航天应用FPGA配置可靠性研究

航天应用系统必须保证每一单元的安全性及可靠性. 现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA), 以其I/O管脚丰富、设计灵活等优势, 逐渐被广泛应用于航天领域. 其设计与工艺不断完善, 以适应太空中电子辐射等复杂的工作环境. 由于基于SRAM的FPGA芯片断电后程序丢失, 因此每次上电后都需要先从PROM等外部存储器中加载程序才能正常工作. 然而, 并不是每一个芯片的每一次加载配置都能成功完成, FPGA的上电配置结果将直接关系到卫星任务的成败. 研究发现, 诸如环境温度、信号完整性、供电电压、配置时钟速率等因素会影响FPGA的配置过程, 致使出现偶尔的配置失败, 这在航天应用中是绝对不允许的. 针对实际应用的Xilinx公司FPGA芯片, 为提高上电配置可靠性, 提出了一系列设计保障措施, 在FPGA航天应用领域具有一定的参考价值.      

高温结构可靠性分析的时变响应面法

高温条件下结构的本构方程和承载能力都随时间变化,传统的结构可靠性模型在分析这种时变结构可靠性问题时效率较低.提出一种可用于高温结构可靠性分析的热响应与响应量阈值均随时间变化的时变响应面法.首先,通过引入结构各基本变量与时间的交叉二次函数并结合Box-Behnken试验设计建立结构热响应量的时变模型;进而,以温度为中间变量,建立结构响应量阈值与时间的函数关系,据此得到用随机过程表示的时变极限状态函数.具体给出了基本变量服从正态分布情形下的结构时变可靠度计算方法.算例分析表明该方法切实可行,能够在保证计算精度的基础上大幅提高计算效率.      

不同强度磁暴期间热层大气密度响应特征分析

利用CHAMP卫星数据,对2002-2008年12个不同强度磁暴事件期间的热层大气密度变化特征进行分析,并研究对应磁暴期间大气模式NRLMSISE-00分布特征.结果表明,大磁暴期间日侧大气密度峰值从高纬到低纬的时间延迟为2h,中小磁暴期间的延迟时间为3～4h;春秋季暴时大气密度分布基本呈南北对称分布,而夏冬季大气密度的分布是夏半球大于冬半球,春秋季暴时大气密度大于夏冬季;NRLMSISE-00大气模式得到的热层大气密度很好的体现了半球分布以及季节分布的特征,但模式模拟结果偏小;Dst指数峰值比ap指数峰值更能反应大气密度的变化情况.      

空间碎片能量转化利用技术

针对目前空间碎片问题,提出空间碎片发动机概念,立足于使用捕获到的空间碎片,转化为发动机可用的推进剂。在完成碎片清理目标的同时,获得可持续的动力来源,延长清理器的工作寿命。针对空间碎片制粉的方法进行研究,提出使用球磨仪对金属样本进行研磨。使用转刀式粉碎机对非金属材料进行粉碎。通过实验发现,多数粉末粒径达到微米量级。针对空间碎片粉末推进方式进行研究,提出使用静电加速推进方式对粉末进行加速。空间碎片发动机虽然起源于空间碎片清理任务,但是可持续的推进剂供应,也将为小行星探测等任务提供更好的思路。     

月面着陆起飞试验技术研究

可靠、安全地实现月面软着陆及月面起飞是完成月面探测任务的基本条件,也是探测器研制的一项关键技术,需要开展地面验证试验。地面环境与月面有较大的差异,探测器在地面的工作特性也与实际过程不尽相同,地面试验的设计及实施有较大的难度。分析了探测器月面着陆起飞的设计要点和地面试验的关键因素,指出了当前试验技术存在的缺陷,在此基础上提出了一种利用探测器自身动力实现月面着陆和起飞的验证方案,通过动力学仿真验证了试验实施的可行性,并对方案的拓展应用价值进行了展望,相关内容可为后续我国月球及其他行星表面探测器的研制提供借鉴。     

小行星探测科学目标进展与展望

由于较好地保留了太阳系早期形成和演化历史的遗迹,小行星,尤其是近地小行星,已成为国际深空探测领域的研究热点。介绍了小行星的定义、分类和主要探测方式,指出目前小行星探测已进入空间探测的新时代;总结了国际小行星探测的现状,包括已实施和正在实施的小行星探测任务的科学目标、科学载荷配置,以及获取的主要科学数据等;探讨了未来小行星探测的发展趋势和主要科学问题,并对我国未来自主小行星探测任务科学目标的制定进行了展望。     

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。     

自身场磁等离子体推力器数值仿真流场特性分析

磁等离子体推力器以其推力大、比冲高等特点,成为未来深空探测、星际航行任务首选的电推力器类型,研究推力器内部等离子体流场特性,有利于解释推力器出现的物理现象。针对特定自身场磁等离子体推力器,建立磁流体模型,使用TVD Lax-Friedrich格式以及ADI方法对推力器内部及羽流进行数值求解,得到等离子体流场及等离子体参数分布情况,仿真结果显示在高电流工况下,等离子体羽流更加集中,轴向加速效果更加显著,但高电流模式下阴极温度较高,不利于阴极的使用寿命。     

射线透照等效系数测试方法分析

为获得不同透照电压下不同标准材料的射线透照等效系数,以50 kV 透照电压为例,以钛为标准 材料,揭示了同时透照法和图像法两种等效系数的测试方法。通过对同时透照法步骤及存在问题的分析,引入 了解决问题的阶梯扩展和厚度校正两种手段。在等效系数图像法的分析过程中,明确了曝光曲线种类和黑度 选取的原则,阐述了曝光曲线与图像法的关系,结合数学手段运用,获得了等效系数与透照电压相关,但不随曝 光量改变而变化的结论。     

15-5PH沉淀硬化不锈钢磁粉检测磁痕分析

针对航空15-5PH马氏体沉淀硬化不锈钢在磁粉检测过程中发现的条状、片状和长直磁痕显示进行了总结。分析了不同磁痕显示的特点及微观组织情况,最终确定了磁痕的性质。结合不同热处理状态下的磁特性分析,确立了纯洁度磁粉检测的工艺流程以及磁痕判别方法。研究发现沉淀硬化不锈钢在磁粉检测过程中磁痕显示主要是由铁素体和组织不均匀造成的。研究结论为航空制造过程中沉淀硬化不锈钢的磁粉检测的磁痕判定以及规范的制定提供依据,确保磁粉检测工作的顺利进行。