航天器材料应用验证特点及其指标体系设计与优化

“材料应用验证”是为适应复杂工程研制任务而建立的一种材料多参数指标在特定服役需求下应用适用度评估的综合评价方法，也是通过一系列的试验、测试与表征手段获得材料各项性能数据、曲线、图谱，并通过综合分析确定材料应用可行性的分析方法。文章从航天器发展对高性能、多样化材料快速应用转化需求出发，阐释材料应用验证任务具有指标体系的综合性、通用性、短周期、低成本以及闭环式验证特点，进而提出了覆盖性、关重性、精准性、独立性、经济性的指标体系设计原则，以及材料应用验证的三层级五要素即材料批次稳定性、工艺适用性、环境适应性、服役安全性及组件健壮性指标体系设计及优化方法。     

基于单目视觉的非合作目标相对位姿测量

为实现对空间姿态翻滚航天器的在轨服务与维护以及对空间碎片的清理，需对其进行精确的相对位姿测量。针对相对位姿测量问题，提出了基于单目视觉与卡尔曼滤波的相对位姿测量方法。通过对特征点匹配算法进行调查，采用了具有尺度不变性与旋转不变性的尺度不变特征变换算法(SIFT)和加速稳健特征算法(SURF)的特征点提取方法，并对二者进行了对比，得到了二者分别适用的工况条件。通过对Kalman滤波算法进行研究，引入了相机偏置矩阵，设计了Kalman滤波器，解决了单目相机的距离模糊问题，估计得到了非合作目标的相对位姿、主惯量比以及特征点位置信息。经过仿真，姿态角度估计误差在稳定后低于0.3°，相对位置估计误差在稳定后低于0.5m，相较于真值，误差小于1.67%，主惯量比估计误差在稳定后低于0.01，特征点位置误差在稳定后低于0.005m。在引入相机偏置条件后，滤波状态变量均收敛，并得到具有足够精度的估计，成功解决了单目相机深度信息缺失问题。     

基于层次分析法-熵权组合法的航天器材料应用验证综合评价研究

为解决航天领域优选材料的难题，针对航天器用材料服役环境特点及材料自身性质，分别从材料性能、工艺、服役环境和安全四个方面构建了航天器材料应用验证评价的技术指标，通过层次分析法（AHP）和熵权法建立航天器材料应用验证量化评分模型，并以两批次航天器用涂覆材料为例，通过AHP-熵权组合赋权，将主观和客观方法相结合，确定了涂覆材料的综合权重，最后利用模糊综合评价的方法对两批次航天器涂覆材料的性能进行了评分比较，实现了材料综合性能的量化打分。     

铝锂合金材料发展及综合性能评述

在抗疲劳设计等工程应用中,对材料综合性能的准确把握是使用材料进行设计的基础。作为一种航空材料,铝锂合金因具有高比强度、高比刚度的性能而受到青睐,与普通铝合金相比,铝锂合金的各方面性能,包括常规力学性能和疲劳断裂性能,具有独特特征。不同时期研发的铝锂合金产品,其各方面性能也有显著差异。本文通过比较铝锂合金和普通铝合金的性能差异,以及比较不同铝锂合金之间的性能差异,对铝锂合金材料性能发展进行综合评述。通过对铝锂合金发展历程、常规力学性能、疲劳极限和疲劳抗力、疲劳裂纹扩展抗力的分析,给出了结构设计选材的一些建议。     

热力学非平衡对超燃冲压发动机冷态流动影响研究

随着流动马赫数和温度的变化，热力学非平衡对流动的影响也在变化。为研究热力学非平衡对不同飞行马赫数条件下的超燃冲压发动机冷态流动的影响，对三个经典的超燃冲压发动机模型，包括JAXA Ma12-02超燃冲压发动机，DLR超燃冲压发动机，以及Hyshot II超燃冲压发动机进行数值模拟。针对每个超燃冲压发动机，分别采用三种热力学模型进行模拟，包括量热完全气体模型（对应冻结流动），单温度模型（对应热力学平衡流动）以及双温度模型（对应热力学非平衡流动）。计算结果表明，热力学模型对超燃冲压发动机内流波系结构的位置有一定影响：从整体上来说，双温度模型计算所得波系位置比量热完全气体模型计算结果靠后，比单温度模型计算结果靠前；不同热力学模型计算所得波系位置在发动机前段相对较为接近，而随着向下游发展，波系位置的差别逐渐增大，这是上游每一道波系位置的差别逐渐累积的结果；在发动机前段，双温度模型计算所得波系位置更接近于量热完全气体模型计算结果。通过分析不同热力学模型计算所得激波角可以对此进行解释。而就本文涉及的三个小尺寸超燃冲压发动机而言，热力学模型对气动力和力矩的影响相对较小。不同热力学模型计算所得气动力和力矩的差别主要来源于计算所得激波串位置的差别。     

铝合金熔化极焊接接头组织分区

目前铝合金熔化极气体保护焊接头传统分区过于简单,难于表征解释接头性能及组织演变。本文采用彩色金相腐蚀观察技术,结合焊接热循环特征,进一步把铝合金焊接接头分为焊缝、未混合区、部分熔化区、真实热影响区、母材等区域。对各区微观组织特征进行观察分析,阐述未混合区的形成机理,部分熔化区的晶界液化现象,多层多道焊缝组织的影响规律。结果表明控制热输入,制定合理焊接工艺,减少高温停留时间,控制焊缝稀释率,设计合理的焊接接头,合理控制焊接接头组织对于提高厚板铝合金焊接接头力学性能具有重要意义。     

双级轴向旋流器性能评估方法（二）——旋流器下游几何结构的影响

开展了双级轴向旋流燃烧室反应流场和燃烧性能的理论与数值研究。通过数值模拟研究了旋流强度与旋流器下游（套筒）几何结构对于燃烧室反应流场与燃烧性能的影响规律。结果表明:当旋流强度低时，旋转气流倾向脱离套筒喉部附近的壁面，形成类似喷射的流动；套筒扩张角越大，旋流强度增幅越大；当扩张半角为30°～70°时，气流扩张角随套筒扩张半角增加而增大。研究发现:存在临界套筒扩张半角为73°，大于该临界角时，气流与套筒发生“脱体”现象。通过理论推导与数值仿真相结合的方法，发展建立了套筒出口气流扩张角估算公式。通过与实验及数值结果比较发现，该公式能够对旋流器出口近场气流发展进行准确预测，为未来旋流器的设计提供了一种实用有效的方法。      

入口流量分配对超紧凑级间燃烧室性能的影响

对超紧凑级间燃烧室入口的流量分配进行了优化分析.首先基于化学反应模拟软件Chemkin,建立了航空煤油RP3/空气的小型级间燃烧室性能简化分析方法,并利用现有实验数据对其进行了验证.选取了入口主流流量/腔体流量分别为60/40，65/35，70/30，75/25，80/20五种分配方案,利用简化分析模型对各分流方案进行了对比研究,主要关注出口温度、燃烧效率和污染物排放的变化情况.结果表明:分流比为65/35时,燃烧效率相对于5种分流比中最高燃烧效率只下降0.249%,但NOx及CO排放均相对降低了50%以上.基于此研究方法得到的结论,可为超紧凑级间燃烧室设计初期的分流方案选取提供依据和性能简化分析方法.      

基于MEMS传感器的四旋翼组合测姿研究

针对四旋翼无人机机体尺寸较小、带载荷能力有限的特点,设计基于低成本MEMS惯性器件的测姿系统,以满足四旋翼无人机在系统控制方面的需求。但是低成本的MEMS惯性器件具有精度低,随机漂移大,容易受到外界环境干扰等缺点。本文充分发挥四旋翼无人机搭载的MEMS惯性器件的功能,分别利用两种方法测量载体姿态,并通过卡尔曼滤波的方法实现这两种测姿方法的数据融合。经过仿真分析,融合后组合测姿系统的测姿精度得到提高。     

基于改进AFSA的桨扇发动机加速控制计划优化

为了提升桨扇发动机的过渡态性能，提出了一种可以满足发动机性能参数约束和寻优结果正确性要求的桨扇发动机加 减速控制计划优化方法。引入自适应调整策略和半可行域对人工鱼群算法（AFSA）进行改进，经过数值验证，改进后的算法较原 始算法具有更快的收敛速度和更高的寻优精度。将推力与目标推力间的差值作为寻优目标，采用改进后的人工鱼群算法和序列 二次规划算法（SQP）对桨扇发动机的加速过程进行优化，得到了满足约束前提下的桨扇发动机时间最短的加速控制计划，结果表 明：与采用传统的基于梯度的序列二次规划算法相比，采用改进的人工鱼群算法进行离线分段寻优所得到的控制计划总加速时间 缩短了21.8%（0.58 s），证明了改进人工鱼群算法具有更强的全局寻优能力，更适用于桨扇发动机加速控制计划的优化。