常模式判别和自适应分段拟合在温度标定中的应用

针对空间真空和温度交变环境下光纤光栅（fiber Bragg grating, FBG）反射光谱工作模式识别困难以及测温精度不足的问题,提出一种FBG反射光谱异常模式判别方法,并对所获取的波长?温度曲线进行自适应分段拟合。实验结果表明:在大气常温与高真空热环境下,该方法对于FBG反射光谱异常模式的识别准确;波长?温度自适应分段拟合残差分别为0.052 126和0.017 083,满足空间真空热环境下FBG传感器的测温精度要求。     

基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究

从航天器结构健康状态监测对先进传感技术的需求出发,论述了国内外基于光纤传感的航天器结构健康状态监测研究现状及发展趋势,尤其是对美国国家航空航天局(NASA)、欧洲航天局(ESA)的研究情况做了重点介绍,并总结了国内外光纤传感技术存在的差距。分析光纤传感关键技术,包括光纤光栅密集复用技术、基于光频域反射的解调技术、光纤传感设备轻小型化技术等,提出了光纤传感技术在航天器上的应用特点,以及应用中需要注意的问题,可为相关研究提供参考。     

固体火箭羽焰的辐射特性及其温度测量技术述评

叙述了固体火箭羽焰的辐射特性,简要地介绍了热电偶法、等离子体法、光纤测温法、谱线反转法、发射吸收法、喇曼光谱法、微波衰减法、红外测温法和多光谱测温法的原理和应用。评述了这些火焰测温方法在羽焰测温上的适应性,并指出多光谱测温技术是羽焰测温的发展趋势之一。     

基于可观测性和可靠性的传感器分布优化设计

为了解决航天器的故障检测的传感器分布的设计问题,本文提出一种描述系统故障的有向图模型,针对该模型,给出了基于可观测性和可靠性的传感器分布的设计问题的描述,并提出了优化设计的思想。根据该思想给出了传感器分布优化设计方案,该方案考虑了故障的可观测性和故障检测的可靠性问题,还有传感器安置成本的约束问题,并采用了贪婪启发式算法实现了该方案。该方案应用到某卫星一次电源系统,仿真算例的结果表明该方案满足了可观测性和可靠性的要求,通过与其它设计方案对比,该方案能够快速提高系统的可靠性,更适合系统设计的需要。
     

超低温环境下光纤布里渊频移特性研究

针对高温差和超低温广泛存在的空间环境，了解航天器材料及结构的热应变稳定性对于保障航天环境模拟地面试验的可靠性具有重要意义。布里渊光时域分析（BOTDA）技术能够同时检测温度和应变，且具有高精度、长传感距离、抗电磁干扰及低成本等优势，但作为传感元件的光纤能否适应空间冷黑环境还未可知。文章首先利用BOTDA解调仪获取了2种典型标准单模光纤在超低温下的布里渊增益谱（BGS），然后通过实验数据分析光纤的超低温性能，最终标定了2种光纤的温度和应变系数。结果表明，受试光纤在超低温下仍能形成洛伦兹形状的BGS，且实际频移量与低温对应的理论频移量一致，满足超低温空间环境下BOTDA传感器的测温范围要求。     

卫星分布式光纤测温系统技术研究

针对大面积、轻质化、高精度、连续性的测温需求,介绍了基于拉曼散射和光时域反射技术的光纤测温原理。利用光纤散射信号沿光纤长度叠加的特点,提出了采用环绕式布线方式的卫星光纤测温系统设计,可以获取连续分布的温度场。受限于卫星资源,采用沿环绕光纤多点分布的铂电阻代替恒温槽。利用回路式双参考点设计进行在轨实时校准,消除卫星在轨复杂环境因素和光纤损耗的影响。分析结果表明:铂电阻测温误差引起的系统测量误差小于0.1℃,可以满足卫星使用要求。     

返回器防热层在轨测温的热电偶地面标定新方法

针对返回式航天器防热层在轨测温的微型铠装热电偶利用传统标定方法不能进行标定的问题,文章设计了一种适用于改进微型铠装热电偶的新地面标定方法,该方法包括试验系统、试验过程和数据处理等主要组成部分,通过地面标定试验测试和在轨验证,证明了该方法的有效性,可为防热层测温的铠装热电偶的地面标定提供参考。     

应用ZigBee技术的航天器内部三维空间定位方案

针对航天器内部缺少三维空间定位方案的问题,提出一种应用紫蜂(ZigBee)技术的无线传感器网络定位方案,即通过在航天器内部布置ZigBee无线传感器网络,设置若干数量的参考节点和未知节点,利用参考节点的先验位置信息,以及针对未知节点的测距信息,完成对未知节点的三维空间定位。建立基于参考节点平面的三维空间坐标系,根据到达角度(AOA)计算出未知节点的法向坐标(Z坐标),将未知节点投影至参考节点所在平面(XOY平面),利用三边定位法计算出未知节点在XOY平面的坐标。该方案理论上最少只需要6个参考节点,就可以实现对航天器内部未知节点的定位,并且不需要时间同步,适合于无线传感器网络的低复杂度设计需求;利用到达时间差(TDOA)算法进行AOA计算,通过对参考节点进行分层布局,避免使用复杂的天线阵列技术。仿真验证结果表明:本文方案具有较高的定位精度,同时具有较低的硬件和组网要求,以及较低的计算和通信开销,适合于航天器内部的三维空间定位。     

具有光明前景的小型航天器

航天器昂贵的发射费用是当今航天工业面临解决的主要问题之一。解决问题的一个有效途径就是应用经济型且可重复使用的发射系统而开发设计出体积更小、质量更轻的航天器也是很合算的方法。相对崭新的学科微型机构学(micro-meehatronis)(它集微型机构、微型传感器、微型马达及嵌入式电子线路子一体)的应用,可能会简化各种航天器系统的体积和质量。 在航天器中采用微型机构技术所带来的效益是惊人的。若航天器机械质量越轻,所需推进剂质量也越轻;能耗越低,则意味着推进系统体积越小且质量越轻,结构更加简单化,由此而产生的     

分布式光纤测温系统及高速数据采集与处理

分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的光纤传感系统 ,在系统中 ,光纤本身既是传输媒体也是传感媒体。讨论了系统的工作原理、设计思想、系统构成、高速数据采集以及瞬态采样平均技术 ,该系统已应用于石油测井。     

空间环境铝合金板结构热属性光纤监测技术研究

针对空间结构受热循环载荷作用而影响航天器功能与安全的情况,采用温度补偿方法,对基于分布式光纤传感器的板结构热应变和热变形测量技术进行研究,提出了一种基于光纤应变转换矩阵的铝合金板热膨胀系数计算方法,考虑了材料横向应变对结构热膨胀系数测量精度的影响,可为各向异性复合材料构件多方向热膨胀系数测量提供理论支持。研究表明:温度-70~100℃范围内,铝合金板所受热应变引起光纤光栅中心波长偏移量约462.4pm,中心波长偏移量与温度的相关系数约0.999;在温度100℃热载荷作用下,铝合金板在横、纵向变形量均约0.75mm;铝合金板热膨胀系数随温度变化呈现非线性,低温下不能将铝合金材料热膨胀系数近似为常数。研究为后续航天器空间服役状态在轨监测提供参考。     

一种微型航天器姿态控制系统建模与分析

从航天器微小型化的角度出发，提出了仅利用两个飞轮进行航天器姿态控制的飞轮配置方案。该方案还可以对高速旋转的飞轮所储存的能量进行管理，不需要磁力矩器等额外的卸载装置，从而简化了飞轮姿态控制系统的结构。详细描述了系统的结构和工作原理，推导了航天器姿态控制系统的非线性动力学模型，分析了影响航天器姿态机动性能的主要因素，并通过仿真验证了这种配置方案的有效性。     

载人航天器结构泄漏监测与检漏定位系统方案

提出由结构泄漏监测设备与舱外便携式检漏仪相结合,构成载人航天器气密性监测与检漏定位分析系统的方案。着重对该系统中的3项关键技术:差压式传感技术、传感器阵列技术和冷阴极触发规技术进行了深入的讨论。     

基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法

在载人月球探测任务中,为准确预测携带大量推进剂航天器的质量特性和在轨寿命以便进行飞行任务规划和控制,需要精确测量低重力条件下航天器推进剂剩余质量。文章对基于气体注入法的航天器贮箱推进剂剩余量测量精度和关键影响因素进行了仿真研究,研究结果表明:随着航天器贮箱中推进剂剩余量的不断减少,气体注入法测量精度不断降低;测量实施过程中贮箱压力值变化幅度越大,测量精度越高;测量精度受测量系统温度传感器精度影响相对较小,受测量系统压力传感器精度影响较大,呈近似线性相关;基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法,可通过选用高精度压力传感器和增大测量实施过程中贮箱压力值变化幅度实现。     

航天器表面瞬态测温用薄膜热电偶的研制

根据航天器表面测温的需要,研制了一种K型(NiCr-NiSi)薄膜热电偶。该型热电偶采用射频磁控溅射技术在针型高温陶瓷基体上制备薄膜热电偶,其热电偶结点厚度为微米级,能够与航天器表面有效贴合,实现航天器表面的瞬态高温测量。通过物理试验验证,该型薄膜热电偶测量最高温度能够达到800℃,测量相对误差在±0.5%以内,满足返回式航天器表面高温的瞬态测温需求。     

美国智能光学系统公司研制光纤氢泄漏检测系统

美国智能光学系统公司 (Intelligent Optical Systems Inc.)与美国国家航空航天局 (NASA)签订 60万美元合同 ,继续研制运载火箭光纤氢泄漏检测系统。2 0 0 1年 5月 14日 ,波音公司在 NASA斯特尼斯 (Stennis)空间中心进行的德尔它 - 4运载火箭静态点火试验中 ,在世界上首次验证了该系统。光纤氢泄漏检测系统利用多点光纤传感器系统 ,解决了运载火箭内部及外部氢泄漏的实时检测问题 ,该系统由低成本光源、作为传输介质的标准通信级光纤和易于制造的带有温度敏感指示器的光子管 (optrode)组成。与电化学技术相比 ,光电子传感器具有三优点…     

超光谱仪光栅面形对光谱性能影响的仿真分析

鉴于普通光学镜面分析技术研究光栅面形对超光谱仪光谱性能的影响具有精确度低且过程复杂的劣势,文章提出了一种用于分析光栅面形的全链路仿真分析方法。该方法综合考虑衍射和像差信息,利用有限元建立超光谱探测仪光栅结构变形模型,采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具,对光栅面形数据进行处理,得到光栅面形拟合结果,通过光学软件Zemax计算得到光栅面形对光谱畸变和光谱分辨率的影响。仿真分析结果表明,光栅面形的变化对系统的光谱畸变(如光谱弯曲和色畸变)影响较小,基本控制在1/5个像元内;对系统的光谱分辨率影响较大,当光栅面形导致其刻线位置发生较大误差时,对光谱分辨率有明显影响。     

带挠性附件航天器在轨质量特性辨识

考虑挠性附件的振动,研究了航天器在轨质量特性辨识问题。利用推力器产生激励,采用陀螺仪、加速度计和振动信号传感器作为敏感器,设计了模态滤波器提取各阶模态响应。通过交互迭代,设计了转动惯量和质心位置的辨识算法;根据加速度计原理,设计了质量的辨识算法。采用批量最小二乘法对算法进行求解。该算法适用于模态参数已知、任意初始状态航天器的质量特性辨识。仿真结果表明算法收敛速度快、辨识精度高。