载人深空探测任务的空间环境工程关键问题

对载人深空探测过程中将遭受的太阳宇宙射线、银河宇宙射线、微重力、尘与尘暴、深空微生物等环境进行分析。对不同深空环境给航天员带来的威胁进行了探讨。从物理屏蔽防护、辐射风险的监测和预警、辐射防护药物、航天员选拨等角度对采取的措施进行了阐述。从空间辐射对航天员的损伤机理、抗辐射和微重力药物开发、空间辐射屏蔽防护结构与材料、航天服自清洁、抗微生物侵蚀材料的研发等多个角度对需要进一步开展的工作进行了讨论。     

模拟月面环境钻进过程热特性研究

根据实际月面采样任务需求,月壤钻取采样器须在真空条件下,实现无辅助冷却介质的连续钻进取心工作,这极易导致钻头温度快速升高,影响采样任务的可靠进行。因此,为深入研究钻进过程的热特性,通过分析钻头切削具与孔底月壤的切削和摩擦机理,建立钻头在钻进过程中的温升模型,归纳影响钻头温升的主要因素。根据月面真空条件下的月壤环境,制备真空度低于10 Pa、钻进深度不少于2 m的模拟月壤,并开展钻进过程热特性试验。试验结果表明钻头前端切削具的温升与钻压力存在很强的正相关性,与钻头扭矩相关性较弱。基于试验结果对温升模型中的相关性系数进行修正,拟合出钻头温升曲线,并与试验实测结果进行对比,实现了钻进过程热特性的定性分析。     

1700℃高温、有氧及时变环境下隔热性能试验研究

针对高超声速飞行器面临极端高温热环境、飞行器外壳单侧面受热以及温度历程非线性时变的特点,自行设计并建立辐射式极端高温氧化环境下的单侧面试验加热装置,实现了1700℃高温有氧环境下对高超声速飞行器热防护材料的隔热性能试验测试。同时,对轻质陶瓷材料试验件和新型陶瓷、纳米材料复合结构在高达1700℃的高温氧化环境下的隔热性能进行试验测试,并对不同材料及其组合模式进行对比分析,优选高效能的隔热方案,发现陶瓷、纳米材料复合结构试验件比单层轻质陶瓷材料试验件的隔热效果提高了约50%。另外,生成了极端高温非线性时变热环境,并进行相应的隔热性能试验。通过建立极端高温、有氧、单侧面加热、非线性时变热环境试验系统及其实际应用研究,为高超声速飞行器的热防护设计提供重要的试验手段。     

载人航天器舱内流场与温度场松耦合计算方法研究

快速有效的舱内热环境预测分析方法及工具在载人航天器的设计中具有重要的研究地位,而预测方法的合理性、准确性及其计算速度是此类问题研究中的重点和难点。文章围绕计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值计算方法阐述了载人航天器中导热与对流换热的耦合求解问题,分析了不同的求解原理和特点。为了缓解计算速度的问题,基于航天器舱内热环境CFD数值预测方法提出了一种全新的"流场/温度场松耦合"计算方法。对比分析了此方法中温度场在不同时间步长下的计算结果,对计算步长的选取给出了合理的判定准则,同时还分析了不同时刻下设备表面对流换热系数和温度场的计算结果,结果表明文章提出的"流场/温度场松耦合"计算方法在大幅提高计算速度的同时还能在一定范围内保证计算精度,具有一定的工程应用前景和价值。     

用于结构与机构去污染的真空烘烤设备

为了防止空间结构与机构产品中的非金属材料对航天器造成污染,要在产品装配前去除其中的可挥发性物质,需对产品进行真空烘烤清洁处理,因此研制了一套结构与机构防污染的真空烘烤设备。该套设备主要包括真空容器、热沉、真空抽气系统、氮系统、去污染系统、电气控制系统等。文章对该设备的系统组成、主要性能指标及使用功能进行了详细的说明。     

KM8不锈钢板式热沉激光焊接工艺研究

热沉是空间环境模拟器的重要组成部分之一,用于在真空热试验中产生冷黑环境。我国目前正在研制的KM8空间环境模拟器和KM7A空间环境模拟器的热沉均采用不锈钢板式结构,而不锈钢板式热沉的焊接加工工艺是亟需解决的技术问题。文章介绍了在KM8不锈钢板式热沉激光焊接工艺研究中,采用不同的工艺参数焊接了不同厚度的搭接组合板试件后,对这些试件进行了力学拉伸试验和焊缝分析与检测,并根据检测结果确定了不同厚度板材组合的最佳搭接焊接工艺参数。这些工艺参数在后续的生产实践得到了有效验证。     

卫星真空热试验倾斜姿态模拟装置的设计

为验证月球地形表面坡度以及重力环境对探测器及设备性能的影响,设计了一种探测器倾斜姿态模拟装置。该装置采用双曲柄摇块机构,主要由步进电机、螺旋升降机、转动平台(连架杆)、底框等组成。针对<10-4 Pa的高真空和100 K低温的使用环境以及大尺寸、重负载和高精度的使用要求,讨论了探测器倾斜姿态模拟装置设计时所面临的系列问题及解决方法。该装置已成功应用于“嫦娥三号”以及“嫦娥五号”的真空热试验,满足试验对装置提出的各项指标要求。     

利用载人航天器进行热控涂层舱外搭载试验研究

为了解空间环境对热控涂层性能的影响,文章设计了舱外热控涂层搭载试验方案,包括试验件配置、在轨试验和回收方法。试验件在轨试验期间安放在载人航天器密封舱前舱门外,暴露于空间环境中;在实现对接、建立组合体后,航天员不需太空行走即可实施对搭载试验件的回收及再次安装等操作。该方案若成功应用并回收试验件至地面,我国将首次获得热控涂层空间飞行试验数据。     

1070 m3混响室的设计

为适应航天器研制任务发展的需要,北京卫星环境工程研究所研制建立了一个1 070 m3混响室.文章对该混响室的本体、气源系统、控制系统的设计进行了介绍.该混响室本体为六面体结构,墙体为内、外墙双层结构,大门采用推拉式钢结构;数字式闭环控制系统进行了多项改进,有效地提高了控制精度和操作的自动化程度;经验收调试,混响室最大总声压级能达到155 db以上;提高了北京卫星环境工程研究所的声试验能力.     

中国探月工程发展及对空间环境与材料研究的需求

文章首先介绍了中国探月工程的发展规划,包括已取得和预期取得的科技成果;随后对我国未来深空探测提出发展设想并进行展望;最后指出探月工程的发展很大程度上受制于对空间环境的认识以及高性能新材料的开发与应用技术,因此必须加强这两方面的研究。