航空航天结构轻量化设计制造技术发展现状与挑战

轻量化技术是指在满足结构性能需求的前提下，通过对材料、结构和制造工艺等方面的优化，减少结构质量的技术，已经成为新一代航空航天装备发展的关键技术之一。本文首先分析了轻量化技术的发展历程。其次，从设计原理、组成方式和优化方法角度，介绍了仿生结构设计、胞元结构设计和高效拓扑优化设计三类轻量化设计方法。然后，从轻量化制造工艺和模式的角度阐述了增材制造、协同制造和复合材料制造在航空航天结构轻量化制造中的应用。最后，讨论了轻量化技术面临的挑战和未来的发展。     

脉冲展开式飞网质量分布与展开稳定性优化

针对脉冲展开式飞网的展开稳定性问题，从网面质量分布角度开展研究。首先基于传递矩阵方法、集中质量法和反比例函数推导建立了较优的网面质量分布模型。然后结合遗传算法优化得到了网面最优的质量分布状态，并通过大量数值仿真和回归分析得到了网面质量分布经验公式。提出的网面质量分布模型有效降低了网面质量分布问题中的优化变量个数，提升了网面质量分布最优解的求解效率。网面质量分布最优解所对应的网面展开稳定性得到大幅提升，网面质量分布经验公式对应的网面展开状态与最优解对应的网面展开状态基本一致。结果表明，将网面质量分布模型和网面质量分布经验公式应用到脉冲展开式飞网将有效提升飞网的展开稳定性。     

2021年国外惯性技术发展与回顾

对2021年IEEE惯性传感器与系统会议、MEMS国际会议、圣彼得堡组合导航会议等惯 性技术相关会议文献,以及惯性技术领域相关机构披露的动态信息进行详细梳理。总结了光学陀 螺、微机电(MEMS)陀螺、半球谐振陀螺(HRG)、原子陀螺和加速度计等惯性仪表及惯性系统的发 展现状,并对惯性技术领域的发展动向进行了剖析与展望。     

静电负刚度谐振式加速度计的非线性振动特性研究

为了进一步探究微机电系统(MEMS)传感器领域中静电力对非线性振动的影响,以静电负刚度谐振式加速度计(ENSRA)为研究对象进行动力学建模和实验分析.基于哈密顿原理建立了ENSRA机电耦合的非线性振动动力学模型,分析了其高阶非线性刚度的来源,并结合实验现象探究了MEMS传感器中静电力对器件非线性振动的影响,得到了驱动力与静电力对高阶非线性刚度的一般关系.经过开环扫频实验表明,当驱动力从100mV降低到60mV时,非线性振动优化了49％,当调谐电压从10V降低到6V时,非线性振动优化了44％,输出非线性降低了将近4个数量级,器件整体性能大幅提升,有效改善了二阶非线性刚度项导致的谐振器刚度软化和谐振峰的左偏现象.     

微纳卫星与非合作翻滚目标对接的模型预测控制

针对多约束下微纳卫星与非合作翻滚目标对接过程中的位置跟踪与姿态同步问题，设计了基于模型预测控制(MPC)的对接控制器。首先，考虑动力学耦合问题，建立了六自由度姿轨耦合相对动力学模型。然后，充分考虑了可能存在的实际工程约束，包括输入饱和约束、移动过程中的速度约束、追踪星光学设备视场约束、安全接近走廊约束等，设计了基于MPC的对接控制器，确保精确完成对接操作的同时尽量减少推进剂消耗以获得最优接近轨迹。最后，仿真结果说明了本文所提出控制策略的有效性和鲁棒性，所设计控制器可以在满足多种约束的基础上，实现微纳卫星对非合作翻滚目标的对接，并对干扰具有鲁棒性。     

复合材料薄板结构中的声学黑洞效应探究

声学黑洞（ABH）作为一种新型波操控技术，通过裁剪结构厚度以实现波能量的聚集与耗散，在工程结构的减振降噪、能量回收等方面具有很好的应用前景。碳纤维复合材料（CFRP）具有质量轻、高比强度和比模量的特点，广泛应用于航空工程结构中。为了探究复合材料结构中的ABH效应，本文针对内嵌式的碳纤维复合材料ABH薄板结构（CFRP-ABH），利用有限元方法验证了其能量聚集效应，并探究了铺层角度对能量聚集效应的影响。另外，通过仿真计算和实验测试，研究分析了CFRP-ABH结构的动力学特性。结果表明，在200～3 000 Hz的频率范围内，CFRP-ABH结构的振动水平相对于均匀厚度板有5～18 dB的降低，表现出优秀的宽频减振性能。     

基于热力学理论的固体推进剂粘弹-粘损伤本构模型

为了描述固体推进剂在不同应变率和围压环境下的非线性力学特性，首先通过假设推进剂非线性力学特性由损伤导致，基于不可逆热力学框架，推导出粘弹-粘损伤本构模型。在构建粘损伤模型时，以线性粘弹性应变能密度为损伤驱动力，并且引入了损伤历史、应变率和围压效应对于损伤增长的影响。然后利用文献中HTPB推进剂的围压实验数据对一维形式下的本构模型进行了参数获取、验证和预测误差分析。在获取损伤萌发参数S0时，基于时间-压强等效原理，构建了损伤萌发参数S0主曲线。最后采用NEPE推进剂单轴拉伸实验验证了本构模型对于当前固体推进剂大变形非线性力学性能的适用性。结果表明，损伤萌发参数S0随着围压和应变率的增加而增加。在应变率和围压的双重作用下，在相对压强5.516MPa，0.24s-1条件下的S0是相对压强0MPa，6×10-4s-1条件下数值的10.7倍。另外，模型对于HTPB推进剂抗拉强度的最大预测误差为6.15%，模型预测结果与两种实验数据重合较好，表明建立的粘弹-粘损伤本构模型可以很好地预测HTPB推进剂在不同应变率和不同围压环境下的力学响应和当前NEPE推进剂的大变形非线性力学行为，可为点火增压载荷下固体推进剂药柱结构完整性数值分析提供理论基础。     

黑火药在真空环境下点火性能试验研究

黑火药作为固体火箭发动机中常用的点火药，是决定其工作性能的关键因素。为了研究黑火药在真空环境下的点火性能，通过真空点火试验，测试了不同点火结构、不同黑火药质量下的点火压力曲线和羽流现象，并与常压点火试验结果对比，分析了不同工况下黑火药点火性能的优劣。结果表明：真空环境下增加黑火药质量可以提高点火压强峰值，与常压条件相比提升幅度较小；与常压试验对比，真空下前端点火和尾部点火产生的压强峰值都会下降2MPa左右；不同黑火药质量的常压或真空点火试验中，前端点火试验样机到达压强峰值的时间都近似为5ms，而尾部点火试验样机到达峰值的时间不同；在真空点火试验中，羽流扩张角会在一段时间内变大或变小，即出现明显的黑火药不稳定燃烧现象，试验结束后有较多未燃烧完全的黑火药残留在发动机周围，而在常压点火试验中，这些未燃烧完全的黑火药颗粒会在空气中二次燃烧，黑火药残留较少。     

“田园一号”微推进系统设计与性能测试

针对“田园一号”微纳星编队飞行任务的技术需求，开展了微推进系统的总体设计。常规冷气推进由于其比冲低、贮存压力高、结构复杂，难以满足微纳卫星需求。选择R134a作为推进工质，通过将推进剂液化，减小系统体积。基于3D打印技术，设计贮箱、稳压罐、管路一体的推进系统。采用MEMS加工工艺，设计并研制出电加热喷口，从而提高系统比冲。分析了不同喷口尺寸、供气压力以及温度下所产生的推力和比冲大小，确定出喷口设计。表征测试所研制的电加热喷口，结果表明喷口加工误差控制在2%以内。真空条件下，采用扭摆测量系统测试推力器推进性能，测试结果表明，当稳压罐内气体压力在0.1～0.2 MPa变化时，推力大小为5～10 mN。当喷气温度从25℃升至95℃时，推进系统比冲可提升10%以上。     

高温环境下硅酸铝纤维的隔热性能

　硅酸铝纤维供应商往往只提供客户硅酸铝纤维在某一温度的热导率,难以指导隔热结构的设计。

本文针对市场上常用的硅酸铝纤维板,设计了隔热性能测试装置,实验获得硅酸铝纤维温度随时间的变化曲

线,并进行了有限元仿真分析。研究表明,硅酸铝纤维隔热效果稳定且具有一定的抗热辐射能力。有限元分析

结果与实验数据基本一致,说明采用有限元分析方法能够支持设计人员较好预测隔热效果。