重型运载火箭动力系统分析

讨论了两种载人登月的动力系统方案,分析了已有重型火箭动力系统的结构和基本参数,以满足载人登月的任务要求为前提,提出了重型火箭箭体结构和任务要求.从性能、经济性、技术难度、工作可靠性等方面综合考虑,提出重型火箭下面级的基本方案.提出了一套重型火箭动力系统,建立了一个运载火箭系列,并对其运载能力进行了计算.经综合分析,提出登月火箭可采用8 m直径的三级半结构,助推级、第一级和第二级均为推力5 000 kN量级富氧预燃室补燃循环液氧煤油发动机,第三级为2台50 t氢氧发动机.      

低温推进剂贮箱压力变化的CFD仿真

为预示低温推进剂贮箱在地面停放阶段的压力变化并研究贮箱内物理过程的相互作用关系,建立了包含液体推进剂和混合气体两相的二维轴对称volume of fluid(VOF)计算流体力学(CFD)模型,并引入了基于热力学平衡假设的推进剂相变模型.对实验液氢贮箱进行仿真得到的压力上升速率与实验结果相差9.1%.通过对地面加压停放阶段下的液氢和液氧贮箱的仿真发现:造成液氢贮箱压力上升的主要因素是壁面漏热对气枕的加热作用,而液氢蒸发影响更小,液氧贮箱在加压停放阶段初期明显受到液氧相变的影响.两个贮箱中液面附近的对流运动在不同的气液传热过程作用下有不同的变化趋势,对流运动会影响推进剂的相变进而影响贮箱的压力变化.      

回流口位置对液体火箭液氧贮箱热分层影响规律研究

低温液体火箭射前需要采用自然循环方式对火箭发动机进行充分预冷,循环预冷管路的回流口位置是影响液氧贮箱内部场分布的重要因素。本文采用CFD技术,通过对不同回流位置的液氧贮箱物理场的数值模拟,揭示了贮箱内部温度场及速度场的分布特性,分析了回流口位置对贮箱内部热分层的影响规律。研究表明,当回流口位于下封头以上2米位置时,贮箱内部液氧过冷度最大,过冷液体含量最多,回流位置最佳。此研究结果为运载火箭推进系统的设计提供了重要的理论支持。     

航天员与类人机器人月面联合探测概念初步研究

介绍了人机联合探测中涉及的类人机器人、遥操作、人机共享控制、地面验证等技术发展现状;对月面类人机器人与航天员联合探测的概念进行了初步研究,规划出了月面人机联合探测系统结构、探测模式和探测任务等;并对类人机器人技术、人机协同操作技术、遥操作控制技术和地面仿真验证技术等关键技术进行了总结。     

航天飞机用LACE方案的发展及其参数分析

研究了应用于空天飞机的液体空气循环发动机。介绍了提高空气液化比的几种方法，如：液氢，液氧储箱循环，液氧喷洒，液态空气喷洒。以能量平衡为基础，计算了液体循环发动机的循环参数。结果表明综合采用以上方法可以使液化比提高约６５％。     

聚合物基复合材料在液氧贮箱中的应用研究

回顾了航天系统液氧贮箱的历史沿革，论证聚合物复合材料作为贮箱材料应用的必要性和可行性。从聚合物基体和纤维选择，复合材料的成型，与液氧相容性的评价以及综合性能测试进行了讨论。     

月球着陆器软着陆状态跳跃半主动控制

 将磁流变阻尼器应用到月球着陆器着陆机构中,进行减震与缓冲。考虑到着陆初始姿态角的不定和月面斜角的未知,建立起着陆器软着陆动力学模型。基于磁流变液在高速流与长冲程时的阻尼特性,分析了磁流变阻尼器的力学特性。应用安全角面的概念定义安全着陆所要求的着陆初始姿态角与月面斜角之间的关系,建立状态跳跃控制策略,实现软着陆半主动控制。通过与某型被动控制的着陆器进行对比分析,研究了半主动控制。研究结果表明：当允许的最大加速度响应不超过8g时,磁流变半主动状态跳跃控制的安全角面为理想安全角面的0.977 4,是被动控制安全角面的4.2倍,最大加速度变化的相对标准差为被动控制的0.59;而且当着陆初始姿态角以及月面斜角很大时,月球着陆器姿态角变化少,保证月球着陆器平稳着陆。     

基于MBSE的月球科研站任务分析

月球探测在完成“绕落回”三步走后，从单点短期探测向建设月面基础设施的月球科研站长期探测转变，给月球探测任务的规划论证、总体设计、系统研制和在轨探测等提出了更高要求。本文采用基于模型的系统工程（MBSE）思想，提出适宜的基于模型的月球科研站系统分析正向流程，以系统模型作为载体依次深入剖析任务总体、任务使命需求和任务应用场景。通过开展基于模型的月球科研站任务分析，初步实现了月球科研站任务分析过程正向化、设计要素定义全量化、设计要素之间的关联表达显性化、月球科研站工程总体单位下发的研制要求有源化。     

储液油箱晃振响应分析

根据CCAR25部965条燃油箱晃振试验要求,以数值分析为手段．研究了某机整休油箱在晃动环境下动力学行为。结果表明,液面在晃动过程中几乎处于平面状态,波动很少,可近似为准静态现象;且油箱结构应力响应与激励载荷时间历程趋势一致。可为燃油箱结构设计及试验测试提供参考。     

月球与深空探测频率规划研究

介绍国际电（ITU）和空间频率协调组（SFGC）关于月球与深空探测频率使用的一些规定和建议,研究国外月球与深空探测频率使用规划和发展趋势,探讨我国月球与深空探测频率使用需求,提出我国月球与深空探测频率建议和发展方向。     

充气式月球基地防护结构技术综述

综述了充气式月球基地防护结构技术,包括总体设计要求和关键设计要点、柔性热防护结构的服役环境、功能需求、设计方法、材料选用等。并从结构冲击定位和强度分析、破坏响应分析、系统组成分析和自修复材料等方面,指出了对结构进行健康监测的必要性。介绍了现有的地面测试技术,包括热防护材料性能测试、展开动力学性能测试和太空环境模拟技术等,最后对防护结构技术的发展方向进行了展望。     

Frictionless liquid sloshing in circular cylindrical container configurations

If the free liquid surface in a circular cylindrical container is covered with solid structural parts, the natural frequencies and the response of the liquid in the container is drastically changed. This is also expressed by a much lower flow behavior inside the container. The benefit of a partly covered free surface plane lies in the shifting of the natural propellant frequencies above and away from the control frequency of a space vehicle, and in the decrease of the sloshing masses participating in the dynamic motion of the system. The fundamental natural frequency of a non-viscous and incompressible liquid has been determined for increasing width of an annular ring baffle attached to the tank wall. With increasing structural coverage of the free surface the natural frequencies increase considerably. The response to translational excitation has also been numerically evaluated and shows the shifting of the resonances to higher values. The procedure presented here may without any difficulties also be applied to various arbitrary coverages of the free liquid surface. It may also be used as a test case for purely numerical methods, such as finite element methods and others.     

民用飞机多舱油箱内惰性气体分布的研究

针对某种通风方式,对1／6比例的波音747中心翼油箱内的气流分布进行了可视化实验,得到了该油箱内气流分布的详细信息。建立三维数值模型,对不同Re数下的多舱气流分布进行了计算,经与实验结果对比显示二者吻合较好。通过数值模拟得到了各舱的流量分配系数,采用微元段的计算方法得到了各舱氧浓度的分布。对3种不同通风方式下的惰化效果进行了对比研究,提出“最不利舱氧浓度”的概念,认为对多舱油箱进行惰化系统的设计时,这一因素不容忽略。该研究可为多舱油箱惰化工程设计提供相应的支持,为通风系统的优化提供理论依据。     

低温推进剂贮箱增压系统分布参数数值仿真(Ⅰ)贮箱的有限体积模型

从准一维可压缩瞬变管流的有限体积模型出发,通过数值拓展和集成建立了一种考虑流体与箱壁传热的低温推进剂贮箱分布参数模型.流场采用一维交错网格的有限体积模型,可考虑变物性、轴向热传导、重力场、壁面传热影响;壁面温度场采用圆柱坐标系下的轴对称二维有限体积模型,可处理对流换热和辐射换热两种边界情况,可处理具有包覆层或真空夹层结构的变物性管壁传热.模型全面考虑了贮箱内的分布参数效应,适用于贮箱增压计算领域.      

水锤效应影响因素及防护结构的数值研究

燃油箱作为飞机上易损性最高的部件,当其遭受高速射弹袭击时会产生破坏严重的液压水锤效应,直接威胁飞机安全,对水锤效应问题的数值研究具有重要意义。采用CEL 方法对水锤效应问题进行数值模拟,首先同已有试验结果进行对比,验证数值计算模型的准确性;然后分析射弹入射速度、充液率对水锤效应的影响;最后对水锤效应的防护设计进行数值分析,优选防护结构设置形式。结果表明：水锤效应的破坏威力来自于冲击波,射弹动能越大、充液率越高,油箱破坏性越大;设置防护挡板能够在一定程度上降低冲击波对油箱结构的破坏程度,空气防护挡板结构的防护效果最佳。     

节流制冷对低温贮箱主流液体控温影响分析

为研究低温流体节流特性及冷量引入对贮箱主流体控温影响，首先对低温流体节流干度和体积含气率进行了分析，结果表明质量占比较小的气相占据了大部分空间体积，对流动速率及换热产生较大影响；建立了节流制冷性能测试平台，采用液氮工质开展了节流前压力为0.3~0.37 MPa工况下的减压降温试验，节流前后降温达到了11.3~14.2 K；在集成节流阀孔的热力学排气系统（TVS）系统中，通过节流制冷使贮箱流体产生了平均6.5 K的温降，将贮箱压力控制在150~160 kPa范围；冷量的引入使主流区液体温度持续波浪式降低，气液界面热分层处的降温效果更加明显。      

Overloading of Landing Based on the Deformation of the Lunar Lander

Along with the progress of sciences and technologies, a lot of explorations are taken in many countries or organizations in succession. Lunar, the natural satellite of the earth, become a focus of the space discovery again recently because of its abundant resource and high value in use. Lunar exploration is also one of the most important projects in China. A primary objective of the probe in lunar is to soft-land a manned spacecraft on the lunar surface. The soft-landing system is the key composition of the lunar lander. In the overall design of lunar lander, the analysis of touchdown dynamics during landing stage is an important work. The rigid-flexible coupling dynamics of a system with flexible cantilevers attached to the main lander is analyzed. The equations are derived from the subsystem method. Results show that the deformations of cantilevers have considerable effect on the overloading of the lunar lander system.     

微重力条件下卫星贮箱中的推进剂管理问题

微重力条件下贮箱中液体管理的主要问题是控制液体推进剂在箱中的位置,保证向发动机输送不含气泡的推进剂.对用于自旋稳定卫星的梨形贮箱,在透明的有机玻璃缩比模型中用去离子水作试验介质进行落塔试验.在弹星分离以后,卫星自旋以前通过落塔试验确定气液界面的形状,排出液体时夹气现象和发生夹气时剩余液体的体积,试验为贮箱设计提供可靠的依据.在长寿命的卫星上将采用一种大型表面张力贮箱,在微重力条件下将要进行相关的液体流动特性试验,如气液界面的平衡位置,挤出效率,液体流动的阻力损失,流体的晃动等,验证设计的合理性.     

某飞机多舱燃油箱洗涤惰化的工程计算

为研究某飞机多舱燃油箱洗涤惰化过程,将洗涤气分为与燃油发生传质部分和未发生传质部分,通过理论计算获得洗涤气与燃油发生传质并向气相空间逸出的氧气量.未发生传质的部分用于气相冲洗,其余与液相洗涤逸出量相结合,建立模型进行工程计算.由此将整个洗涤惰化过程转化为有逸出的气相冲洗过程.结果表明:这种将洗涤惰化转化为有逸出的冲洗模型是可行的,其结果与实验值基本吻合.随着时间的增长,气相氧体积分数一般经历先增长后下降的过程,最终趋向于洗涤气体积分数.多舱飞机燃油箱的各舱氧体积分数值变化快慢与进气出气口位置和各舱体积有关.      

Multi-state autonomous drilling for lunar exploration

Due to the lack of information of subsurface lunar regolith stratification which varies along depth, the drilling device may encounter lunar soil and lunar rock randomly in the drilling process. To meet the load safety requirements of unmanned sampling mission under limited orbital resources, the control strategy of autonomous drilling should adapt to the indeterminable lunar environments. Based on the analysis of two types of typical drilling media (i.e., lunar soil and lunar rock), this paper proposes a multi-state control strategy for autonomous lunar drilling. To represent the working circumstances in the lunar subsurface and reduce the complexity of the control algo-rithm, lunar drilling process was categorized into three drilling states:the interface detection, initi-ation of drilling parameters for recognition and drilling medium recognition. Support vector machine (SVM) and continuous wavelet transform were employed for the online recognition of dril-ling media and interface, respectively. Finite state machine was utilized to control the transition among different drilling states. To verify the effectiveness of the multi-state control strategy, drilling experiments were implemented with multi-layered drilling media constructed by lunar soil simulant and lunar rock simulant. The results reveal that the multi-state control method is capable of detect-ing drilling state variation and adjusting drilling parameters timely under vibration interferences. The multi-state control method provides a feasible reference for the control of extraterrestrial autonomous drilling.