不同屏蔽材料对空间100 MeV质子防护效果分析

为了研究地球空间辐射环境中高能质子的屏蔽问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟了100 MeV质子入射相同面密度的Al、PE、水三种屏蔽材料,通过分析射线穿过屏蔽材料后在水模体中的深度剂量分布、屏蔽材料内的能量沉积、屏蔽材料产生的次级粒子能谱,对不同面密度下三种材料的质子屏蔽效果进行了对比分析。结果表明:Al、PE、水三种屏蔽材料中,使用PE屏蔽材料比Al屏蔽材料节省27.29%的重量即可实现对100 MeV质子的有效屏蔽,水屏蔽材料比Al材料节省22.46%的屏蔽材料重量;面密度为6.48 g/cm~2PE材料对100 MeV质子的屏蔽能力比同等面密度下Al材料增加59.23%;等效Al厚度为27 mm时,PE屏蔽比Al屏蔽能力增加达到最大值82.96%。     

载人深空探测被动屏蔽优化仿真研究

深空环境下高能银河宇宙射线与防护材料间产生了复杂多样的次级粒子,使得航天员辐射损伤效应和防护问题突出。运用Geant4蒙特卡罗仿真工具,计算了1000 MeV·n~(-1)的铁离子与铝或聚乙烯相互作用后,产生次级碎片粒子分布规律;分析了银河宇宙射线经过不同材料屏蔽体后,其碎片及次级中子对人体剂量当量的贡献随屏蔽厚度变化规律;依据该规律优化设计质量密度为20 g/cm~2聚乙烯掺杂比为15%硼的复合材料,得到的仿真设计复合材料成分比例可为载人航天被动屏蔽材料制备提供依据。     

载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

月壤对太阳粒子事件防护性能研究

针对载人登月活动中航天员可能遭遇太阳粒子事件,研究了月壤作为防护材料的屏蔽性能。选取了1956和1989年2个典型的太阳粒子事件,计算了在屏蔽不同质子通量的情况下月壤所需的质量厚度,与铝和水进行了比较,并计算了屏蔽后的皮肤剂量;进一步利用蒙特卡洛方法计算了不同截止能量对应质子被屏蔽后的中子和次级质子产额,对质量厚度和次级粒子产额的关系进行了讨论。结果表明:13.43 g/cm~2的月壤可以阻挡1956年和1989年太阳粒子事件中99%的质子,此时皮肤剂量已在剂量限值内;在屏蔽相同数量的质子时,月壤所需的质量厚度小于铝,但大于水;月壤屏蔽后产生的中子产额小于铝。从工程实现的角度考虑,月壤可实现对太阳粒子事件的防护。     

载人航天废弃物的空间辐射防护性能研究

针对载人深空探索中的空间辐射,特别是大规模太阳粒子事件对航天员的威胁,需要在载人航天器内建立空间辐射应急防护区,为航天员在遭遇太阳粒子事件的时候提供必要的保护。考虑热融化压实技术在降低废弃物的空间占用率、高温杀菌和回收水分的同时能在不增加额外载荷的情况下为航天员空间辐射应急防护区的建设提供材料,在载人航天废弃物模型的基础上,利用Monte Carlo方法对其热融化压实产物的质子防护能力进行了计算,结合太阳粒子事件能谱和组织器官剂量计算转换因子,对不同屏蔽条件下太阳粒子事件造成航天员组织器官剂量的变化进行了研究。结果表明,在10 g/cm~2屏蔽厚度下,皮肤、脑、心脏以及红骨髓的辐射剂量都大大降低,均在剂量限值之下;除了需要对眼采取额外的局部防护措施以外,5 g/cm~2铝屏蔽+5 g/cm~2载人航天废弃物热融化压实产物基本上可以满足对太阳粒子事件的防护需求。     

几种COTS元器件单粒子试验研究

针对COTS元器件没有考虑空间辐射环境的影响导致的高风险,特别是单粒子效应,使用重离子对空间科学用的数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)和模数转换器(ADC)开展了单粒子效应试验研究,分析了这几种COTS元器件单粒子效应发生时的现象。结果表明:TMS570LS20216型DSP的单粒子闩锁阈值低于12.6 MeV·cm~2/mg,A3PE3000L型FPGA的单粒子翻转阈值在个位数量级,ADS7883S型ADC的单粒子效应阈值大于36.8 MeV·cm~2/mg。试验结果可用于COTS元器件空间应用的系统级单粒子效应防护设计和风险评估。     

航天器介质盘环结构内带电特性三维仿真分析

针对航天器内特定结构的内带电（IDC）问题，以航天器典型复杂介质结构——太阳帆板驱动机构介质盘环为研究对象，开展了地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下介质内带电三维仿真分析。通过Geant4实现电荷输运模拟，根据电荷守恒定律数值计算得到电场，在此基础上，研究了屏蔽厚度对介质内带电的影响规律，提出了根据屏蔽厚度调整入射电子能谱能量下限以提高计算效率的方法。仿真结果表明，盘环结构内带电最严重部位是盘环最外圈上层介质与金属导电环接触的上边沿；增加屏蔽厚度可以减缓充电风险，但是随着温度降低，屏蔽效果会随之减弱。在地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下，当温度低至183 K时，由于辐射诱导电导率成为总电导率的主导部分，从而增大屏蔽的同时也会降低介质电导率，导致即使3 mm铝屏蔽下仍可能出现接近10⁷ V/m的场强峰值。     

喷射沉积SiCp/Al-8.5Fe-1.3V-.17Si热暴露过程的显微组织演变

采用喷射沉积工艺制备了SiCp/Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si复合材料,并通过热压后多道次热轧制备了板材.研究了板材在不同温度下热暴露过程中第二相粒子、SiC/Al界面和位错密度的变化,并通过X射线衍射分析了板材在热暴露过程中的物相变化.结果表明,复合材料经热加工后第二相粒子保持弥散细小,为50～ 80nm,SiC/Al界面干净,没有脆性相生成;在500℃暴露200h后,第二相粒子几乎没有变化;在550℃暴露200h后,第二相粒子略有长大,没有明显的脆性相生成;600℃下暴露10h后,SiC/Al界面处生成Al4C3相,第二相粒子长大至400 ～500nm,并生成Al13Fe4相;在550℃热暴露过程中,随着暴露时间变长,位错密度增加.SiC颗粒分解向基体中析出游离态Si,抑制了Al12( Fe,V)3Si的粗化和分解,提高了复合材料的耐热性能,因此该复合材料在550℃以下具有良好的热稳定性能.550℃以上耐热性能急剧下降,热暴露过程中位错增殖.     

非晶合金超快激光去除行为和切割质量试验研究

采用脉冲宽度为250fs激光对厚度为70μm的Zr–21Cu–4Al–1Ti(ZT1)非晶态合金进行表面去除、切割加工等试验。结果表明,超快激光与ZT1非晶合金交互作用有非热熔性和热熔性两种去除机制,两种去除机制对应的去除阈值分别为0.17J/cm~2和2.15J/cm~2。切割质量与能量密度密切相关,在激光能量密度超过热熔性去除阈值的较大参数范围(2.2J/cm~2F_012.8J/cm~2),可以获得无附带损伤的切割边缘,这与超快激光高斯能量分布特征和去除材料的阈值密切相关。     

材料表面改性的一种新技术

 本文提出了一种高功率脉冲等离子体束使材料表面改性的新技术。脉冲等离子体束的功率密度约为(1～40)×10~4W/cm~2,运动能为1～5KeV,沉积能为1～25J/cm~2,脉冲时间为60μs。碳钢经脉冲等离子体束处理后,表面有新的氮化物和碳化物相(Fe_3N,(Cr,Fe)_7C_3,Cr_(23)C_6)产生;SEM金相照片表明,在钢表面区域有一层白亮层,它是碳钢高速淬火后所具有的特征;注入元素浓度沿深度的公布近似为高斯分布。表面显微硬度有了显著的提高。     

热管冷却型月球堆的辐射屏蔽设计研究

针对40 k We热管型月球堆的辐射屏蔽问题,建立了三维蒙特卡罗计算模型。屏蔽布局方式整体采用地埋式,堆芯上方的轴向屏蔽体则采用影锥构形,选取适用温度范围宽、耐辐照的碳化硼作为中子屏蔽材料,伽玛屏蔽材料则采用钨,模拟计算了空腔及钨层厚度对轴向屏蔽体后端典型位置的辐射影响,同时也考察了百米外人员所受剂量随径向屏蔽体厚度的变化关系。据此得到了热管型月球堆初步的屏蔽体构型,其总质量为2.15 t,十年运行寿期内紧靠屏蔽体后端的敏感器件最大中子注量(1 Me V等效)为1.86×1014cm~(-2)、最大伽玛剂量为3.68 Mrad,而人员剂量仅为11.92 m Sv/a,在较大的裕量范围内满足辐射安全要求。     

U型方管中爆燃向爆震转变特性实验研究

以脉冲爆震发动机(PDE)用曲管爆震燃烧室为应用背景,对气相(乙烯/空气)燃烧波在U型方管实验器中的传播过程进行了实验研究。通过改变实验器中弯曲段进口气流入射激波强度,基于弯曲段内压力、波速的测量及高速摄影实验得到了U型方管实验器中半圆型弯段内的爆燃向爆震转变(DDT)特性。结果表明,弯曲段中DDT特性受到入射激波速度的影响:当入射激波速度小于794m/s(43.6%VCJ,VCJ为理论Chapman-Jouguet爆震波速),在弯曲段内不能形成爆震;当入射激波速度介于870~908m/s(47.8%VCJ~50.0%VCJ)之间,弯曲段内首先会产生局部爆炸,并最终形成爆震;当入射激波速度大于934m/s(51.3%VCJ),爆燃波可以直接在弯曲段入口转化为爆震波。     

ZrO2对C/Al2O3陶瓷多功能复合材料性能的影响

采用基体改性的方法,向AlCl3溶胶中添加ZrO2粉,制得含ZrO2的C/Al2O3复合材料,探讨了添加ZrO2对C/Al2O3多功能复合材料性能的影响.结果表明添加少量的ZrO2,可产生基体的相变及在基体内产生微裂纹,这可改善C/Al2O3陶瓷基体间界面性能,提高材料强度,降低材料热导率.同时对ZrO2添加量进行了优化处理,最终确定ZrO2的最佳含量为1%(质量分数),使材料强度值提高39%,材料热导率降低至0.902 W/(m·K)以下.     

高体积分数SiC_p/Al复合材料精密车削加工工艺技术

针对高体积分数铝基碳化硅材料车削加工过程中出现的刀具磨损严重、寿命低、切削难度大、零件质量难以保证等问题,采用聚晶金刚石刀具(PCD刀具)对其进行精密车削工艺实验,并利用扫描电镜、粗糙度仪、圆度仪等设备对已加工表面和刀具磨损形态进行观察分析研究。研究表明:刀具材料、切削速度、切削深度和进给量是影响高体积分数SiC_p/Al复合材料加工质量的主要因素。当切削速度在25~40 m/min、切削深度在25~35μm和进给量为25μm/r的PCD车刀时,切削效果最佳,可以有效地提高加工效率,改善工件表面加工质量,得到表面粗糙度为0.58μm和圆柱度为0.91μm的加工表面。     

“先进镁合金”专题序言

正镁是地球上储量最丰富的元素之一,在地壳表层金属矿的资源含量为2.3%,位居常用金属的第3位,此外在盐湖及海洋中镁的含量也十分可观,如海水中镁含量达2.1×10~(15)吨,可以说取之不尽、用之不竭:纯镁的密度为1.74 g/cm~3,约为铝合金的2/3,Zn合金的1/3,钢铁的1/4。由于具有比重轻,比强度、比刚度高,电磁屏蔽能力强,减震性能好,资源丰富,尺寸稳定,阻尼性、铸造性能、切削加工性能优良及易回收,无污染等一,系列优点,被誉为"21世纪绿色环保工程材料"之一的镁合金,日益受到人们的广泛关注。在很多金属趋于枯     

等温化学气相渗透法制备C/C-SiC复合材料的摩擦磨损性能

以碳纤维体积分数为30%的2.5维针刺碳毡为预制体,通过等温化学气相渗透法(Isothermal Chemical Vapor Infiltration,ICVI),制备4种C/C-SiC复合材料,基体中Si C含量由56%降至15%,其密度相近(1.87~1.91 g/cm~3)。利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对上述材料的显微结构和物相组成进行观察和分析,并在MM-1000型摩擦磨损试验机上研究复合材料的摩擦磨损性能。结果表明:随着基体Si C含量的降低,C/C-SiC复合材料的平均宏观硬度由98.2HRA降至65.1HRA,硬度分布的均匀性也明显下降;制动过程的平均摩擦系数和质量磨损率均显著增加;通过对摩擦表面形貌和磨屑微观形貌的分析,表明制动过程中的磨损机制受材料表面宏观硬度的影响显著;随着复合材料表面硬度的降低,磨损机制由磨粒磨损为主向磨粒磨损和黏结磨损联合转变,从而使摩擦系数和磨损量显著提高。     

C/C复合材料微波水热浸渍H_3PO_4改性研究

以磷酸为填充液与改性剂,采用微波水热法对碳/碳(C/C)复合材料进行了抗氧化改性。主要研究了微波水热反应温度、时间对改性C/C复合材料的结构及抗氧化性能的影响。研究结果表明:浸渍磷酸后材料抗氧化性能得到明显改善,微波水热改性是提高C/C复合材料抗氧化性能的一种有效途径;复合材料的抗氧化性能在120~210℃的水热改性范围内随着温度的升高而提高;经4h水热处理后材料的抗氧化性能达最佳;在210℃/4h微波水热处理后的C/C复合材料在700℃的空气气氛中氧化10h后的质量损失为9.47%,相对未改性的C/C复合材料抗氧化效果明显增加。     

黏胶丝基碳布增强C/C复合材料研究

采用黏胶丝基碳布进行了二维层板C/C复合材料研究。和PAN基碳布进行对比,分别从碳纤维微观结构、表面形貌、碳布物理性能、树脂基复合材料炭化过程残余热应力模拟、C/C复合材料力学和热物理性能表征等方面进行了对比分析和研究。结果表明,2 200℃处理的黏胶丝基碳纤维是非石墨化结构;纤维横断面呈腰子形,碳布纬向纱弯曲。黏胶丝基碳纤维的密度仅1．39 g/cm~3;拉伸模量很低,约50 GPa。炭化过程研究表明,黏胶丝基碳纤维轴向具有持续的正的线膨胀行为,在炭化初期与酚醛树脂的膨胀行为相一致;黏胶丝基碳布增强树脂基材料在800℃的面内自由热应变是PAN基材料的1/8;模拟的炭化过程热应力是PAN基材料的1/60。黏胶丝基C/C层板材料的层剪强度高于PAN基C/C复合材料,达到16．2 MPa;其拉伸强度为46．6 MPa,弯曲强度高达95．5 MPa,拉伸模量与弯曲模量基本一致,约10 GPa。黏胶丝基C/C复合材料在800℃的热导率是6．48 W/(m·K),与PAN基C/C复合材料非常接近;在800℃的线膨胀系数是2．18×10~(-6)/ K,远高于PAN基C/C复合材料的-0．387×10~(-6)/K。总之,黏胶丝基碳纤维由于其表粗糙度大、碳布纬向纱弯曲、极低的拉伸模量、正的轴向线膨胀系数,因而C/C复合材料层剪强度高,成型工艺中热应力低,较PAN基碳纤维更适合于研制不分层的二维C/C复合材料。     

轴棒法编织C/C复合材料的超声速火焰烧蚀性能

为了研究轴棒法编织、高压浸渍-碳化致密工艺(HPIC)及高温处理工艺制成的高密度的碳/碳(C/C)复合材料在火箭发动机中的烧蚀性能,使用气氧和煤油超声速(HVO)火焰对复合材料进行含铝工况烧蚀/侵蚀实验,烧蚀时间为30s;对比研究了复合材料在有、无含铝粒子侵蚀时烧蚀性能的差别;分别用扫描电镜、微CT和表面能谱分析了不同工况烧蚀表面的形貌和成分。结果表明,在不同的烧蚀工况下,材料的表面粗糙度不同,微观形貌和烧蚀率也有很大差异;复合材料在无粒子侵蚀工况下的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0318mm/s和0.0319g/s,烧蚀表面呈竹笋状和毛絮状,热化学烧蚀起主导作用;有粒子侵蚀时的线烧蚀率和质量烧蚀率的平均值分别是0.0516mm/s和0.0353g/s,烧蚀表面呈钝竹笋状,纤维从根部断裂,热化学烧蚀和机械剥蚀同时起作用;在纤维和基体表面有Al2O3粒子沉积;含铝烧蚀/侵蚀的线烧蚀率是不含铝烧蚀的1.6倍,质量烧蚀率的1.1倍。在烧蚀区的内部,基体碳受热后开裂,而碳纤维与基体碳间的界面相受热后无明显变化。     

数字信号处理大气中子单粒子效应(SEE)试验研究

本文针对4型航空常用的数字信号处理(DSP)进行了大气中子单粒子效应试验,对辐照条件、试验环境、试验件安装及监测方法进行研究,并对试验结果进行了数据处理及分析。试验结果表明,该4型DSP在14Me V中子辐射下均发生了单粒子翻转(SEU是单粒子效应中的一种模式),TMS320C6416TBGLZA8、TMS320C6418ZTSA500、TMS320F2812及SM32C6415EGLZ50SEP的单粒子翻转截面分别为1.91e-7cm2/device、6.62e-7cm2/device、8.82e-9cm2/device及1.62e-7cm2/device,在12000m处的飞行高度下,器件发生的单位翻转率分别为1.15e-03n/(device·h)、3.97e-03n/(device·h)、5.29e-05n/(device·h)、及9.69e-04n/(device·h)。