返回舱/空间探测器热防护结构发展现状与趋势

针对中国天地往返和深空探测领域对热防护结构的需求,综述了国内外返回舱和空间探测器热防护材料/结构的发展现状,着重介绍了包括蜂窝增强热防护材料、纤维增强热防护材料、组合式热防护结构以及展开式热防护结构等在内的代表性热防护材料/结构的设计理念和性能特征。在系统总结热防护结构发展趋势的基础上,分析了返回舱和空间探测器热防护结构发展中存在的关键问题,可以看出：纤维增强热防护材料在热防护结构重量方面表现出了突出优势,材料拼接设计成为结构发展的重要阻碍;组合式热防护结构设计在现有材料发展水平的基础上,将成为提高热防护结构效率的有力途径;展开式热防护结构有望使航天器有效载荷重量显著提升,但受限于柔性热防护材料性能和结构工艺,仍有待发展。更加频繁的天地往返运输和深空探测项目的开展必将对热防护结构发展产生巨大的推动作用。     

屏间充气展开式多屏防护结构及其防护性能分析

为提高航天器空间碎片防护结构的防护性能,减小其发射体积,提出了一种可折叠发射的屏间充气展开式多屏防护结构,通过充气展开支撑管在轨充气展开,成型为多屏大间距防护结构.分析了展开式多屏防护结构的空间碎片防护性能,得到了屏间距对多屏结构防护性能的影响规律.结果表明:在相同面密度下,展开式多屏防护结构的防护性能显著优于单屏防护...     

低地球轨道环境对材料的影响

综述了原子氧、空间辐射、热循环、高真空、微流星和空间碎片等低地球轨道环境因素对材料性能的影响；从地面模拟实验、材料研制与防护涂层的开发等方面提出了急需解决的问题，为空间站、人造卫星等低轨道航天器用材料的选择与研制提供了依据。     

波纹倾角对填充式波纹夹层结构超高速撞击防护性能影响

基于SPH方法模拟了空间碎片撞击波纹倾角分别为30°、45°、56°和60°的填充式波纹夹层结构的过程,对防护特性进行对比分析,研究了波纹倾角对防护性能的影响。结果表明,撞击形成的碎片云膨胀程度随倾角增大而变大,倾角为56°时的结构对空间碎片破坏最大;4种结构所转化的不可逆功相差很小,倾角对结构不可逆功转换的影响较小;不同倾角的航天器舱壁损伤不同,倾角为56°时航天器舱壁损伤程度最小。     

载人登月航天员辐射剂量分析与防护建议

针对载人登月航天员任务全周期中可能遭受空间粒子辐射损伤的问题,从航天器辐射防护设计流程出发,梳理了国际现行航天员辐射防护要求。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4构建皮肤、眼晶体、造血器官等效人体组织模型,并对典型载人登月任务航天员受到的辐射剂量开展量化分析。从任务设计和辐射防护设计2个层面,对我国载人登月航天员辐射防护提出建议:在不超过20天的载人登月任务期内,5 g/cm~2铝材料屏蔽下的剂量即可比NASA剂量限值小一个数量级;而如果遭遇极端太阳粒子事件,航天员防护材料可选用聚乙烯等富氢材料作为保护层,屏蔽厚度需要约30 g/cm~2。     

气凝胶隔热材料制备及航天热防护应用研究进展北大核心CSCD

我国航天事业的不断发展对航天器热防护材料提出了更高的要求,气凝胶作为一种纳米网络多孔材料,因其纳米尺度效应,具有超级隔热性能,是近年来超级隔热材料研究的热点和前沿。本文以航天热防护应用为背景,综述了气凝胶隔热材料近十年来的研究进展,包括无机氧化物气凝胶、有机气凝胶、炭气凝胶、碳化物气凝胶隔热材料等,以及其制备方法、隔热性能和热防护应用现状,结合当前航天领域需求和气凝胶隔热材料研究的难点问题,提出气凝胶隔热材料的未来发展方向。     

泡沫铝几何参数对填充式结构防护性能影响的数值模拟

 泡沫铝是一种新型航天器防护材料,拥有良好的抵御空间碎片超高速撞击的特性。模仿泡沫金属的生产原理建立了泡沫金属细观结构几何模型,结合自编的光滑质点流体动力学(SPH)程序进行了超高速撞击数值模拟,研究了平均孔洞直径和孔隙率对填充泡沫铝结构防护性能的影响。结果表明平均孔洞直径对防护性能影响较大,总体而言平均孔洞直径越小则防护性能越好。孔隙率只在高速时才有较大影响,并且存在最优值。通过不同泡沫铝几何参数下碎片云特性的对比分析表明,使碎片云的法向动量越有效分散,结构的防护能力越强。     

NASA 二级轻气炮设备简介

随着人类航天活动日益频繁,地球轨道上空间碎片总数逐年增长。航天器表面空间碎片防护工作受到各航天大国的高度重视。航天器针对毫米级空间碎片主要采用被动防护方式。超高速撞击实验是防护方案设计工作的基础。NASA 在毫米级弹丸超高速撞击实验中采用的主要发射装置为二级轻气炮。本文对美国 NASA 和相关单位二级轻气炮设备及其未来发展趋势进行简要介绍,同时对我国相关单位超高速撞击实验设备进行分析,并对发展趋势进行讨论。     

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。     

航天材料空间环境效应地面模拟试验标准体系

首先对航天器在不同轨道将遇到的空间环境进行了分析,对航天材料在不同空间环境下的损伤效应与机制进行了探讨,并对不同空间环境对航天材料的协同效应进行了研究。进而在对国内外主要航天机构或国家的航天材料空间环境效应地面模拟试验标准建设情况进行梳理的基础上,借鉴国外航天材料空间环境效应地面模拟试验评价标准的建立和使用经验,构建了由通用方法、单一空间环境和多因素空间环境协同作用下的航天材料空间环境效应地面模拟试验标准体系。     

航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究

基于航天材料在轨将遭遇多种空间环境的作用且不同空间环境对航天材料的损伤存在一定的关联性,本文首先对航天材料的空间环境及效应进行了介绍,接着对真空、温度、微重力、等离子体、粒子辐射、太阳电磁辐射、空间大气、空间碎片及微流星体、空间污染、空间动力学、腐蚀及空间生物等环境对航天材料的损伤机制及不同损伤机制之间的关联性进行了研究,最后对需要进一步研究和关注的方向进行了讨论并给出了发展建议。     

空间用聚四氟乙烯材料的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在 IFM原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对空间常用材料聚四氟乙烯进行了原子氧剥蚀效应试验,试样温度升高对原子氧效应的影响以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的质量及表面形貌进行了比较,得出了材料在设备中的反应特点以及温度升高、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。对原子氧与材料的反应机理也做了相应的分析。同时还测量比较了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率、透射率等光学性质。     

航天用FR4 材料的本征电导率测试

介质材料电导率是影响卫星充电过程的重要材料参数,它决定着航天器上电荷的分布状态以及电流平 衡建立的快慢。常规的电导率测量方法完全不考虑空间真实带电环境,其测试结果用于卫星带电防护设计将会产生 较大的误差。本文建立了用传统三电极法和电荷衰减法测试介质材料本征电导率的测试系统,对卫星常用的FR4 材 料进行了测试,测试结果与国外的结果相近。     

Space Weather and the Ground-Level Solar Proton Events of the 23rd Solar Cycle

Solar proton events can adversely affect space and ground-based systems. Ground-level events are a subset of solar proton events that have a harder spectrum than average solar proton events and are detectable on Earth’s surface by cosmic radiation ionization chambers, muon detectors, and neutron monitors. This paper summarizes the space weather effects associated with ground-level solar proton events during the 23rd solar cycle. These effects include communication and navigation systems, spacecraft electronics and operations, space power systems, manned space missions, and commercial aircraft operations. The major effect of ground-level events that affect manned spacecraft operations is increased radiation exposure. The primary effect on commercial aircraft operations is the loss of high frequency communication and, at extreme polar latitudes, an increase in the radiation exposure above that experienced from the background galactic cosmic radiation. Calculations of the maximum potential aircraft polar route exposure for each ground-level event of the 23rd solar cycle are presented. The space weather effects in October and November 2003 are highlighted together with on-going efforts to utilize cosmic ray neutron monitors to predict high energy solar proton events, thus providing an alert so that system operators can possibly make adjustments to vulnerable spacecraft operations and polar aircraft routes.     

航天器介质盘环结构内带电特性三维仿真分析

针对航天器内特定结构的内带电（IDC）问题,以航天器典型复杂介质结构——太阳帆板驱动机构介质盘环为研究对象,开展了地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下介质内带电三维仿真分析。通过Geant4实现电荷输运模拟,根据电荷守恒定律数值计算得到电场,在此基础上,研究了屏蔽厚度对介质内带电的影响规律,提出了根据屏蔽厚度调整入射电子能谱能量下限以提高计算效率的方法。仿真结果表明,盘环结构内带电最严重部位是盘环最外圈上层介质与金属导电环接触的上边沿;增加屏蔽厚度可以减缓充电风险,但是随着温度降低,屏蔽效果会随之减弱。在地球同步轨道恶劣充电环境（Flumic3）下,当温度低至183 K时,由于辐射诱导电导率成为总电导率的主导部分,从而增大屏蔽的同时也会降低介质电导率,导致即使3 mm铝屏蔽下仍可能出现接近10⁷ V/m的场强峰值。     

Spacecraft charging effects

Space Science Reviews - This paper gives an overview of electrostatic charging which occurs on spacecraft in different plasma environments. Particular emphasis is given to differential charging...     

银膜的原子氧剥蚀效应及其防护的试验研究

 空间太阳电池板作为空间飞行器电源系统的重要组成部分,它的正常工作对飞行器的运行起着非常重要的作用,而作为互连片的银材料,可能会与空间环境中的原子氧发生反应,生成不导电的氧化物,从而影响空间太阳电池板的有效寿命。本文在原子氧效应地面模拟试验设备中,对银以及镀有不同防护层的银膜进行了原子氧效应地面模拟试验研究,对试验前后试样的外观、质量进行了比较,获得了银在设备中的反应特点,同时对不同防护镀层的有效性进行了验证,为银互连片在空间太阳电池板上的应用及其防护提供了设计依据。     

Charged-particle telescope experiment on Clementine

The charged-particle telescope (CPT) onboard the Clementine spacecraft measured the fluxes of energetic protons emitted in solar energetic particle events. Protons in the energy range from 10 to 80 MeV were of greatest interest for radiation effects such as total dose and single event upsets. Energetic electrons were also of interest for spacecraft charging and their contribution to total dose. The lower-energy CPT electron channels (25-500 keV) were mainly of geophysical interest. While orbiting the moon, the CPT observed the wake created by the moon when it blocked the flow of energetic particles in the magnetotail region. The CPT provided opportunities to observe energetic electron bursts during magnetic storms and magnetospheric substorms. CPT data are particularly useful in multispacecraft studies of interplanetary disturbances and their interaction with the magnetosphere. The proton channels on the CPT provided data on solar energetic protons and storm-time protons associated with the passage of an interplanetary shock at 0903 UT on Feb. 21, 1994. Results are compared with those from GOES-7, SAMPEX, and GEOTAIL.