航天装备研制风险管理的应用探究

航天装备研制综合性强、层次复杂,研制过程中的风险管理水平直接影响装备质量和研制进度。本文通过辨识风险管理目标、梳理风险种类和特点,识别研制过程中需重点关注的风险,针对重点风险制定管理措施和实现途径,并结合实际研制情况给出风险管理方面的后续工作建议。

舱段结构声振响应能量传递分析

目的分析航天飞行器结构各部分输入能量对振动的贡献量。方法将基于能量的传递路径分析方法引入航天飞行器舱段结构的声振响应分析中,通过声振响应分析获得结构的振动响应后,进一步得到结构各部分的能量分布以及输入能量,计算得到各部分输入能量的贡献量。结果对于本文中的舱段结构,仪器支架安装壁板的能量主要来源于外部噪声激励,与之相连的蒙皮结构也会对其有输入能量,但贡献量不大,约占10%。仪器支架底部的能量主要由安装位置处的蒙皮贡献,相邻蒙皮贡献的能量约占20%。仪器设备安装处的能量,主要由仪器支架贡献。结论形成的舱段结构声振响应能量传递分析方法,可为结构的传递路径分析、结构优化设计、减振降噪设计奠定基础。

我国深空探测器结构与机构技术发展

我国深空探测任务的不断发展对探测器的结构与机构技术提出了更高的需求,文章主要针对月球、火星、小行星等深空探测任务,梳理了我国深空探测器领域结构与机构所取得的主要技术成果和发展,对未来探测任务需求提出了展望,为后续深空探测器结构与机构技术发展提供参考。

月面建造结构的微流星体撞击防护分析研究与展望

为应对微流星体的超高速撞击对未来月球基地带来的巨大挑战和威胁,概述了微流星体环境对月面结构所带来的潜在危害,梳理和归纳了不同的月面防护结构类型及其组成、建造方式和特点等,并重点分述了微流星体对月面防护结构撞击作用的3种分析方法,分析了不同月面防护结构抵御微流星体超高速撞击的防护效果,同时总结了不同的月面防护结构超高速撞击分析方法的局限性,最后提出了结论,并对未来的研究方向进行了展望,为未来月面建造结构的防护设计、模拟试验和分析计算等提供一定的参考和借鉴。

月球背面无人自动采样返回任务分析与要点设计

嫦娥六号任务是实现人类首次月球背面采样返回的任务。针对月球背面整体地形崎岖、可选平坦采样区少的特点,通过开展采样区选址分析,选取了南极艾特肯盆地阿波罗坑内的主、备两块着陆区,确保月背安全可靠着陆、起飞和月面工作;针对嫦娥六号在产品技术状态基本确定情况下实现新的任务目标,需要开展系统方案优化设计,减少系统的改动量,规避过多技术状态更改带来的工程实现风险,通过开展方案比较确定了逆行环月轨道飞行方案,在保证实现任务目标的前提下实现了系统更少的更改;针对嫦娥六号中继测控时长相对嫦娥五号减少且不连续的特点,提出了分阶段、多自主、中继联合协同的月面工作时序设计方案,确保着陆、起飞和月面工作可靠、高效实施;针对载荷搭载需求,提出了以数据处理单元作为核心的系统设计方案,确保系统信息接口、电气接口的安全性,并对不同载荷设计了定制式探测模式,在保证不影响主任务完成的前提下,实现探测收益的最大化。以上方法已经在嫦娥六号任务中得到了工程应用,确保了人类首次月球背面无人自动采样返回任务的圆满成功,并可为后续月球及深空探测任务提供有益的参考。

机器人航天员的发展综述及展望

随着中国空间站的全面建成,使用机器人航天员辅助或替代人类航天员已成为备受关注的研究热点。综述了世界主要航天强国在过去二十多年中机器人航天员在空间站舱内服务领域的发展现状、趋势、关键技术与挑战,并展望了未来的研究方向。介绍了国内外在机器人航天员方向的研究进展;分析了该领域发展所面临的4个关键技术挑战:环境感知、自主决策、运动规划和灵巧操作;最后,展望了未来的研究方向,包括先进感知技术、自主决策技术、人机交互技术以及多传感器融合的操作技术。研究内容有望为机器人航天员在空间站舱内执行任务提供更智能、更高效的支持。

碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

我国深空探测器采样封装技术发展

深空探测器采样封装技术主要研究从地外天体表面采集土壤、碎岩等承载着丰富科学信息的样品,并对样品进行必要的整形和封装。文章围绕我国在深空探测器采样封装技术领域的实践和研究情况进行综述。介绍了国内外采样封装技术发展,详细阐述了我国已成功完成的月球采样封装任务中有关剖面月壤采集、表层月壤采集、样品密封、地面验证和在轨操作等方面的关键技术突破。探讨了采样封装技术在我国后续月球极区探测、小天体探测及采样返回、火星探测及采样返回等深空探测任务的相关应用情况,并对未来该技术的发展趋势和研究方向进行了展望。

卫星有源相控阵高热流微尺度器件热设计与验证

为解决卫星有源相控阵高热流微尺度器件散热和热试验验证难题,首先,提出T/R模块低温共烧陶瓷热设计优化方案,选择热通孔面积比为11.4%,并建立尺度比为800∶1的跨尺度热模型;其次,进行地面常压热平衡试验,利用红外热像仪测量器件温度;再基于热参数敏感性分析方法评估自然对流、热辐射和热传导有关参数对器件温度的影响,结果表明:对于特征长度为600μm的典型器件,接触热导对散热影响最大,而自然对流和热辐射影响均低于2%;基于常压热平衡试验数据修正热模型后的仿真与试验数据吻合良好,最大温度偏差1.7℃;高热流微尺度器件接触热导为16200 W/(m^(2)·K),预示真空下器件的最高温度为73.2℃,满足工程要求。研究结果可为卫星高热流微尺度器件热设计和验证提供参考。

空间机器人在轨操作用多指灵巧末端研究

空间机器人在轨操作涉及抓握、旋拧、插拔、移动、对接等精细动作,这对末端灵巧操控性能提出极高要求,如自由灵活、多状态感知、轻便可靠等。基于仿形思想,开展了五指灵巧末端研究,采用腱驱动连杆耦合方式,拇指、食指、中指各有3个自由度,无名指、小指、腕部各有2个自由度,手指内部集成六维力/力矩、腱拉力、指节位置等传感器,驱动机构后置于手臂位置;此外,开展了三指灵巧末端研究,3个手指结构相同且各有1个自由度,其中2个手指可根据目标形状调整相对位姿;采用力/位混合等控制策略对末端的抓取及操作能力进行了试验测试。试验结果表明:2种末端可对多种形状及不规则物体进行可靠抓取及操作。

基于深度强化学习的航天器功率信号复合网络优化算法

为了实现航天器电源系统的灵活高效并网,最大化有限能量的利用,提出一种基于深度强化学习(deep reinforcement learning,DRL)的功率传输与信号传输复合网络拓扑优化模型,并使用知识蒸馏原理的多种可解释组件模型对优化过程进行剖析。首先,分析在轨运行阶段航天器母线电压调节控制域变换规律,并结合节点传播性参数,建立功率传输与信号通信的复合网络拓扑模型。然后,利用A3C(asynchronous advantage actor-critic)算法,对信号传输网络路由分布、拓扑结构等方面潜在的运行可靠性风险进行自适应性优化。最后,结合多种可解释组件对已训练的DRL模型进行知识蒸馏,形成一种可解释的量化分析方法。所提方法可以指导空间电源在随机阴影影响下选择最佳并网方案,并为更高任务要求和复杂环境下空间电源控制器设计提供理论支持。

航天器热辐射器MMOD击穿泄漏特性分析及验证

针对空间站等长寿命载人航天器热辐射器在舱外受微流星体和空间碎片(MMOD)击穿后工质泄漏导致的热控系统失效风险问题,文章对热辐射器被击穿后漏孔的泄漏特性进行了分析,建立了数学计算模型,计算得到了漏孔孔径与泄漏容积速率关系。通过试验,验证了数学模型的准确性,结果表明:当泄漏孔径≤3 mm时,泄漏数学模型能够很好的预测泄漏的速率、压力等特性。可以为应用流体回路热辐射器进行热量排散的低轨航天器设计提供参考。

面向深空探测的仿生机器人研究综述

介绍了面向深空探测的仿生机器人的仿生原理、构型特征、性能参数等研究情况;对比分析了不同类型仿生结构的优缺点,例如躯体扭动型机器人运动自由度大但控制难度高、成熟度低,而支腿爬行型机器人结构刚度大但运动形式单一;提出了仿生机器人在深空着陆探测任务中涉及的仿生设计、材料科学、自主性控制等关键技术。在后续研究中,应重点关注能源管理、环境适应性设计等方面。上述研究结果,可为深空探测仿生机器人发展提供参考。

卫星低气压与真空放电安全性设计分析

卫星低气压与真空放电因客观环境因素诱发,危险源无法消除,风险无法避免;但开展相关安全性设计分析可以有效降低风险。文章提出一种基于故障致因理论的安全性设计方法,以问题导向为核心,推动挖掘导致卫星低气压与真空放电故障的不同原因,深入分析每一种放电防护设计的安全性要素和风险,以便制定有效措施,防范风险。最后结合实例,采用统计分析、工程分析和数学分析等方法,挖掘和查摆卫星低气压与真空放电原因,进行风险预评和控制措施设计与验证,结果表明该方法有效可行。

航天供配电系统舵机负载浪涌抑制策略研究

随着航天器供配电系统的快速发展,大功率机电负载的使用逐渐增多,对其负载供电品质的要求也日益严格。针对高压大功率舵机负载工作状态变化大、要求响应快、动态指标高,导致机电舵机负载在工作过程中会频繁出现换向、加减速的工作特点,对电动舵机高速制动过程中产生的反灌能量进行供配电系统影响分析,提出供配电系统反灌浪涌抑制策略,提升供配电系统供电可靠性,确保航天器飞行任务中舵机负载的全程可靠运行。

环月轨道激光无线供电分析

针对月球表面探测器将经历的长达14天的月夜期间的供电需求,在对月球探测特点及激光无线能量传输系统分析的基础上,考虑月球极轨可以实现对于南北极及附近区域每圈轨道均覆盖一次的特点,提出利用运行于月球极轨的激光无线供电系统为极区的月表探测器进行供电的方式。环月轨道器运行轨道选取500 km月球极轨,配置大功率太阳电池阵、大功率激光器、激光发射及光束指向控制装置等。月表探测器安装激光接收装置(激光电池阵),在阴影期通过与环月轨道器可见的弧段利用激光传输获得电能。根据分析,轨道器配置12kW激光器和800mm口径发射光学系统、月表探测器配置4m直径激光电池阵情况下,激光能量传输弧段平均供电功率约为2.7kW,月表探测器平均供电功率可以达到300W,将满足探测器的生存和部分工作需求。

基于壁虎干黏附的刚柔耦合捕获单元力学性能研究

针对空间碎片清除和非合作目标捕获等在轨作业中的空间动态捕获问题,设计了基于壁虎干黏附机制的刚柔耦合黏附捕获单元,实现冲击接触下稳定黏附附着目标面。分析了碰撞黏附过程的动态特性;搭建捕获性能测试装置并测定黏附单元碰撞/脱附力和速度等参数的关系,分析了黏附捕获—剥离的力学特性,并指导微重力环境下黏附捕获的参数设置;最终测试装置在失重飞机上完成了微重力环境下的自主黏附捕获。结果表明:基于干黏附的捕获单元能够满足空间捕获的应用需求。

薄膜电池阵透镜式薄壁支撑杆自展开方法研究

透镜式薄壁杆是空间太阳能电站薄膜电池阵的主支撑杆,目前常用的控制其展开的有源驱动机构的收拢包络及质量均较大。优化支撑结构展开控制方法,提升薄膜电池阵收藏效率,是实现超大型、轻量化空间电站建设目标的重要途径之一。鉴于此,充分利用复合材料薄壁支撑杆的弹性自恢复特性,开展无源自驱动展开方法研究。首先,建立透镜式薄壁杆的仿真模型,分析薄壁杆的压扁与卷绕收拢过程力学响应,得到其收拢后的应力应变数据;然后,选用柔性粘扣作为薄壁杆的展开约束控制单元,通过仿真分析得到其剥离过程的力-位移曲线;最后,采用数据传递方法,建立带预应力的薄壁杆展开动力学模型,并在此基础上构建柔性粘扣模拟单元,分析柔性粘扣的力学性能对薄壁杆展开过程的影响。结果表明,通过调节柔性粘扣连接力,可以实现透镜式薄壁杆的无源自驱动有序展开。薄膜电池阵主支撑结构的无源自驱动有序展开,为进一步降低电池阵机构复杂度与质量、提升收纳比提供了方向指引。

重复使用飞行器分布式连接结构振动及疲劳研究

准确计算重复使用飞行器与发动机之间分布式连接结构的振动特性及疲劳寿命是确保航天运输系统安全运行的前提和基础。以分布式连接结构为研究对象,用实验验证了有限元仿真方法的可行性,从时域和频域探究了分布式连接结构的振动特性,计算了不同工况下分布式连接结构的疲劳寿命。研究结果表明,连接结构滞回曲线的有限元结果与实验结果吻合较好;在不同激励频率的循环载荷作用下,连接螺栓发生应力增长或应力衰减,出现疲劳效应;分布式连接结构在第1、第5阶固有频率处激发较大的响应;降低激励幅度能够极大延长连接结构疲劳寿命,增大螺栓预紧力也能够延长疲劳寿命,但增大激励频率只能够稍微缩短时间寿命,周期寿命仍在同一量级上;引入热和蠕变影响之后,分布式连接结构最多只能承受5次热循环载荷。

超低轨吸气式电推进飞行器维轨关键问题探讨与展望

气动阻力过大导致的轨道快速衰减问题是超低轨飞行器面临的主要挑战,需采用发动机推力进行阻力补偿,而能否产生充足的净推力是超低轨飞行器任务成败的关键.介绍了吸气式电推进飞行器的阻力情况和混合工质离子发动机的推力情况及主要影响要素,提出了有关减少阻力及增加推力的几点建议.基于吸气式电推进飞行器长期维轨及可能的轨道调整需求,建议采取最大净推力及最大推阻比两种构型设计方案.针对空间环境变化带来推力器性能不足的问题,分析了基于蓄电池调节和储气调节这两种方式的优缺点及各自适用范围.就吸气式电推进长期维轨需要的关键技术及涉及的科学问题进行了讨论,并给出了未来研究方向以供参考.