空间微小碎片累积作用下材料光学性能退化预示模型适用性研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量空间微小碎片和微流星体的撞击作用,其中的微米级粒子将在航天器表面产生大面积砂蚀现象,并使材料或器件功能衰退。文章介绍了NASA空间微小碎片累积损伤材料光学性能退化预示模型并推导了两个预示模型之间的关系。利用ORDEM2000碎片分布模型估算了K8玻璃累积损伤面积。以K8玻璃为例,对比研究了两个预示模型的适用性。结果表明,当航天器外表面损伤程度小于40%,可利用Canoon模型评价和预示材料光学性能退化规律;当航天器外表面损伤程度大于40%,需利用Mirtich模型评价和预示材料光学性能退化规律。     

弹丸正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径研究

微流星体及空间碎片的超高速撞击对在轨航天器,特别是长期留轨的栽人航天器构成了严重的威胁,甚至可导致灾难性失效,为此航天器采用了各种Whipple类防护方案以提高其在轨生存能力。穿孔孔径是研究弹丸超高速撞击下航天器舱壁撞击损伤的重要参数之一。文章对目前所建立的Burch损伤经验公式与Schonberg—Williamsen穿孔经验公式进行了研究,比较了其各自特点;同时,基于上述模型提出了适用范围更广的弹丸超高速正撞击Whipple防护结构后墙的穿孔孔径经验公式,为航天器的灾难性失效分析提供有效的工具。     

用于航天器微振动分析的扰源解耦加载方法

微振动源与航天器主结构之间存在耦合作用,其建模与加载方法直接影响系统级微振动分析结果。文章通过理论推导和证明,提出了一种新的微振动源精确解耦加载方法,使扰源的加载处理不受微振动源与航天器主结构耦合作用的影响,实现了扰动外载荷与航天器结构的解耦,所获取的微振动响应与系统级耦合分析结果完全相同。理论研究和数值算例表明:此方法避免了微振动源与航天器主结构的耦合分析,结果准确可靠,适用于动量轮、控制力矩陀螺等常见的扰源加载,且易于工程实施。     

流固耦合动力学与航天工程中的流—固—控耦合问题

流固耦合动力学是目前一般力学领域的重要研究内容,在航天工程中,流固耦合问题更有其特殊的重要性。本文较系统地介绍了流固耦合动力学的研究内容及研究方法,并详细地综述了航天工程中与流体有关的耦合动力学问题的研究进展,最后指出了流体-航天器耦合动力学的非线性特征。     

考虑孔隙缺陷三维编织C/C复合材料渐进损伤及强度预测（英文）

为研究三维编织C/C复合材料单轴拉伸渐进损伤与失效强度,考虑了材料内部纤维增强相、基体相和界面随机孔隙缺陷,建立了三维编织C/C复合材料单胞有限元模型。基于Linde等人提出的破坏准则描述纤维束纵向拉伸剪切破坏和横向破坏,基体采用最大主应变破坏准则,界面采用双线性内聚力本构模型和二次应力破坏准则,建立了与单元特征尺度、局部应变以及断裂能相关的指数型损伤演化律。采用有限元法结合周期性边界条件模拟了材料细观损伤起始、演化与失效过程,并预测了材料轴向拉伸强度。结果表明;材料轴向拉伸强度主要由纤维棒纵向拉伸强度控制,与不考虑材料孔隙缺陷的模拟结果相比,考虑材料孔隙缺陷的强度预测值与实验值更加接近,此外,孔隙缺陷对材料拉伸强度的影响大于对拉伸模量的影响。     

航天器四冲量固定时间最优交会

本文研究了航天器的四冲量固定时间最优交会问题及仿真，在两航天器相对运动线性化方程组和最优交会基本方程组基础上，利用特征矢量的对称性。求得了最优点火时间、最优推力和速度增量的计算方法，仿真结果表明，该方法是可行的。     

空间带电粒子辐照效应的地面加速试验研究

空间带电粒子辐照下空间材料的损伤与失效是空间材料学研究的重要组成内容,地面模拟加速试验是研究材料辐照损伤效应的重要方法和技术途径。文章阐述了地面辐照加速试验的方法及相关概念,以光学石英玻璃为例验证辐照加速试验与模拟等效区间的概念,为当前研究材料在空间带电粒子辐照环境条件下的行为与航天器设计、选材提供科学依据。     

航天器中频力学环境预示研究进展

中频声振力学环境严重影响着航天器的可靠性和安全性,具有响应复杂、预示难的特点,因此航天器结构的中频动力学问题是当前研究的难点和热点。文章介绍了三类主要的中频预示方法,即改进的确定性方法、改进的统计能量法和混合法的基本理论和应用现状。结合航天器工程需求,对比和分析了几类中频预示方法的计算效率、应用前景和理论局限。最后,提出采用有限元与统计能量分析(FE-SEA)混合法作为国内航天器中频力学环境预示方法,并指出了FE-SEA混合法的研究方向。     

空间带电粒子辐照效应的地面加速试验研究

空间带电粒子辐照下空间材料的损伤与失效是空间材料学研究的重要组成内容，地面模拟加速试验是研究材料辐照损伤效应的重要方法和技术途径。文章阐述了地面辐照加速试验的方法及相关概念，以光学石英玻璃为例验证辐照加速试验与模拟等效区间的概念，为当前研究材料在空间带电粒子辐照环境条件下的行为与航天器设计、选材提供科学依据。     

航天器结构材料的应用和发展

文章首先说明航天器结构材料的定义及其性能要求,然后简要介绍航天器结构材料的主要类型及其基本性能,并且综述航天器结构材料的应用概况,最后指出航天器结构材料的发展趋势。     

航天器空间碎片超高速撞击防护的若干问题

空间碎片对航天器的超高速撞击损伤已受到国内外的普遍重视,如何使在轨航天器对空间碎片进行有效防护是航天器长寿命、高可靠安全运行的重要保障。文章概述了空间碎片环境现状、空间碎片超高速撞击危害以及国内外空间碎片防护的研究现状和趋势。重点介绍了航天器常用的Whipple防护结构及其各种衍生结构的防护性能和弹道极限方程（BLE）,评述了这些防护结构防护性能的优缺点。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

Quaternion regularization and trajectory motion control in celestial mechanics and astrodynamics: II

Problems of regularization in celestial mechanics and astrodynamics are considered, and basic regular quaternion models for celestial mechanics and astrodynamics are presented. It is shown that the effectiveness of analytical studies and numerical solutions to boundary value problems of controlling the trajectory motion of spacecraft can be improved by using quaternion models of astrodynamics. In this second part of the paper, specific singularity-type features (division by zero) are considered. They result from using classical equations in angular variables (particularly in Euler variables) in celestial mechanics and astrodynamics and can be eliminated by using Euler (Rodrigues-Hamilton) parameters and Hamilton quaternions. Basic regular (in the above sense) quaternion models of celestial mechanics and astrodynamics are considered; these include equations of trajectory motion written in nonholonomic, orbital, and ideal moving trihedrals whose rotational motions are described by Euler parameters and quaternions of turn; and quaternion equations of instantaneous orbit orientation of a celestial body (spacecraft). New quaternion regular equations are derived for the perturbed three-dimensional two-body problem (spacecraft trajectory motion). These equations are constructed using ideal rectangular Hansen coordinates and quaternion variables, and they have additional advantages over those known for regular Kustaanheimo-Stiefel equations.     

Quaternion regularization in celestial mechanics and astrodynamics and trajectory motion control. I

Regularization problems in celestial mechanics and astrodynamics are considered. The fundamental regular quaternion models of celestial mechanics and astrodynamics are presented. It is shown that the efficiency of analytical investigation and numerical solution of boundary problems of optimal trajectory motion control of spacecraft may be increased using quaternion astrodynamics models. The regularization problem of celestial mechanics and astrodynamics that implies eliminating the feature, which arises in the equations of the two-body problem in case of impact of the second body with the central body, is considered in the first section of the paper. The quaternion method for regularizing the equations of the perturbed spatial two-body problem suggested by the author is presented; the method is compared with Kustaanheimo-Stiefel (KS) regularization. Demonstrative geometric and kinematic interpretations of regularizing transformations are provided. Regular quaternion equations for the two-body problem, which generalize the regular Kustaanheimo-Stiefel equations, as well as regular equations in quaternion osculating elements and quaternion regular equations for perturbed central motion of a material point, are considered. The papers on quaternion regularization in celestial mechanics and astrodynamics are briefly analyzed.     

复杂结构充液航天器晃动动力学与姿态稳定性

复杂充液航天器的晃动及其对控制系统的影响是当前空间高技术的重要问题。 本文首先由力学变分原理导出充液复杂系统的方程式,其中包括流体力学方程和相应的边界条件,以及弹性连续介质力学方程;特别是,考虑了强毛细作用力的影响。其次,考查了微重条件下带有隔板的贮箱内的液体晃动、带有网孔隔板腔体内的液体晃动和粘弹性隔板对抑制晃动的作用。另外,本文将分析带有多腔充液自旋卫星的姿态稳定性,以及晃动、液体涡旋、贮箱偏置,能量耗散和哥氏加速度对卫星运动的影响。最后,讨论了多体系统充液挠性空间飞行器的稳定性问题。 同时,本文给出了数值计算结果和某些试验结果,并与理论分析作了对比。     

Optimal nodal flyby with near-Earth asteroids using electric sail

The aim of this paper is to quantify the performance of an Electric Solar Wind Sail for accomplishing flyby missions toward one of the two orbital nodes of a near-Earth asteroid. Assuming a simplified, two-dimensional mission scenario, a preliminary mission analysis has been conducted involving the whole known population of those asteroids at the beginning of the 2013 year. The analysis of each mission scenario has been performed within an optimal framework, by calculating the minimum-time trajectory required to reach each orbital node of the target asteroid. A considerable amount of simulation data have been collected, using the spacecraft characteristic acceleration as a parameter to quantify the Electric Solar Wind Sail propulsive performance. The minimum time trajectory exhibits a different structure, which may or may not include a solar wind assist maneuver, depending both on the Sun-node distance and the value of the spacecraft characteristic acceleration. Simulations show that over 60% of near-Earth asteroids can be reached with a total mission time less than 100 days, whereas the entire population can be reached in less than 10 months with a spacecraft characteristic acceleration of 1 mm/s².     

带挠性附件的航天器结构-姿态耦合动力学

用Lagrange方程建立了基于混合坐标法的带挠性附件航天器结构-姿态动力学模型,对挠性附件结构的振动特性及其与航天器的耦合关系进行了理论分析,提出了航天器结构-姿态联合仿真分析的方法,并以某卫星天线为挠性附件结构,仿真分析了天线结构的振动特性及其对姿态控制系统的影响.结果表明:提出的航天器结构-姿态联合仿真方法能有效...     

迭代法求解航天器热网络方程的收敛条件与时间步长优化

热分析计算是航天器热设计验证和在轨温度预示的重要手段,其实质是对描述航天器在轨状态的能量平衡方程即热网络方程的求解。作为典型的非线性问题,航天器热网络方程通常采用迭代法求解,且目前尚无完善的理论可以判断迭代过程的收敛性和收敛条件。文章根据航天器热控设计的工程实际,提出一种可行的近似方法,实现了热网络方程的线性化;在此基础上对迭代法求解过程中的收敛性进行分析,确定了收敛条件下对节点热参数和时间步长的约束关系;并进一步分析时间步长与计算效率的关系,提出了以计算效率为优化目标的最优时间步长确定方法。最后通过某典型航天器热物理模型的计算验证了上述方法的正确性。     

大型复杂航天器的若干结构与力学问题

本文讨论了大型杂航天器的若干结构与力学问题，包括在轨系统识别，损伤检测和自适应结构的产生背景，基要概念，处理途径与关键技术，开展这些问题的深入研究，对保证航天器的正常工作与安全极为重要。