深空探测自主运行的一种可信性技术体系

未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征.本文基于战略导向的体系化基础研究,建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系.分析研究了深空探测场景下的可靠性概念;面向精确感知、最优计算、准确决策、快精准执行的目标要素,提出了深空探测自主运行的可信性体系框架以及“需求-认知-工程”总体技术架构;针对自主运行可信性的关键技术难点,开展了可靠性导向的多物理场、强耦合白盒建模,复杂网络故障传播机制分析,COTS元器件深空探测应用的高可靠保证,以及“模型+数据+知识”一体的融合机制分析等研究.对该技术体系的关键技术验证策略及其最小系统在卫星星座中的应用进行了验证,结果表明,所提出的技术体系具有较高的工程价值.

新时期航天器环境工程面临的挑战与机遇

空间事业的发展对航天器环境工程提出了新挑战,同时也为该专业技术进步和领域延展提供了难得的机遇。近10年来,伴随着载人航天、深空探测等一系列重大航天工程的顺利实施,中国航天器环境工程领域在诸多方面取得了长足进步。文章回顾了中国航天器环境工程的发展历程,围绕中国空间站长期运行、深空探测新任务、低轨巨型星座建设等提出的新需求,分析了航天器环境工程将面对的挑战和必须突破的关键技术。结合具体工作内容介绍了北京卫星环境工程研究所在LEO辐射环境在轨探测与数据应用、特殊空间环境效应与防护、火星探测器特殊力热环境试验技术和航天器产品环境试验ISO标准等方面取得的最新进展。在建设航天强国的过程中,航天器环境工程必将伴随着航天器整体技术的升级实现更高水平的跃迁。

太阳抵近探测计划——观测位置的新突破

太阳抵近探测计划(SCOPE)旨在突破高温和强辐射防护、长距离运载、远距离轨道控制和先进载荷等一系列极限技术,将探测器投送至距太阳中心仅有5个太阳半径的位置上,深入太阳大气层进行探测,研究太阳附近极亮、极热的深空探测“无人区”,在全新的位置上对太阳进行超近距离原位探测和遥感观测,针对磁场和等离子体结构实现空间分辨率优于0.1"的观测。探测器将穿越太阳爆发磁重联电流片,显微观测太阳爆发磁结构,原位探测磁重联电流片、日冕物质抛射与激波以及各类带电粒子,以推动揭示太阳爆发理论机理。探测器将在最靠近太阳的区域显微监测和探测日冕中尺度小于0.1"的纳耀斑、光球中尺度小于0.06"的磁场和速度场结构及其演化特征,确认日冕加热机制;探测太阳风重离子电荷态,确认太阳起源及加速机制。探测器还将在最接近太阳的区域内与原位探测日冕磁场,显微观测太阳极区磁场和等离子体结构和演化特征;揭示太阳附近尘埃分布特征,进入无尘埃区,确定太阳系尘埃盘内边界。困扰太阳物理界近百年的两个科学难题,即太阳爆发机理难题和日冕加热与太阳风加速机理难题,随着该计划的顺利实施将被破解;在最接近日心的位置处实现日冕磁场,包括太阳极区磁场原位探测“0到1”的突破也将实现。本文将介绍SCOPE的背景、科学目标和预期产出、有效载荷以及卫星平台关键技术。

一种基于直流式风洞的火星尘暴模拟装置

为了研究火星表面尘暴环境对探测器及人类活动的影响,研制了一种基于低密度直流式风洞的火星尘暴环境模拟装置:采用超声速引射器作为风洞动力源,结合具备多工况动态调节能力的大抽气量真空系统,实现了引射气量精准调控,可模拟100~1500 Pa低气压下的5~100 m/s大跨度风速;针对低气压下沙尘浓度难以精确控制的问题,采用振动式喂料、逆向螺旋式喷嘴设计以及大周期滞后串级调节方式,实现了0.1~1 g/m^(3)的沙尘浓度精确控制。该装置可用于研究火星尘暴环境对材料和机构的影响,同时还可用于火星气动力研究。

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。

35 K空间深低温热传输系统性能天地差异

为了解决空间红外探测系统的深低温散热问题,保证红外探测器的低温工作环境,基于脉冲管制冷机和深冷环路热管,设计研制了一套35 K温区的深低温获取与热传输集成系统.该系统由一套35 K温区氖工质深冷环路热管、两台35 K温区脉冲管制冷机、一台150 K温区脉冲管制冷机、隔热冷屏、测温/加热组件、控制系统等组成.完成了地面单机级、整星级热真空测试,并于2020年完成空间飞行测试.在地面单机试验中开展了水平姿态和逆重力恶劣姿态下的传热测试,保证了空间微重力下必定能稳定工作;整星级测试验证了系统在卫星平台散热工况下的工作特性,空间飞行测试获得了系统的空间微重力下的工作性能.本文分析了系统在上述不同阶段的热性能,包括超临界启动特性,稳态运行性能等,验证了相关设计的正确性,重点对比了不同阶段的性能差异,分析其可能的原因.

空间生命学科发展战略研究

空间生命学科是一门致力于研究在空间环境条件下生命起源、演化及其分布,生命现象及其规律的学科.该学科从理论和实验两个层面深入探讨生命起源和早期演化机制,同时也探索地外天体生命的宜居性、存在形式等基本科学问题.随着中国空间站、嫦娥工程和天问系列等大科学计划的实施,中国空间生命科学研究进入了一个高速发展阶段.本文对空间生命领域的发展态势进行了梳理,提炼出了中国未来空间生命学科的重点发展领域,并针对学科布局进行优化,旨在推动空间生命科学研究的高质量发展.

微重力下火箭推进系统液氧贮箱内气泡脱离半径研究

研究微重力下液氧贮箱内气泡脱离半径是运载火箭推进系统推进剂在轨沸腾与换热计算的基础.与常重力和低重力环境不同,微重力下Marangoni效应变得突出.为了求解气泡脱离半径,构建包含浮力、惯性力、压差力、表面张力、黏性阻力和Marangoni力的气泡动力学模型.针对现有Marangoni力计算公式适用范围狭窄的问题,依托数值仿真方法,拟合得到了更精确的修正因子计算公式,进而扩充了Marangoni力计算模型的适用范围.使用运载火箭液氧贮箱常规工作压力0.3 MPa下的饱和液氧物性参数,计算得到气泡所受合力随半径的变化关系以及气泡脱离半径随重力的变化关系.结果表明,气泡的脱离行为可以由微重力区、过渡区和低重力区三个区域来划分.微重力区内可以形成厘米级甚至米级的大气泡,而低重力区内只能形成0.1 mm级的小气泡.相比之前的模型,本文模型可以同时适用于三个区,更全面地揭示了微重力下液氧贮箱内的气泡脱离特性,可以为液氧贮箱换热特性分析提供理论支撑.

航天器原子氧通量仿真软件AOFS的验证计算

仿真计算是获得航天器表面原子氧(AO)撞击通量分布情况的重要手段之一。文章首先介绍自主研发的适用于复杂构型航天器AO通量仿真计算的AOFS软件的基本特性;然后利用无遮挡、有遮挡以及多次反射等AO与航天器相互作用的典型测试算例对该软件性能进行验证,并与自由分子流理论解和SYSTEMA软件的计算结果进行对比分析。研究发现:对于无遮挡和有遮挡算例,采用反向射线追踪方法的SYSTEMA软件比AOFS软件具有更好的算法稳定性;而对于多次反射算例,AOFS软件结果和SYSTEMA软件结果差别较大。以上结果可为后续复杂构型航天器AO通量计算软件的研制及验证提供参考依据。

空间站高温材料科学实验系统热控设计及验证

中国空间站高温材料科学实验系统(HTMSES)是中国新一代的可长期在轨运行的综合型多功能空间材料实验装置,其组成复杂、布局紧凑、实验温度高、部组件散热困难,使热控设计难度较大。基于液冷主动控温、辐射间接控温、结构热控一体化协同优化设计等多种思路对热控组件进行设计,有效解决热控难题。利用有限元分析软件计算科学实验系统热设计的温度结果;然后开展加热实验对热设计方案进行验证。数据显示HTMSES在提供材料制备所需要的最严苛实验工况(1200℃)情况下,各关键部件处于友好的温度范围内,其中电机最高温度为42.2℃,编码器最高温度为40.6℃,丝杠最高温度为62.4℃,滑块最高温度为59.6℃,导轨最高温度为57.3℃,科学实验系统皮肤可触及部位最高温度为31.6℃,各温度结果均满足热控指标要求,表明设计方案合理可行,为同类型设备热设计提供了一种设计思路和参考依据。

美国星载边缘探索计算机Spaceborne Computer-2太空应用概况及启发

低成本、高性能、高可靠、智能化以及高实时性是未来太空计算机技术的重要特点。美国Spaceborne Computer-2(SBC-2)星载计算机集低成本、高性能、云端处理、软件抗加等优势于一体,具备星上实时高速计算、极端环境图像处理、故障数据保存和任务恢复等能力,可实现AI检测、太空边缘探索、极端环境预测、星上3D打印等功能。目前该计算机已圆满完成在轨各项测试试验任务,满足在轨实时计算处理、低延时数据传输、故障检测及任务恢复等要求,为太空边缘探索和人工智能应用发展奠定了基础。本文对SBC-2计算机发展现状、应用软件、硬件组成及主要用途进行概述,并初步探讨了其对国内星载高性能计算机发展的借鉴意义。

微米荷电颗粒在光滑玻璃表面沉积实验研究

为分析静电力对荷电月尘在光滑玻璃表面碰撞沉积过程中的影响,建立了荷电微米颗粒碰撞沉积实验系统;考虑极–板电压、颗粒粒径和玻璃试样倾角等影响因素,研究了2~13μm荷电颗粒的光滑玻璃表面沉积机制。实验结果表明:由于静电力作用,相同粒径颗粒的沉积量随极–板电压增大而增加;相同电压下颗粒的沉积量随粒径减小而逐步增大,平均粒径2.15μm的颗粒在14 kV电压荷电状态下,与0 V极−板电压下的沉积量相比增加了114%;相同粒径颗粒的沉积量在极–板电压小于6 kV时随玻璃试样倾角增大而减少;在30°~60°倾角范围内,45°玻璃试样荷电颗粒的沉积量增幅最大。研究结果可为航天探测器月尘防护设计提供参考。

航天医学空间实验研究设计与管理

2022年10月底至11月初,随着“梦天”实验舱的成功发射和对接转位以及“神舟”十四号乘组首次亮相“梦天”实验舱,标志着我国空间站全面建成,中国载人航天进入一个全新的时代。空间站是承载、展示我国航天科技发展实力的重要窗口,更是一个真正独特的研究平台,在空间站上科学实验研究新发现的可能性无穷无尽,有可能为地球上的生命作出更大的贡献,并激励一代又一代的研究人员。充分利用空间站国家级太空实验室平台开展航天医学等科学研究,获取最大的科学回报,是我国空间站及载人航天事业未来发展的重要目标之一。然而,在空间开展航天医学研究受到很多因素的制约。我国自“神舟”六号任务以来,坚持不懈地充分利用各次飞行机会开展航天医学探索,持续积累了航天医学数据成果,探索了独具特色的航天医学研究路径。

白藜芦醇对后肢去负荷雄性大鼠生殖损伤的对抗作用

为研究白藜芦醇对后肢去负荷雄性大鼠生殖损伤的对抗作用,将30只实验雄性大鼠随机分为安慰剂组(placebo control,PC)、后肢去负荷+安慰剂组(hind-limp unloading+placebo control,HU+PC)、后肢去负荷+白藜芦醇给药组(hind-limp unloading+Resveratrol,HU+Res).HU+Res组按隔天30 mg·kg^(–1)的剂量腹腔注射,PC组和HU+Res组腹腔注射等体积生理盐水.28 d后处死所有雄性大鼠,取睾丸和附睾,用于组织病理学检测、组织生化指标检测、组织蛋白表达分析.与PC组相比,HU+PC组雄性大鼠睾丸和附睾重量均显著下降,白藜芦醇可以显著改善这些指标;组织病理学结果显示,HU+PC组雄性大鼠睾丸组织生精上皮层数显著减少,细胞间质面积显著增大,出现明显的水肿,精原细胞数目明显减少,经白藜芦醇处理后,睾丸组织形态有部分恢复;氧化应激与炎症因子水平检测结果显示,与PC组相比,HU+PC组雄性大鼠睾丸组织氧化应激水平失衡,炎症因子水平明显升高,经白藜芦醇处理后,可以明显逆转这一有害情况;Western blot结果显示,白藜芦醇能显著降低HU+PC组大鼠睾丸组织Bax表达水平,提高Bcl-2,p-PI3K/PI3K,p-AKT/AKT表达水平,表明30 mg·kg^(–1)的白藜芦醇可能通过激活PI3K/AKT信号通路发挥对后肢去负荷雄性大鼠生殖损伤的对抗作用.

国际空间站美国太空国家实验室运营与管理研究

国际空间站(International Space Station,以下简称ISS)是人类在近地轨道建造的第十个空间站,同时也是人类有史以来在近地轨道建造的最大飞行器。美国国家航空航天局(以下简称NASA)、俄罗斯国家航天集团公司(Roscosmo)、欧洲航天局(ESA)、日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)、加拿大航天局(CSA)直接参与了国际空间站大型模块的组装和建设。自1993年以来,美国已投入上千亿美元建造以及运营国际空间站,每年投入30亿-40亿美元。

汽车零部件阳光模拟试验方法浅析

随着汽车工业的快速发展,对汽车零部件的质量和性能要求越来越高。为了测试汽车零部件在自然阳光环境下的性能表现,评估其耐候性、耐久性和安全性等方面的性能,阳光模拟试验成为了一种重要的测试方法。本文主要介绍汽车零部件阳光模拟试验的设备结构、测试方法等方面,并依据设备特点着重分析各试验方法的测试要求及试验特点。

长期禁食对尿酸代谢的影响及其调控机制探讨

为研究长期禁食过程中大鼠尿酸代谢的变化及其潜在的调控机制,以Sprague-Dawley(SD)大鼠为动物模型,通过病理组织切片、生化检测、荧光定量PCR(qRT-PCR)以及蛋白免疫印迹(Western blotting)等方法分析不同禁食时间(1,2,3,5,7天)大鼠尿酸水平及其代谢相关基因和蛋白的表达变化。结果表明,长期禁食未对大鼠肾脏组织产生明显的损伤,引起了血尿酸水平上升、尿尿酸水平波动性变化和血液尿酸酶活性升高;随着禁食时间的延长,主要尿酸转运蛋白的mRNA和蛋白表达水平逐渐上调。长期禁食过程中大鼠尿酸代谢变化可能与尿酸转运蛋白及尿酸酶活性有关。

LAMP耦合荧光侧向流层析试纸条的空间微生物快速检测技术

微生物种类及其含量监测是空间站内微生物控制的重要环节。但是空间环境的微重力条件及对资源的条件限制导致地面常规检测实验难以开展,因此在轨微生物检测主要依靠培养法。基于侧流层析试纸条的生物分子识别检测方法具有不受微重力环境影响的优点,耦合荧光检测方法可以达到较高的检测灵敏度,是在轨微生物检测的潜在方法之一。针对空间环境中对航天员生活环境及仪器仪表设备具有潜在危害的微生物,研究了一种基于环介导等温扩增(LAMP)耦合荧光侧流层析试纸条的微生物核酸鉴别技术。研究结果表明,该技术可实现对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等空间站常见有害微生物的高灵敏、高特异性、快速检测,检测时间小于60 min,灵敏度达到100 copy·μL^(–1)。

多体模型分离流动的典型气动干扰形式研究

针对多体模型分离流动干扰机理问题,本文应用高速流场空间与壁面测试技术,对多体模型空中分离时面临的气动干扰问题开展了风洞试验研究。研究结果表明:空中分离流场气动干扰的本质特征源自高超声速流与多体运动界面相互作用的结果,具体表现形式可归结为三种典型气动干扰形式:(1)缝隙流的小尺度效应;(2)激波诱导边界层分离;(3)激波/激波干扰与激波/边界层干扰耦合。三种典型气动干扰形式会因为飞行器相对位置变化而相互转换,从而引起空中分离流场动力学性能变化,进而影响飞行器空中分离的安全性。

基于超高分辨率和超长深度光学相干层析成像技术的悬尾鼠航天相关神经眼综合征研究

为研究航天相关神经眼综合征(SANS)相关特征参数与微重力的相关性,以Sprague-Dawley(SD)大鼠为悬尾动物模型,构建了超长扫描深度的光学相干断层扫描(ULOCT)装置,测量大鼠眼部特征参数(角膜、前房、晶状体厚度和玻璃体腔深度及眼轴长度),以及视网膜超高分辨率(UHROCT)测量装置,测量大鼠眼底亚层结构参数(视神经层、视网膜内层、视网膜外层、脉络膜和巩膜的厚度)。结果表明大鼠悬尾1月后,眼底彩照未见明显视盘水肿等症状,但OCT结果显示大鼠眼结构发生明显改变:角膜变薄(p<0.01),眼轴缩短(p<0.05),视网膜外层变薄(p<0.01)。这些特征参数变化(尤其是眼轴明显缩短)展现了SANS亚临床前期的症状。本文为后续微观层面的SANS分子机制研究提供了宏观动物模型以及在体眼部测量新方法。