Excavation of artificial caverns inside asteroids by leveraging rotational self-energy

Future space ventures will likely require exploitation of near-Earth asteroid resources. Moreover, it can be envisaged that asteroids may host habitats in their interiors. In fact, a cavern inside an asteroid would be a natural radiation shield against cosmic radiation and may also serve as a confined environment for storage of mined material such as water ice or other processed volatiles such as propellants. To this end, this paper proposes to leverage the asteroid rotational self-energy to remove material from the asteroid interiors and create a spherical cavern, by means of the orbital siphon concept. The siphon is a chain of tether-connected payload masses (the asteroid material), which exploits the rotation of the asteroid for the delivery of mass from the asteroid to escape. Under certain conditions the siphon can be initiated to ensure self-sustained flow of mass from the asteroid to escape. A net orbital siphon effect is generated by connecting new payloads at the bottom of the chain while releasing the upper payloads. Key parameters are discussed, such as the required siphon dimension and the maximum size of the internal cavity that can be excavated, as a function of the asteroid rotational period. Moreover, assuming elastic material behaviour, a closed-form expression for the stress tensor is found and a failure criterion is used to identify regions in the asteroid interiors subjected to the larger stresses. It is shown that the conditions for failure are relaxed as the radius of the internal void increases.     

Multi-scale design and optimization for solid-lattice hybrid structures and their application to aerospace vehicle components

By integrating topology optimization and lattice-based optimization, a novel multi-scale design method is proposed to create solid-lattice hybrid structures and thus to improve the mechanical performance as well as reduce the structural weight. To achieve this purpose, a two-step procedure is developed to design and optimize the innovative structures. Initially, the classical topology optimization is utilized to find the optimal material layout and primary load carrying paths. Afterwards, the solid-lattice hybrid structures are reconstructed using the finite element mesh based modeling method. And lattice-based optimization is performed to obtain the optimal cross-section area of the lattice structures. Finally, two typical aerospace structures are optimized to demonstrate the effectiveness of the proposed optimization framework. The numerical results are quite encouraging since the solid-lattice hybrid structures obtained by the presented approach show remarkably improved performance when compared with traditional designs.     

航天先进轻合金材料及成形技术研究综述

轻合金是现代航天装备轻量化首选材料,高性能轻合金构件制造能力决定了我国航天装备的功能水平与竞争力。为推动先进轻合金材料及成形技术在航天领域的应用,对高性能轻合金材料、铸造、钣金成形、增材制造等技术领域在基础理论、工艺开发、装备研制、工程应用等方面的发展现状进行了梳理,提出了高强耐热铸造镁合金材料、高性能钛铝合金材料、高性能镁合金熔模精密铸造、数字化铸造、旋压成形、超塑成形、钛/铝合金电弧熔丝增材制造等相关技术的后续发展方向。     

基于连续损伤模型的复合材料波纹梁压溃分析

复合材料的耐撞性受到了广泛重视,而波纹梁因其优异的抗屈曲构型被广泛应用于飞机翼梁和直升机底板等经常发生碰撞的结构中。进行了复合材料波纹梁的屈曲分析,研究了高度对波纹梁破坏模式的影响。建立复合材料波纹梁的连续损伤单波模型,层内基于Hashin判据建立含损伤因子的损伤刚度矩阵,层间根据二次名义应力准则和B-K准则模拟损伤演化,并通过典型复合材料波纹梁压溃试验验证了所建立模型的正确性。基于单波分析模型,通过施加周期性边界条件和反对称边界条件,研究了多波结构的吸能特性。     

酚醛树脂基纳米多孔材料的制备及结构调控

酚醛树脂基纳米多孔材料（Phenolic Resin-based Nanoporous Materials，PNM）是满足新一代航天飞行器轻质、高效隔热需求的新型热防护材料，传统制备方法中需使用超临界干燥技术，制备周期长、成本高。本研究通过两步法，即先合成线性酚醛树脂，再进行溶胶-凝胶的方法，实现了常压干燥PNM的制备。系统研究了固化剂含量、固化温度和固化时间对材料结构的影响和调控作用，分析了影响材料收缩率和热稳定性的因素。结果表明，PNM的微观纳米结构的变化会影响材料干燥后的收缩率，制备大颗粒、大孔径的微观结构更有利于降低材料的收缩率。而PNM的热稳定性主要受交联反应过程形成的化学结构的影响，通过优化固化剂的含量可提高PNM的热稳定性。当固化剂含量为10%，固化温度提高至150℃，固化时间延长至48 h的条件下，获得的PNM有最高的热稳定性（900℃下的残碳率为54.2%）、最发达的孔结构（比表面积为264.0 m²/g、孔容为2.67 cm³/g、平均孔径为40.0 nm）和最小的收缩率（0%）。此PNM制备方法简单、性能优异，在未来航天飞行器上有广阔的应用前景。     

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故，针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上，结合工程实践，假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先，开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次，采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布，考虑到间隙配合中的不确定性，改变模型中的最大间隙多次模拟计算，发现最大应力位置基本不变，以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后，采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念，发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时，均处于安全状态，并且安全裕度都在2倍以上；通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大，系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险，且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效；考虑到测试数据的弥散性，针对系统最危险的模式，以安全裕度为可靠性指标，将失效评估图方法与可靠性评价相结合，得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

过氧化氢/紫外线/臭氧氧化技术处理肼类污水的应用

采用放大试验规模（处理量1 m³/h）的H₂O₂（过氧化氢）/UV（紫外线）/O₃（臭氧）氧化技术处理肼类推进剂污水，在30.0±1.6 ℃，pH=9.0±0.2的条件下，研究肼类的过氧化氢增强光解臭氧化降解。对比不同氧化技术的协同效应以及对污水降解的影响，重点考察过氧化氢、紫外线、臭氧和初始浓度等工艺参数对降解效果的影响，对氧化技术的应用进行了优化。研究结果表明：该技术可使COD去除率提高27.66%，肼类的降解速率随着过氧化氢投加量、紫外线辐射强度、O₃投加速率和水质地提高而升高，随着初始质量浓度的提高而下降。在最佳工艺下，处理5 000 mg/L质量浓度的废水，处理60 min时，COD去除率分别为98.62%（偏二甲肼）、99.17%（甲基肼）、99.94%（肼）和93.25%（单推-3）。     

空天飞行器返回滑翔段在线制导方法

针对空天往返飞行器的返回滑翔段在线制导问题，设计了一种新的滑翔段飞行剖面，实现了滑翔段终端交班高度、位置和倾角约束的自动满足，减少了在线制导算法中需处理的约束数量。推导了滑翔段运动状态、过程约束和性能指标的解析表达式，获得了剩余航程和终端速度间的函数关系。在此基础上，提出了一种双层在线制导方法：内层解析重构飞行剖面，同时通过解析确定路径点来改变剩余航程的变化率，进而对终端交班速度进行控制；外层借助解析表达式，使用粒子群优化算法(PSO)和改进共轭梯度法(CGM)优化飞行剖面，从而满足过程约束和指标要求。最后通过数学仿真验证了方法的正确性。     

无缓凝剂磷酸镁修补砂浆的力学性能实验研究

磷酸镁水泥(Magnesium phosphate cement,MPC)是一种快速修补型胶凝材料,具备快硬、早强、高强、粘结力强、耐久性好等优点。首先运用正交试验方法,通过控制胶砂比、氧化镁与磷酸二氢盐的物质的量比(M/P)和水胶比,确定了基准MPC修补砂浆的最优配合比。然后研究了粉煤灰和磨细矿渣对MPC修补砂浆抗压强度和抗折强度的影响,分析了其强度特征。结果表明,MPC修补砂浆的最佳M/P比为6∶1,胶砂比1∶1。掺加粉煤灰的MPC修补砂浆具有较高的强度尤其是抗折强度,适宜作为道路与机场道面的快速修补材料。掺加磨细矿渣的MPC修补砂浆,其力学性能不如掺加粉煤灰的MPC修补砂浆。此外,MPC修补砂浆的抗折强度和抗压强度之间具有密切的线性相关关系,且与养护龄期、原材料来源与烧结温度、是否掺加缓凝剂和矿物掺合料、M/P比和水胶比等因素无关。     

基于产业思维的航天发射服务研究

首先从核心驱动出发提出航天发展三阶段第一推动力,从产业要素出发分析航天产业进阶的市场、技术和产业政策三要素。而后从价值链出发研究航天产业产值分布和产业整合策略。最后分析了新兴航天发射服务公司的模式、产品和技术,为我国航天发射服务提供参考。