航天器解体模型研究的新进展

航天器解体模型用于描述航天器因爆炸或碰撞解体所产生碎片的数量、尺寸、面质比以及速度等特性的分布规律,对于空间碎片环境建模与演化、空间碎片撞击风险评估及空间解体事件分析具有重要意义。分析了目前广泛使用的NASA标准解体模型的特点,介绍了近年来国内外在航天器解体模型方面的研究进展。国外的研究主要介绍了日本九州大学和德国EMI实验室开展的卫星撞击试验以及NASA最近启动的新一轮卫星撞击研究项目。国内的研究主要介绍中国空气动力研究与发展中心（CARDC ）开展的卫星撞击试验和仿真研究,以及在此基础上发展的CARDC-SBM航天器碰撞解体模型,并比较分析了该模型与 NASA 标准解体模型的差别。对当前航天器解体模型研究存在的不足进行了分析,提出了下一步应关注的研究方向。     

空间碎片柔性防护结构超高速撞击试验研究

针对由多层柔性复合材料制成的柔性防护屏构成的空间碎片柔性防护结构的防护效果问题,进行了超高速撞击试验和撞击损伤测试分析,得到了芳纶纤维布、芳纶环氧复合材料及铝合金多屏防护结构的空间碎片防护性能,结果表明:柔性防护结构具有较高的折叠效率(展开折叠比≥8),能有效减小防护结构的发射体积;柔性防护结构展开后,可显著增加防护结构的防护屏数和屏间距,能显著提高其防护性能;在碎片撞击速度3.5 km/s时,柔性防护结构可以达到与相同面密度铝合金防护结构相当的防护能力。该柔性防护结构可为空间舱站、卫星等航天器碎片防护提供一条有效的解决途径。     

一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法

为了提高天基空间碎片探测系统对空间碎片探测能力,研究了一种基于一致性理论的卫星协同自主探测方法,对系统中的卫星进行协同控制,从而实现对空间碎片进行最长时间的持续跟踪探测。探测星座利用招投标机制选取探测效果最好的卫星,空间碎片周围的卫星载荷再利用一致性理论,协同自主地指向空间碎片,以实现探测星座对空间碎片连续跟踪。仿真结果说明了该方法的有效性,1d内探测星座对典型空间碎片的最大连续观测时间由协同前的 6 min提高到了协同后的 39 min,提高了约 5倍,总观测时间由协同前的 1.5 h提高到 13 h,提高了约 8倍。该方法提高了观测效能,可为天基空间碎片探测系统提供一种对空间碎片协同探测的技术途径。     

冰粒超高速撞击蜂窝板的数值模拟研究

随着人类航天活动日益增多,空间碎片环境逐渐恶化,对航天器在轨安全运行造成严重威胁,各国学者开展了空间碎片超高速撞击数值模拟研究。目前的研究中一般采用铝弹丸代替空间碎片,但是还有部分空间碎片的密度接近冰的密度,对于冰粒的超高速撞击研究还很少且不透彻。蜂窝板是构成航天器舱壁的主要结构,对航天器内部设备起到保护作用,有必要开展冰粒超高速撞击时对蜂窝板损伤情况的相关研究工作。本文对冰粒超高速撞击蜂窝板开展数值模拟研究,研究冰粒对蜂窝板的损伤情况。研究结果表明,冰粒在一定条件下能够击穿蜂窝板,大量冰粒碎片和蜂窝板碎片将从蜂窝板背面的孔洞中高速冲出,势必对航天器内部设备造成毁伤;在冰粒动能相差不大的情况下,冰粒尺寸和蜂窝板结构将成为影响冰粒撞击效果的主要因素,直径较大的冰粒对蜂窝板的损伤程度较严重。     

典型载人航天器密封舱结构空间碎片高速撞击声发射定位技术研究

空间站等大型载人航天器因体积大、在轨时间长容易受到空间碎片撞击,作为应对措施,人们提出利用空间碎片在轨感知系统实时监测撞击事件,撞击点定位是在轨感知系统的基本任务之一。为此,本文首先测量了加筋板内s0波波速,根据波速变化规律提出名义波速的概念,在此基础上将虚拟波阵面法推广用于载人密封舱结构,实现对空间碎片撞击事件的精确定位。最后,分别进行了碎片云高速撞击周期性加筋板和空间站小柱段舱壁枪击定位试验,试验结果表明:可将密封舱内声发射信号传播速度视为定值即"名义波速",在此基础上虚拟波阵面法可推广用于密封舱结构。     

超高速碰撞碎片散布数值分析

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,对低轨卫星与某空间物体的超高速碰撞问题进行了数值模拟。通过确立航天器轨道高低判定准则及判定方法,分析了碰撞角度、碰撞速度对碰撞碎片散布的影响情况。仿真结果表明,低轨卫星与空间物体碰撞产生的大部分空间碎片所处轨道高度位于原卫星轨道周围;碰撞碎片的散布情况与碰撞方式密切相关,相比于上升式碰撞,下压式碰撞产生的下降碎片个数较多,上升碎片个数较少;低轨卫星与空间物体碰撞产生的空间碎片总数与碰撞相对速度密切相关,碰撞相对速度越大,碎片数量越多;随着碰撞相对速度的增大,上升碎片、下降碎片及双曲碎片的个数逐渐增加;在不改变碰撞总动量数量级的条件下,改变空间物体的速度大小对空间碎片散布的影响并不明显。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。     

航天器密封舱加筋壁板碎片撞击监测技术研究

航天器密封结构在轨长期运行期间会受到空间碎片撞击,使密封结构出现不同程度的损伤。如果这些损伤不能被及时检测出来并采取相应措施,可能会带来灾难性的后果。对碎片撞击进行监测可以为航天员采用正确修复方案提供依据。本文利用基于超声导波的结构健康监测技术感知空间碎片对航天器密封结构的撞击。首先,在 Abaqus 有限元仿真软件中,用不同速度的钢球冲击模拟真实的冲击形式。具体分析了超声导波在该壁板结构中的传播特性。用小波变换的方法进行信号处理,据此提取了合适的冲击监测所需的信号频率。其次,设计了一种基于信号互相关分析的冲击成像算法确定撞击位置。比较了不同压电传感器网络定位准确度以及监测效率,选择了一种可靠的组网形式进行监测。最后针对航天器壁板,在实验室环境中验证了该算法的有效性。实验结果表明,该监测系统具有良好的准确性与可靠性。     

基于等效靶方法的飞机单击中易损性通用计算模型

飞机单击中易损性/生存力经常表示为飞机在给定一次威胁(例如碎片)随机打击条件下的杀伤概率及易损面积结果.将弹药威力评估领域中的"等效靶"方法引入到飞机易损性评估中,提出了一种飞机在弹丸或导弹碎片单次打击下的杀伤概率及易损面积的通用计算模型.为了更加反映真实情况,该模型考虑了一枚碎片(弹丸)连续穿透部件后运动状态变化的影响.应用表明,所提出的通用模型解决了易损性评估中Pk/h(部件给定打击下的杀伤概率)的计算问题,与其他通常采用的单击中模型相比更容易实现计算机化.     

含裂纹载人密封舱体结构在轨失效分析方法

入轨后的载人密封舱体结构存在一定程度的初始裂纹,微流星与空间碎片的撞击会使密封舱体结构产生新的裂纹损伤,密封舱体为薄壁结构,长期在轨飞行期间,在各种载荷的作用下,裂纹损伤可能导致密封舱体失效。考虑到不同的裂纹损伤来源及其转化,提出了载人密封舱体结构总体失效分析方法。首先提出了载人密封舱体结构在轨期间由裂纹损伤导致失效的两类模式及判定依据,并说明了各裂纹损伤间的转化关系;然后,说明了基于Forman模型进行舱体裂纹扩展分析的原理;最后,对某在轨飞行15年的载人密封舱结构因舱压导致的结构失效进行了分析,确定了舱体结构上的断裂失效危险部位及危险裂纹形式,并得到穿透裂纹的临界长度。     

空天飞机全C／SiC复合材料机身襟翼的静力试验研究与失效分析

针对全C／SiC复合材料机身襟翼再人过程中受到强烈的气动载荷作用的受力状况,进行了静力试验考核。对静力试验方法进行了讨论与探索,通过验证性的试验,确定了传统的贴帆布带加载的静力试验方案。并通过有限元建模计算明晰了机身襟翼结构的静力试验的危险区域。静力试验中,襟翼试件在未达到试验设计载荷的情况下,出现了提前破坏。通过对试件的传力路线的分析以及损伤部位的观察和研究,找出了失效的原因是由于角盒工艺上的缺陷造成的,并提出了工艺上改进的方法。     

Vulnerability analysis of the Chinese coupled aviation and high-speed railway network

The integrated aviation and High-Speed Railway (HSR) transportation system plays a vital role for today’s inter-city transportation services. However, an increasing number of unexpected disruptions (such as operation failures, natural disasters, or intentional attacks) pose a considerable threat to the normal operation of the system, especially on ground transfer, leading to the extensive research on its vulnerability. Previous approaches mainly focus on interruptions within a single transportation mode, neglecting the role of ground transfer which serves as a coupled connection between aviation and High-Speed Railway. This paper proposes a network-based framework for evaluating the vulnerability of the Chinese Coupled Aviation and High-Speed Railway (CAHSR) network from the viewpoint of ground transfer interruption. Taking the end-to-end travel time and passenger flow information into consideration as an evaluation measure and analyzing from the perspective of urban agglomerations, an adaptive method is developed to identify the critical cities and further investigate their failure impacts on the geographic distribution of vulnerability. In addition, the proposed model explores variations of vulnerability under different failure time intervals. Based on the empirical study, some major conclusions are highlighted as follows: (A) Only a few cities show significant impacts on the network’s vulnerability when ground transfer interruptions occurred. (B) The distribution of vulnerability is not proportional to the distance between failure city and influenced city. (C) The vulnerability is more serious in the morning and evening when the ground transfer is disconnected. Our findings may provide new insights for maintenance and optimization of the CAHSR network and other real-world transportation networks.     

基于状态观测器的空间机械臂关节故障诊断

为了实时检测空间机械臂关节故障的发生并获得有效的故障信息,提出一种基于状态观测器的关节故障诊断方法。通过结合滑模变结构控制理论设计滑模状态观测器,获得机械臂各运行状态的残差信息,并将其与设定的阈值比较,实现关节故障的检测。进而引入不同的故障模式,构建故障数据库,将实际关节故障所导致的机械臂故障残差信息与故障数据库对比,完成故障发生位置及其故障程度的识别。所提诊断方法考虑了空间机械臂系统内部强耦合特性,能够及时检测故障的发生并获取有效的故障信息。最后以7自由度空间机械臂为对象开展数值仿真研究,验证了所提关节故障诊断方法的有效性。     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度分析的高效方法

针对目前很多算法都无法准确、高效地计算小失效概率（10^-4,甚至更小）情况下的全局可靠性灵敏度问题,本文提出了一种高效求解小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度新算法。所提算法通过扩大标准差构造重要抽样密度函数来进行空间分割（SP）,再与无迹变换（UT）结合,利用函数在分割后的子空间内非线性程度的降低和无迹变换方法可以高效计算低非线性程度函数的前二阶矩,来高效准确地计算小失效概率情况下的全局可靠性灵敏度。所提算法的优点有：重要抽样密度函数的选择可以使得空间分割时向重要区域偏移,并且在分割区域内功能函数的复杂性被降低,从而可以利用无迹变换方法高效计算失效概率,进而高效求得全局可靠性灵敏度。与已有的算法相比,算例说明了本文所提方法的优势。     

Failure treatment strategy and fault-tolerant path planning of a space manipulator with free-swinging joint failure

Aiming at a space manipulator with free-swinging joint failure, a failure treatment strategy and fault-tolerant path planning method is proposed in this paper. This method can realize failure treatment of a space manipulator with free-swinging joint failure through determination of the optimal locked joint angle and dynamics model reconfiguration. Fault-tolerant path planning is realized by the establishment of the degraded workspace with integrated kinematics performance (DWWIKP) and an improved A-Star (A1) algorithm. This paper has the following contributions. The determination of the optimal locked joint angle can ensure that the manipulator is able to continue follow-up tasks while maximizing the workspace of the manipulator after locking the fault joint. Underactuated control of a high degree-of-freedom (DOF) manipulator can be effectively solved through dynamics model reconfiguration. The analysis process of the dynamics coupling relationship can be applied to cases where the active joint and the passive joint are parallel or perpendicular to each other. The establishment of the DWWIKP can demonstrate the kinematics performance of the manipulator in both joint space and operation space comprehensively. The improved A1 algorithm based on the integrated kinematics performance index (IKPI) can search a fault-tolerant task trajectory that satisfies the requirements of reachability and the overall kinematics performance simultaneously. The method proposed in this paper is verified by a 7-DOF manipulator, and it is available to any DOF manipulator with free-swinging joint failure.     

飞行控制系统故障检测方法研究

以某型飞机为研究对象，论述了一种基于模型的自修复飞行控制系统故障检测方法。首先提出了通过等价空间法产生残差序列，并对残差序列进行概率比检测，以获得一定置信度下的检测结果。同时舵面损伤故障的概率比检测采用预警检验、校验检测与隔离检测相结合的方法。最后，对所设计的故障检测方法进行了数字仿真研究。仿真结果验证了该方法具有较高的准确性和实时性，为飞行控制系统故障检测提供了一种有效的手段。     

高速再入飞行试验再入条件优化设计

飞行器返回再入时将经历极高的气动热环境,因此深空探测返回飞行器,尤其是载人飞船需要通过实际飞行试验验证相关性能,为降低成本和研制风险,通常采用大再入角和相对第二宇宙速度较低的再入速度进行飞行试验。为获得能实现高热流密度验证的最小能量再入任务方案,采用优化设计手段对飞行试验的再入角和速度以及倾侧角控制进行设计,经仿真分析表明,优化结果可达到飞行试验要求的热流密度,并可将再入速度需求降低约2．1 km／s。     

航空发动机持续适航安全风险评估方法研究

民航运输业正处在蓬勃发展阶段,保证飞行安全是民航的首要任务,飞机发动机作为飞机的心脏,其性能的好坏直接影响到飞行安全,采用合理的方法对发动机持续适航阶段的故障风险进行评估,对于提高飞行安全水平,保障航空运输业正常发展有着重要的作用。本文根据广义线性回归的相关理论,将广义线性回归模型引入发动机持续适航风险管理分析中,通过对发动机的故障风险水平进行实例评估验证,证明了该模型是一种准确的、有效的、可行的安全风险评价方法。