载人航天为什么这样难?

宇宙奥秘有多少?太空生活有多神奇?这恐怕仅限于您的想象。在中国人探索太空步伐越来越快之际,经中国宇航出版社授权,本刊特摘登最新出版的《中国载人航天科普丛书》部分精华,并通过和最新科技图片编排,为您演绎航天科普知识问答。欢迎各位读者踊跃提问,更欢迎补充和完善答案。     

基于多失效模式的扭簧可靠性优化分析

基于广义应力 广义强度分布干涉理论和单一失效模式下扭簧可靠性计算模型,建立了多失效模式下扭簧可靠度优化数学模型,采用规格化加权法进行各失效模式影响相同（等失效效应）和有差异（非等失效效应）两种情况下的扭簧可靠度计算。在给定扭簧结构和工况约束条件下,应用提出的计算模型和技术进行了失效模式影响相同和有差异的基于可靠度最大的扭簧结构优化,与非优化结构的扭簧可靠度的比较,以及这两种情况下的扭簧可靠度比较。结果表明,提出的可靠度优化模型和方法是可靠和有效的,对于航天工程中零部件的可靠性优化分析具有很好的借鉴作用。     

多阶段任务系统通用可靠性仿真模型

归纳了当前多阶段任务系统(PMS,Phased Mission Systems)可靠性建模的基本假设,指出了解析模型描述和求解能力的不足以及仿真模型存在的难以转换的缺点.应用着色Petri网(CPN,Colored Petri Net) Tools建立PMS的多层通用仿真模型:顶层控制模型将PMS各阶段的故障树参数化,作为CPN通用仿真模型的输入;单阶段处理模型根据顶层控制模型的输入判别该阶段顶事件是否发生;底事件处理模型通过比较随机数和故障发生概率的大小产生故障.通用仿真模型可以保持模型结构的稳定,同时又简化了仿真模型的生成.案例对比了CPN仿真模型与二元决策图(BDD,Binary Decision Diagrams)算法的可靠性计算结果,证明了模型的正确性;具有动态变化参数的PMS仿真则说明了模型的适用性.      

航天战略事关国家安全

2011年,全球航天技术及其产业在经济危机阴影下继续保持稳健发展,全球商业航天活动一片繁荣;军用航天和深空探测蓬勃发展;载人航天经过50年的发展,正处在十字路口;中国航天的国际竞争力显著提升,与国外航天先进技术差距正在逐年缩小。回眸2011年,展望未来,也许"他山之石,可以攻玉"。     

飞机结构疲劳关键部位损伤与可靠性评定技术

从分析结构疲劳失效和损伤演化的本质特征,得到了以疲劳损伤描述的结构可靠性分析模型,并在此基础上,给出了使用过程中飞机结构疲劳关键部位的损伤与可靠性评定技术和相应参数指标.该方法以一般环境下全尺寸结构疲劳试验结论的完整资料和服役中记录的每架飞机飞参数据为主要依据,能够实现利用每架飞机的飞参适时地对其结构损伤状态与可靠性给出评估,满足飞机结构疲劳损伤监控技术的需求.最后结合某型飞机的具体服役情况给出评估示例.研究表明,采用该方法可适时地计算出某型飞机结构的疲劳损伤和可靠性,并可为使用方合理决策提供重要参考信息,以在保障结构安全可靠的前提下合理地调配使用飞机.      

卫星搭载聚氨酯泡沫闷烧实验

SJ-8卫星搭载闷烧实验,利用长时间微重力条件,对等压条件下聚氨酯泡沫试样中的闷烧点燃和双向传播过程进行了研究,两种气流氧气浓度分别为21%和35%,气流速度为3.1 mm/s.实验结果表明,氧气浓度较小时,逆向闷烧在传播到试样末端之前将自行熄灭,同向闷烧可以自维持传播至试样末端.气流氧气浓度为35%时,逆向闷烧和同向闷烧都可自维持传播;当逆向闷烧传播至试样末端区域时反应急剧加速,导致局部发生闷烧向有焰燃烧转变;有焰燃烧进一步点燃闷烧反应留下的剩余碳,使其发生剧烈的二次氧化反应,并向下游传播直到剩余碳耗尽.实验结果为研究闷烧机理提供了基础数据,对载人航天器舱内的火灾安全具有实际意义.      

微波电子产品贮存状态的SSADT评估方法

针对在贮存期内具有长寿命、高可靠性特点的系统级微波电子产品,为了快速评估其贮存寿命与可靠性指标,提出了使用步进应力加速退化试验(SSADT,Step Stress Accelerated Degradation Testig)的试验方法.首先给出SSADT的基本假设.基于该产品的故障模式影响及危害性分析和故障树分析结果,为该产品确定了加速模型.并结合线性漂移布朗运动的首达时(first passage time)分布服从逆高斯分布的特点,建立了SSADT的可靠性评估模型.其次,根据线性漂移布朗运动的独立增量性,给出了可靠性评估模型参数的极大似然法和最小二乘法相结合的评估方法.为了剔除试验中为检测产品性能而引入的通断电对产品贮存寿命与可靠性评估带来的影响,在借鉴可靠性相关标准的基础上,提出了通断电因子退化率折合方法,并得到了线性漂移布朗运动的通断电折合公式.最终的实例证明,采用提出的贮存寿命与可靠性方法能够得到合理的评估结果,从而验证了该方法的正确性.      

基于SSI模型的加速应力试验定量评估方法

为了解决传统应力-强度干涉模型(SSI,Stress-Strength Interference)不能对加速应力试验(AST,Accelerated Stress Testing)进行可靠性指标随时间变化的定量评估问题,针对应力和强度均引入了随机过程进行描述.首先假设了产品强度退化过程和应力变化分别为漂移布朗运动和对称布朗运动.其次,为了解决Basu的布朗运动SSI模型在零时刻可靠度为1的问题,从工程角度,假设产品设计制造过程与试验或使用过程相互独立,提出了产品可靠性是设计生产决定的固有可靠性以及试验使用过程确定的使用可靠性的串联结果.通过将传统应力强度干涉模型结合Basu的布朗运动SSI模型,建立了与时间相关的应力强度干涉模型IMSDⅠ,并给出了相关评估方法.基于将加速应力试验与加速退化试验相结合,改进了已有的AST试验方法,扩大了试验数据量,最后,通过仿真算例验证了本文模型和评估方法的理论正确性和工程可实施性.      

某航天器输氢管道系统结构完整性评估

为保障某航天器在服役年限内不发生事故,针对航天器上采用插入焊接技术的精密管道系统进行结构完整性评估。在考虑到系统存在整圈的环形未焊透缺陷基础上,结合工程实践,假设在焊接区域存在更危险的平面缺陷。首先,开展高压气相热充氢试验下的标准拉伸和三点弯试验得到管道系统材料"J-75"在临氢环境下应力应变曲线和断裂韧性。其次,采用有限元程序计算系统在内压、惯性载荷与离面位移作用下的应力分布,考虑到间隙配合中的不确定性,改变模型中的最大间隙多次模拟计算,发现最大应力位置基本不变,以此区域作为假想缺陷的具体萌生区域。最后,采用失效评估图（FAD）方法对存在4种缺陷模式的系统分别进行结构完整性评估。通过引入安全裕度的概念,发现系统在含有初始尺寸（0.15 mm）的4种平面缺陷时,均处于安全状态,并且安全裕度都在2倍以上;通过工程临界分析（ECA）发现随着缺陷尺寸的增大,系统中含有缺陷2（位于管道焊接区域最大应力处的轴对称平面且沿焊深方向扩展的缺陷）时最为危险,且当缺陷深度超过0.61 mm时将断裂失效;考虑到测试数据的弥散性,针对系统最危险的模式,以安全裕度为可靠性指标,将失效评估图方法与可靠性评价相结合,得到系统在含有尺寸为0.15 mm的缺陷2情况下保有足够安全裕度的可靠性下限值超过0.999 5。     

钢板内部缺陷失效分析

采用120 mm厚的45#钢轧制板材经粗加工后进行调质处理,热处理后超声探伤发现钢板厚度方向中部存在缺陷。通过失效分析认为,钢板内部的缺陷为沿变形方向分布的带状组织,部分带状组织中存在沿晶裂纹。形成带状组织及裂纹的机理是原材料钢锭浇铸过程中心部形成枝晶偏析,轧制过程中偏析区被拉长因而形成偏析条带,条带区因富含Mn、S、P等元素形成硬度较高的马氏体组织,调质热处理过程中在组织应力及热应力作用下马氏体条带组织区域发生沿晶脆性开裂。