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。     

舱外航天服被动热防护技术

舱外航天服的被动热防护是系统面对空间环境屏蔽防护的关键功能之一。在介绍航天服被动热防护功能需求、主要技术要求、材料特性及其选择和热防护结构实现的基础上,阐述飞天舱外服的热防护性能验证情况和对未来登月和火星服热防护的技术需求。     

舱外航天服天线设计及仿真验证

为提高未来新型舱外航天服天线的性能,解决将天线层与服装热防护层共形和使馈电网络适应舱外环境温度的问题,提出采用织物振子天线形式作为舱外航天服天线整体方案,从天线层结构和馈电网络两方面对舱外航天服天线进行结构设计。根据舱外航天服天线安装位置,建立了相应的仿真模型,采用天线辐射体、热防护层及服装整体一体化电磁仿真技术,对其增益覆盖性进行分析。仿真结果表明:背包方案的舱外航天服天线全向性和增益覆盖性性能较好,增益在-12dBi时收发天线的覆盖性可以达到90%以上。     

航天服系统设计与关键技术分析

航天服是载人航天必备的个人防护装备,为人体建立起赖以生存的微环境,具备生命保障与作业保障等功能.基于未来载人航天任务需求,采用系统设计思想,分析明确了航天服针对生命保障任务需求的11种功能及作业能力保障的9种功能需求与分配,并根据当前航天服技术水平,结合相关技术发展趋势,给出了航天服功能实现的方案构想,提出了结构与材料...     

航天服隔热材料技术研究进展

为明确我国未来航天服被动热防护技术的应用发展方向,结合国内外在用近地轨道航天服隔热材料技术的发展现状和先进航天服隔热材料的设计需求,对先进航天服隔热材料的相关研究进行了评述.目前,多层隔热组件是在近地轨道和月面等高真空环境下隔热效果最理想的材料,但为提高服装的活动性能和对空间环境的适应能力,需作进一步改进.纤维类材料在航天服隔热应用方面具有传统优势,但在面向火星任务为代表的低真空环境的深空探测中,未能达到热导率和材料厚度相结合的隔热目标;气凝胶类材料具有较低的热导率,在火星大气环境下具有最好的隔热性能,但无法规避粉尘污染及机械耐久性等问题.研究具有更细纤维尺度和特殊空隙结构的纤维种类,制备具有柔韧耐久特质的有机气凝胶材料,探索具有不同技术优势的材料的组合应用,将成为解决未来先进航天服隔热问题的主要途径.     

空间重粒子入射屏蔽材料的蒙特卡罗模拟

针对空间辐射环境中银河宇宙射线重离子的屏蔽防护问题,使用基于蒙特卡罗方法的Geant4软件模拟330 MeV/n ~(12)C粒子入射铝、聚乙烯、水、液态氢4种屏蔽材料,分析了~(12)C粒子在4种屏蔽材料内的深度剂量分布;在Geant4中建立MIRD人体模型,分析了~(12)C粒子入射4种屏蔽材料后在人体睾丸器官内的吸收剂量;对每种次级粒子在器官内的吸收剂量进行比对,分析了~(12)C粒子入射PE材料产生的次级质子和次级中子能谱。结果表明:330 MeV/n ~(12)C粒子在液态氢中的入射深度为9.66 g/cm~2,在Al中的入射深度为液态氢中入射深度的2.63倍,~(12)C粒子入射5 g/cm~2Al屏蔽材料后在器官内的吸收剂量为2.98×10~(-14 ) Gy/Ion,在液态氢屏蔽后器官内的吸收剂量为2.29×10~(-14 ) Gy/Ion,与Al屏蔽相比吸收剂量降低23.2%。     

基于Abaqus的航天服波纹式肘关节有限元仿真平台开发

为提高航天服肘关节结构设计的高效性与便捷性,开发了高度集成化的航天服波纹式肘关节有限元仿真分析平台.首先,考虑材料特性、几何尺寸以及人服接触等因素,建立了参数化的仿真模型;然后,基于改进的Preisach模型,提出了复杂运动历程中关节阻力矩的预测方法;最后,通过Abaqus软件预留接口将参数化仿真模型与阻力矩预测方法进...     

登月助力航天服下肢关节迟滞模型建立与动力学仿真

针对未来航天员月面行走的需要,对登月助力航天服下肢关节进行动力学仿真分析。基于月面行走的登月助力航天服结构设计理论,分析了航天服下肢关节阻力矩迟滞特性,采用Preisach迟滞模型对关节阻力矩进行仿真计算,得到关节阻力矩随角度变化曲线;按照登月航天服下肢运动角度、关节长度及质量分布,利用ADAMS建立航天员下肢二连杆动力学模型,得到登月航天服下肢关节驱动力矩随步态周期变化曲线。仿真结果表明,1个步态周期内航天服下肢关节阻力矩在驱动力矩所占比例可达50%,登月助力航天服下肢关节的迟滞特性能更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可为下肢驱动机构设计与运动控制系统提供理论依据。     

舱外航天服内流场及温度场仿真分析

为验证舱外航天服内空间布局和通风管路设计,利用飞天舱外航天服数值模型和标准人体模型,通过流体力学仿真软件STAR-CCM+分析计算,研究了航天服通风流场和温度场分布,获取了服内流线和温度云图.仿真分析结果表明:舱外航天服内流场整体流畅,上下肢通风流量比为3:2;面部通风流线平稳且分布均匀,可有效防止面窗起雾;头部至四肢...     

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。     

波纹式航天服关节阻力矩特性研究

针对有人状态下的波纹式航天服关节阻力矩难以预测和分析的问题,提出了一种波纹式航天服髋关节精细化有限元建模方法,并对有人和无人状态下航天服髋关节的阻力矩特性进行了仿真分析。建立了考虑织物材料特性、充压环境和人服接触的模型,分析了关节阻力矩形成原因,对波纹式髋关节的结构参数进行了优化并给出了最优结构参数。结果表明,波纹式关节运动时的阻力矩来源于结构弹性变形和压缩气体做功,适当减小关节半径、增加波纹个数和增大波纹直径等措施可以减小关节阻力矩。     

航天器空间辐射防护材料与防护结构

电子、质子、重离子、光子等空间辐射环境可在航天器材料或元器件中产生单粒子效应、总剂量效应、表面充放电效应、位移损伤效应、内带电效应等,因此,需要对航天器进行空间辐射防护。本文首先介绍空间辐射防护原理和防护有效性,进而从材料、分系统(或部组件)、航天器3个不同维度,对质量屏蔽防护材料、静电防护材料、抗辐射功能材料、航天器局部辐射防护结构和整星辐射防护结构进行了探讨,最后对未来发展的方向进行了讨论。     

应用于舱外航天服的增强现实显示技术

针对航天员对任务环境信息感知能力的提升问题,介绍了目前舱外航天服显示技术的概念和发展现状.分析了航天员对显示信息的任务需求,比较了增强现实显示技术不同方案的特点,综述了近几十年国内外航天领域中舱外航天服显示技术的研究历程与发展现状;基于舱外航天服显示设备现状,探讨了不同显示技术方案的特点及问题.面对未来更加复杂繁重的太...     

基于分形理论和节点分离有限元的泡沫铝防护结构数值仿真研究(英文)

利用数字图像处理技术对泡沫铝截面的分形特征进行了分析,使用对数线性回归方法计算了泡沫铝的分形维数。Serpinski垫片可以被用于泡沫铝截面建模。通过调整迭代次数和分割参数可以获得不同分形维数、不同相对密度的泡沫铝模型。使用节点分离的Lagrange有限元方法对超高速碰撞过程进行了分析,通过将数值仿真结果与实验结果对比表明了建模方法以及仿真方法的有效性。通过数值仿真,获得了等面密度的铝防护板以及泡沫铝防护板的弹道极限曲线。对比表明,泡沫铝板的防护性能明显优于铝板。泡沫铝材料适合应用于航天器防护。     

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%。     

舱外航天服-航天员下肢系统动力学建模与分析

针对未来月球、火星等地外星体表面探测对舱外航天服下肢系统活动性的需求,探讨了充压航天服对航天员下肢运动的影响,进行了航天服下肢系统自由度配置、航天服-航天员下肢系统的建模、运动学和动力学分析。首先,结合人体生理结构特点和工效学要求,配置了具有12个自由度的航天服下肢关节系统。然后采用DH参数法,对单腿6自由度系统进行了正逆运动学分析,并利用拉格朗日方法建立了人服系统的动力学方程。最后,以直立行走和上下楼梯模拟不同路况,定量分析了航天员在未着服、着服未充压和着服充压状态下髋关节、膝关节和踝关节的力矩变化。结果表明,航天服质量、转动惯量和关节阻力矩将增加航天员的活动负荷;不同路况下,下肢各关节的力矩受到不同影响。未来星表探测航天服设计时,合理确定航天服质量、关节结构形式是非常必要的。     

舱外航天服的轨道空间外热流计算方法

分析了舱外航天服在轨道空间环境的辐射换热热流。采用蒙特卡罗(MonteCarlo)法,计算了航天服及飞船处于各种相对位置时,航天服对飞船的红外辐射角系数;航天服相对于地球位于各种位置时,航天服对地球的红外辐射角系数;在一定太阳照射方向下,飞船及地球对航天服的太阳反射角系数。与文献数据比较,证明此方法计算舱外航天服空间外热流适用性强,结果准确、可靠,能满足工程使用要求。     

电子设备机壳材料的电磁屏蔽设计和腐蚀防护

本文强调了在电子设备机壳材料的电磁屏蔽设计中，重视腐蚀防护对延长产品寿命及确保其电磁屏蔽效果长期有效性的重要性。遵循电化学腐蚀原理阐述了机壳防腐蚀设计的一般原理和方法。     

航天服关节力矩的数学模型

航天服关节力矩特性的数学表述是预测航天员出舱(EVA)作业强度、评估航天员疲劳度、规划EVA活动路径的重要基础。首先,分析了关节力矩的特性,提出建立数学模型的要求,阐述了Jiles-Atherton磁滞模型原理,以及磁滞模型与关节力矩特性的相合性。其次,利用模拟退火算法的思想对遗传算法进行了改进,并基于MATLAB软件实现。最终,对EVA航天服腕关节和肩关节力矩进行仿真,得到关节力矩在特定活动角度下的数学模型。仿真结果表明,针对关节力矩迟滞特性所得的关节力矩数学模型,能够更准确地描述关节活动力矩特性,计算所得模型可以更便捷地用于航天服工效学等相关研究领域。