航天器表面环境散射返回流污染数值模拟和影响因素分析

针对航天器表面出气分子形成的环境散射返回流污染问题,利用试验粒子Monte Carlo方法对圆球和圆柱体简化航天器表面环境散射返回流进行数值模拟。其中,圆球出气表面的计算结果与已有的DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)方法计算结果一致,验证了该方法的正确性。此外,对不同长径比的圆柱表面环境散射进行了计算和分析,结果表明:来流方向垂直于圆柱对称轴时,返回分子主要分布在圆柱体侧面的迎风部位;返回通量比随来流与出气分子质量之比的增加逐渐减小,随来流与出气表面温度之比、来流分子速度比和数密度的增加而增大;不同长径比条件下返回通量比相对于上述4个参数的变化具有相似性和递变性,短粗体的返回通量比最小,长细体的最大,正常圆柱体的则居中;返回通量比相对来流攻角的变化在不同长径比条件下不再具有相似性,而是取决于有效迎风面积。     

空间科学任务协同设计过程优化

为了对概念设计阶段空间科学任务协同设计过程进行合理规划, 减少设计反馈, 降低系统耦合度, 提出了设计结构矩阵(DSM)过程建模和遗传算法(GA) 过程优化算法. 该方法采用DSM对空间科学任务设计活动序列进行建模, 通过DSM描述设计活动间的信息依赖关系, DSM上三角之和代表该设计活动序列设计反馈次数; 将 DSM对应的设计活动序列视为染色体, 采用GA进行序列优化, 最小化设计反馈次数. 通过过程优化算法获取最佳设计活动序列, 优化设计过程, 降低系统耦合度. 空间科学任务实例分析结果表明, 该方法能够有效应用于空间科学任务协同设计的过程建模和过程优化, 指导设计过程的制定.      

空间科学任务协同设计论证平台

空间科学任务协同设计论证存在设计方案耦合强,数据一致性差,数据变更难,数据与流程脱节等问题.为了解决上述问题,建立了典型空间科学任务的多层数字化模型;采用图形化方式对论证流程进行建模,并建立流程与数据的映射关系;通过共享数据池的方式为多岗位用户提供多方案数据协同机制;采用消息总线对数据变更进行及时提醒;利用方案依赖关系矩阵来判别方案耦合关系,最终自动合并任务总体设计方案.作为一个分布式平台,空间科学任务协同设计平台采用Eclipse RCP和Spring技术架构,整合了Hibernate、工作流Activiti5等中间件,提供统一门户,支持多岗位、多任务、多方案、多版本的管理能力,提供论证流程监控、数据协同交互等功能.结合某空间科学任务论证验证了该平台的有效性.      

垂直起降运载火箭返回轨迹不确定性优化

针对垂直起降运载火箭一子级在返回着陆的过程中存在的参数不确定性,提出了一种基于非侵入式多项式混沌展开的序列优化和可靠度评估的返回轨迹不确定性优化方法。首先,建立了返回多飞行段轨迹在确定性条件下的优化模型。然后,为同时兼顾轨迹的鲁棒性和可靠性,建立了由鲁棒最优目标函数、基于可靠度的路径约束和鲁棒等式约束组成的不确定性返回轨迹优化模型。最后,基于非侵入式多项式混沌展开方法对鲁棒目标函数和等式约束进行量化处理,将原随机鲁棒优化问题转化为高维状态空间中的等价确定性优化问题;为提高路径约束的可靠度评估效率,基于非侵入式多项式混沌展开方法对最可能点法进行改进,进一步发展了序列优化和可靠度评估策略。数值仿真结果表明,所提出的不确定性优化方法具有较好的鲁棒性,可以满足工程可靠性指标要求,同时还具有较高的精度和计算效率。     

Analysis of spacecraft motion under constant circumferential propulsive acceleration

This paper reassesses the classical circumferential-thrust problem, in which a spacecraft orbiting around a primary body is subjected to a propulsive acceleration of constant modulus, whose direction is in the plane of the parking orbit and orthogonal to the spacecraft-primary line. In particular, a new formulation is proposed to obtain a reduction in the number of differential equations required for the study of the spacecraft propelled trajectory. The mathematical complexity of the problem may be further reduced assuming that both the propulsive acceleration modulus and the spacecraft distance from the primary body are sufficiently small. In that case, an approximate model is able to accurately describe the characteristics of the propelled trajectory when the parking orbit is circular. Finally, using the data obtained by numerical simulations, the approximate model is extended to generate a set of semi-analytical equations for the analysis of a classical escape mission scenario.     

月球取样返回器回收半实物仿真系统研究

月球取样返回器回收半实物仿真系统是通过模拟返回器取压孔附近压力环境,将回收程控装置硬件实物接入仿真系统并构成实时仿真回路的半实物仿真平台。文章介绍了月球取样返回器回收半实物仿真系统的研制意义,对系统总体结构和设计方案、网络环境、运行流程和新的设计特点进行概括,在面向对象的基础上建立了分阶段的月球取样返回器降落伞回收系统整个工作过程的动力学模型,利用空投试验测量数据对模型的仿真精度进行验证分析,并对半实物仿真系统的实时性和压力模拟精度进行了分析。结果表明,半实物仿真系统的各项技术参数均达到设计指标,可为中国探月工程三期中月球取样返回器回收分系统的可靠性评估提供重要的技术支持。     

用于深层月壤采样返回的软质取心袋的设计与测试验证

月壤钻探采样技术尤其无人自主采样返回技术是我国探月工程的关键技术之一。文章提出了一种适于深层月壤钻探采样的取心机构,能够实现对月壤样品的原位包裹,以保持样品的层理特性信息。该机构选用Kevlar作为包裹样品用的软质取心袋材料,采用满足要求的编织工艺织造出致密薄壁的软袋,并对软袋进行了翻转抽拉力、力学性能及涂层测试分析等测试试验,验证其可满足深层月壤钻探采样任务的需求。     

Roadmap to a human Mars mission

We propose a new roadmap for the preparation of the first human mission to Mars. This proposal is based on the work of ISECG and several recent recommendations on human Mars mission architectures. A table is proposed to compare the possible benefits of different preparatory missions. Particular attention is paid to the possibility of qualifying important systems thanks to a heavy Mars sample return mission. It is shown that this mission is mandatory for the qualification of Mars aerocapture at scale-1, EDL systems at scale 1 and Mars ascent. Moreover, it is a good opportunity to test many other systems, such as the heavy launcher and the transportation systems for the trips beyond LEO. These tests were not mentioned in the last ISECG report. This strategy is facilitated in the case of the simplified Mars mission scenarios that have recently been presented because it is suggested that relatively small vehicles with small crew sizes are used in order to optimize the payload mass fraction of the landing vehicles and to avoid the LEO assembly. An important finding of the study is that a human mission to the surface of the Moon is not required for the qualification of the systems of a human mission to Mars. Since affordability is a key criterion, two important missions are proposed in the roadmap. The first is a heavy Mars sample return mission and the second is a manned mission to a high Earth orbit or eventually to the vicinity of the Moon. It is shown that both missions are complementary and sufficient to qualify all the critical systems of the Mars mission.     

样本重复使用失效响应曲线分析结构可靠度方法

用基于样本重复使用失效响应曲线逼近法,为充分利用迭代过程中的样本点,提出了样本重复使用的思想,并由此发展出一种结构可靠度的计算方法.利用可靠度指标作为收敛条件,从迭代收敛后的所有样本点中选取靠近失效界线处的样本点构造失效曲线响应函数,最后通过蒙特卡洛抽样的方法计算可靠度.多个算例表明:该响应函数避免了对传统意义上的功能函数响应面的模拟,降低了模型维数,又由于适当地 引入了带交叉项、具有曲线旋转功能的响应函数,因此能够很好地逼近失效曲线,有效地提高可靠度计算精度.