核动力深空探测器现状及发展研究

深空探测中,由于无法使用太阳能或者太阳能的利用效率太低,需要使用空间核电源。当前用于月球表面、火星表面、木星及以远的飞行任务中的核动力深空探测器,均利用的同位素核源衰变能,包括同位素热源用于温度控制和采用温差发电用于供电。研究中的深空探测核动力应用包括月球基地、载人火星飞行、无人探测、使用核反应堆裂变能等。空间裂变电源的反应堆包括液态金属冷却堆和气冷堆两种方式,前者支持温差、斯特林和布雷顿发电,后者支持布雷顿和磁流体发电。近期开始探索研究核聚变深空探测器。纵观核动力深空探测器的发展历程,同位素电源依然在深空探测中发挥着重要作用,大功率空间核电源结合电推进将成为未来深空探测的重要关注方向。     

空间核动力在深空探测中的应用及发展综述

在概要介绍空间核动力发展历程的基础上,总结了同位素热/电源、核反应堆电源、核推进在深空探测领域的应用情况和相关发展情况,并讨论了空间核动力的安全问题。对未来空间核动力在深空探测中应用面临的技术问题进行了展望。     

电弧加热高温磁流体发电地面试验研究

针对航天器未来空间飞行任务对大功率电源的迫切需求，开展了基于电弧加热的高温气体磁流体（MHD）发电地面试验研究。利用长分段电弧加热器加热氩气试验工质，模拟MHD发电所需的温度和压力条件，通过注入铯种子的方式提高试验工质的电导率，成功进行了直通式和盘式MHD发电地面试验:在磁场强度1 T试验条件下，直通式发电机最大输出发电功率达到196 W；在磁场强度7 T试验条件下，盘式发电机最大输出发电功率达到10.5 kW。本研究工作验证了磁流体发电技术的前景，为更高功率的磁流体发电机研究及空间应用奠定了基础。     

太阳系边际探测飞行任务规划

针对太阳系边际探测任务，开展了星际多目标飞越的任务规划，采用小推力混合优化设计方法完成了基于借力飞行及电推进技术的行星际转移轨道联合优化设计，对比研究了面向日球层鼻尖和尾部探测的星际多目标探测飞行方案。研究表明，探测器在2024-2025年发射，可飞抵日球层鼻尖区域，在2027-2030年发射可飞抵日球层尾部区域，并可在2049年1月1日前飞离日心100 AU，实现太阳系边际空间的科学探测。其中日球层鼻尖探测任务探测器飞抵100 AU的位置位于鼻尖中心区域，可与旅行者1号、2号探测器形成有效互补。文章所用任务规划方法，可为太阳系边际探测的自主任务规划技术提供基础，相关研究成果能够为未来中国首次太阳系边际探测任务的实施提供有价值的参考。     

木星系粒子辐射环境效应及防护关键技术

木星系辐射环境包括高能电子和质子、重离子、等离子体、极光粒子等。另外,Galileo卫星的辐射环境也是木星探测任务的关注重点。文章基于木星特殊的高辐射、低光照、超低温环境特点,分析了包括总电离剂量、内带电、单粒子、位移损伤等辐射效应,识别出了木星辐射环境效应中的研究重点,并针对总剂量效应讨论了木星系探测器屏蔽材料的选择和屏蔽结构的设计。     

木星系多目标探测轨道设计研究

针对木星系多目标探测任务,对木星及其卫星系统的探测目标及工程约束进行了梳理和分析,在此基础上提出了3种候选轨道设计方案,以实现对木星极区、木星表面精细结构以及木星伽利略卫星的探测。利用改进的协作进化算法对木星系内引力辅助转移轨道进行了设计与优化,最终得到3种轨道方案的总速度增量分别为3.47km/s、2.95km/s和2.48km/s,其中:方案一能够满足所有探测目标,方案二具有更低的辐射总剂量,方案三能够实现对木星极区及伽利略卫星的多次飞掠探测。上述3种候选轨道设计方案可为未来我国首次木星系探测任务的实施提供参考。     

航天器结构模型修正方法综述

评述了结构动力模型修正技术从矩阵型修正方法到元素型修正方法的发展,总结了元素型模型修正方法的主要算法,介绍了模型修正中的自由度匹配、灵敏度分析和对模型修正方法的有效性进行检验的经验标准,归纳了目前模型修正的一些关键技术问题。     

航天器结构模型优化修正方法的研究

航天器结构设计通常利用试验数据进行模型修正，以使修正后模型接近真实结构和提高结构有限元分析预示精度，并有可能取代某些大型结构试验，如结构星试验等。这种结构设计方法既可节约研制经费，又可缩短研制周期，具有明显的经济效益和工程应用前景。本文导出了迭代IRS缩聚方法，提出了相对灵敏度概念，建立了模型修正的优化理论模型。在利用五院自编有限元软件DASS的基础上，开发了航天领域模型修正软件初版MUSS1．0。最后，通过仿真和工程实例对理论和软件进行了初步验证。     

航天器结构动力模型修正中的缩聚方法

利用试验数据修正航天器结构动力模型时，使用缩聚方法使有限元自由度与试验自由度匹配。在总结Guyan缩聚法、改进缩聚系统法(IRS,Improved Reduction System)和模态缩聚法的基础上，该文独立导出了一种基于IRS的迭代缩聚方法。算例表明，迭代缩聚收敛速度较慢，但分析精度很高。     

法拉第型磁流体发电机试验和数值仿真

针对未来航空航天任务对大功率空间电源的迫切需求，开展了国内首次高温惰性气体法拉第型磁流体发电机试验研究。试验采用电弧加热器作为模拟热源，以氩气作为工质，添加铯作为电离种子以提高工质电导率，成功实现了对法拉第型磁流体发电机的原理性验证，在1 T磁场环境的试验条件下取得了最高194 W的发电功率，功率密度为866 kW/m³。根据试验条件对发电过程进行了三维数值模拟，分析结果表明：发电机输出性能受电极压降和工质速度的影响较大，需要在后续研究中改进发电机工艺以降低电极压降，并对加速喷管重新进行设计。