Exploration life support technology challenges for the Crew Exploration Vehicle and future human missions

As NASA implements the U.S. Space Exploration Policy, life support systems must be provided for an expanding sequence of exploration missions. NASA has implemented effective life support for Apollo, the Space Shuttle, and the International Space Station (ISS) and continues to develop advanced systems. This paper provides an overview of life support requirements, previously implemented systems, and new technologies being developed by the Exploration Life Support Project for the Orion Crew Exploration Vehicle (CEV) and Lunar Outpost and future Mars missions. The two contrasting practical approaches to providing space life support are (1) open loop direct supply of atmosphere, water, and food, and (2) physicochemical regeneration of air and water with direct supply of food. Open loop direct supply of air and water is cost effective for short missions, but recycling oxygen and water saves costly launch mass on longer missions. Because of the short CEV mission durations, the CEV life support system will be open loop as in Apollo and Space Shuttle. New life support technologies for CEV that address identified shortcomings of existing systems are discussed. Because both ISS and Lunar Outpost have a planned 10-year operational life, the Lunar Outpost life support system should be regenerative like that for ISS and it could utilize technologies similar to ISS. The Lunar Outpost life support system, however, should be extensively redesigned to reduce mass, power, and volume, to improve reliability and incorporate lessons learned, and to take advantage of technology advances over the last 20 years. The Lunar Outpost design could also take advantage of partial gravity and lunar resources.     

SBIRS-Low目标跟踪交接分析

对天基红外卫星系统低轨部分(SBIRS-Low)单星只测角的主动段跟踪交接进行了研究。提出了用插值和滤波两种方法计算目标视线(LOS)偏差的算法。仿真讨论了多项式阶数和时间窗长度对插值外推法的影响,以及插值外推法与滤波法性能的比较。结果表明:当预测时间小于30 s时,预测视线偏差小于0.4°,此时预测视线将以较大概率落入跟踪相机视场角1°×3°范围内,满足主动段跟踪交接条件,表明单星主动段跟踪交接具可行性。     

液氧／甲烷气液喷注器试验研究

介绍了液氧／甲烷气液喷注器热试验情况,试验燃烧室压力7．1～7．4MPa,混合比3．5～3．9。研究了不同的喷嘴结构参数对燃烧性能和流量特性的影响。获得了燃烧效率、流量系数、振动、点火性能以及积炭特性等重要参数。     

带机械臂的月面巡视探测器的路径规划方法研究

针对巡视探测器路径规划和机械臂路径规划的不同和两者需要依次执行的连接需求,文章将月面巡视探测器的路径规划过程分为三个阶段：巡视探测器的路径规划、机械臂的路径规划、器臂动态联合的路径规划,针对不同的规划分别提出了不同的规划方法,并进行了仿真验证。研究结果表明,巡视探测器的整个路径规划是一个复杂的运算规划过程,在非结构化月面环境下,基于月面三维数字高程图采用改进的启发式搜索（A＊）算法,可以比较高效地完成巡视探测器的路径规划;在采用蒙特卡罗法建立机械臂可达工作空间的基础上,可以比较简单、准确地获取机械臂的规划路径;巡视探测器整个就位探测过程的实现需要两种规划的动态联合。     

高压球形气瓶焊缝结构设计与焊接工艺

研究了气瓶赤道焊缝区的结构优化设计和焊接工艺改进措施,焊缝区渐变补强设计提高了焊缝区的应变协调性,改进电子束与焊缝作用方式解决了内部飞溅问题,采用优化的电子束工艺参数进行焊接。结果表明:焊接接头质量达到了GJB1718A—2005《电子束焊接》标准Ⅰ级焊缝,焊缝及热影响区力学性能与母材相当,气瓶进行鉴定试验,性能指标满足设计要求。气瓶焊缝结构优化设计,降低了焊缝处应力水平,减少应力集中,通过改进焊接工艺提高了电子束焊缝质量。     

真空中多孔氮化硅的高温弯曲强度

研究了高温真空环境下多孔(气孔率>50%)氯化硅陶瓷的弯曲强度,并进行了初步分析.结果表明,多孔氮化硅陶瓷在真空中的高温强度随温度上升而降低,由于没有氧化作用,晶界玻璃相在高温下的软化成为影响其强度的主要因素.     

基于小波变换的脉冲耦合神经网络预测模型及其应用

被称为第三代人工神经网络的脉冲耦合神经网络(PCNN)模型,以其耦合机制、脉冲输出两大基本特性广泛应用于图像处理等领域。文章在两大基本特性的基础上对PCNN进行了改进:增加了绝对误差控制公式;连接强度以相关系数来控制,调整阈值设置为最小误差;网络的运行机制与以往的PCNN原理有所不同;将ATrous小波变换与PCNN模型相结合,形成了组合预测模型。将改进后的组合模型用于年降雨量的预测中,以求检验模型的可行性。预测结果表明,基于小波变换的PCNN组合模型用在年降雨量预测中是可行的,并取得良好效果。为进一步深化PCNN的理论、拓宽PCNN的应用领域、解决水文水资源中的预测问题提供了新的思路和方法。     

KM5A空间环模试验设备研制

KM5A空间环模试验设备主要用于为航天器进行地面模拟试验提供真空、冷黑及太阳辐射等空间环境。设备主要包括真空容器、真空抽气系统、热沉、氮系统、测量及数据采集系统、外热流模拟系统等。文章概要介绍了该试验设备的系统组成、主要性能指标及关键技术。     

Al-Mg-Sc 和Al-Mg-Er 合金的组织与性能

采用铸造—轧制—稳定化退火技术制备了Sc含量为0.10wt％和Er含量为0.25wt％的两种Al-Mg合金薄板,研究了不同处理工艺下两种合金板材拉伸性能、剥落腐蚀性能和显微组织的变化规律.结果表明,两种合金冷轧板材稳定化退火过程中拉伸性能有相同的变化规律,即随着退火温度升高,板材强度下降而塑性升高,Sc含量为0.10wt％的合金350℃/1 h退火仍然表现出很强的抗退火软化能力,而Er含量为0.25％的合金当退火温度高于280℃后迅速软化;300℃/1 h退火条件下,含Sc合金和含Er合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为424 MPa、314 MPa、18.3％和350 MPa、177 MPa、29.1％;与此同时,随退火温度的升高,板材抗剥落腐蚀的能力也表现出相同规律性的变化,即200℃/1 h左右退火时剥落腐蚀最严重,随着退火温度升高,腐蚀抗力增加,两种合金板材经280℃以上1h稳定化退火后,合金板材可以获得较好的抗剥落腐蚀性能;其次,与Sc含量为0.25wt％的5B70合金相比,研制的Sc含量为0.10wt％合金综合性能接近5B70合金,而这种合金的Sc含量只有5B70合金的40％,能显著降低合金的制造成本,预示着低Sc含量的合金在航天领域有良好的开发应用前景.     

铝合金焊接结构的应力松弛及控制

针对生产现场大尺寸5A06-H112铝合金板箱形件拼焊制造过程中存在应力松弛的问题,对多种焊接工艺方法进行了研究.通过对不同焊接接头的力学性能试验、残余应力测试、焊接金相和硬度测量结果对比显示,铝合金焊接结构的应力变化存在先升后降的变化趋势,而TIG焊由于采用较小的线能量和多层焊,较MIG焊其应力松弛的程度存在差异.结果表明,增加焊后时效时间8～10d,并采用TIG焊技术将有效减小铝合金焊接结构的应力松弛,使端头下沉减少50％左右,满足了设计图纸的要求.