航天器推進系統的案例
載人登月航天器推進系統方案選擇分析
摘要:載人登月航天器完成近月制動和著陸下降等空間任務，需要裝載大量推進劑，推進系統方案選擇是航天器總體方案設計優化的重要組成部分。建立了推進系統關鍵組件設計仿真模型，仿真分析了推進系統質量和干重系數隨推進劑裝載量的變化規律，并對比了20 t級載人登月航天器擠壓和泵壓推進系統方案。結果表明:推進系統方案質量與推進劑裝載量有關，推進劑裝載量越大，泵壓推進系統輕量化優勢越大，主要由泵壓系統貯箱質量較輕導致；球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱封頭直徑的技術途徑，橢球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱圓柱段長度的技術途徑；對20 t級載人登月航天器算例進行仿真分析表明，從實現系統輕量化角度出發，宜選用泵壓推進系統方案。
關鍵詞:載人月球探測；航天器；推進系統；仿真分析
1 引言
推進系統是航天器的重要組成部分，為航天器軌道機動和姿態控制提供推力和控制力矩。隨著空間探測任務的日益廣泛，推進系統在航天器中的作用以及質量占比越來越大，推進系統方案和性能的優劣顯著影響航天器設計水平和任務效益[1-3]。航天器通常選用空間應用成熟度高的液體推進系統，液體推進系統按照推進劑輸送方式主要分為擠壓推進系統和泵壓推進系統，擠壓推進系統方案因其系統簡單可靠的突出特點在航天器中應用最廣泛[4-8]。
在載人月球探測任務中，航天器為運送航天員和載荷逃逸出地球完成月球探測和返回，需要裝載大量推進劑為探測任務提供需要的速度增量。推進系統方案選擇需要考慮技術基礎、系統性能、輕量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文從推進系統輕量化角度出發，建立推進系統關鍵組件設計仿真模型，研究分析航天器擠壓和泵壓推進系統質量變化規律、關鍵影響因素及其應用優勢，為載人月球探測航天器推進系統方案選擇提供支撐。
展開 超音速飛機推進系統優化——擴壓器的CFD仿真分析
擴壓器中兩個位置的速度分布圖，其中將模型結果（線）與實驗數據（菱形）進行比較。
總的來說，仿真結果與實驗結果相當一致，這表明 CFD 模塊可以精確地求解高速湍流，包括超音速流動和激波。利用這一功能，工程技術人員可以優化跨音速擴壓器的設計，并增強超音速飛機的推進系統。
來源：COMSOL
帶有3D打印部件的獵戶座載人飛船推進器系統測試成功
Aerojet Rocketdyne 最近完成了增強型反應控制推進器系統的鑒定測試，這個推進器系統將專門用于NASA 獵戶座太空船載人模塊，其中的發動機噴嘴延伸部分是采用3D打印技術制造的。Aerojet Rocketdyne 稱這是有史以來第一次將增材制造的零件安裝在載人航天器上。
圖片來源：engadget
更高設計自由度，縮短制造時間
獵戶座太空飛船是NASA的新型宇宙飛船，是由洛克希德·馬丁公司負責設計和建造的飛船。飛船由兩個飛行器構成，它們分別是：載人探測飛船（CEV）和貨物運載火箭（CLV）。獵戶座飛船內部空間比阿波羅飛船大2.5倍，最多可容納6名宇航員。
Aerojet Rocketdyne 宣布獵戶座太空飛船的反應控制推進器系統測試已獲成功，這意味著飛船的載人模塊能夠安全地重新進入地球大氣層。同時，這次測試的成功也為獵戶座太空飛船做第二次試飛掃平道路。這次測試也是對月軌內空間的第一次任務-探索任務-1（EM-1）。
圖片來源：NASA
在NASA的太空發射系統（SLS）火箭的首次飛行中，獵戶座被發射至月球，反應控制推進器對于獵戶座太空飛船在完成EM-1探索任務后安全返回地球和未來飛行任務都至關重要。
Aerojet Rocketdyne 采用了3D打印/增材制造工藝來制造反應控制推進器系統發動機噴嘴延伸部分。Aerojet Rocketdyne 表示，這些3D打印部件標志著載人航天器將首次使用增材制造的零件。
根據3D科學谷的市場觀察，Aerojet Rocketdyne 采用3D打印技術的原因是為推進器部件獲得更高的設計自由度，并且縮短部件的制造時間。
展開 航天器熱控系統的可靠性設計與分析
針對國內外航天器熱控制、熱管理技術的發展現狀,在詳細調研各種航天器熱控系統組成原理與功能實現方式的基礎上,從可靠性的角度出發,歸納、總結了航天器熱控系統中串聯、并聯、表決、儲備四種常見的可靠性設計模式及其相應的可靠性分析計算模型,介紹了其在空間站、月球探測
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一分鐘讀懂航天器供電系統及實時仿真解決方案
航天器電力系統介紹
航天器電源系統肩負著為航天器整星供電的重任，是航天器系統的關鍵組成，也稱為航天器供配電系統。
一般通用的航天器電源系統如圖1.1所示。雖然下圖并不能完全描述所有的情況，實際中會根據可靠性要求、不同的電壓等級或瞬時功率（或電流）負載的需求、不同的軌道任務需求，會衍生出多個不同架構電源系統，這些不同的架構的電源系統可以單獨使用，可以并聯使用，也可以混合使用，但是各類的電源系統都可以據此電路派生出來的，參考自參考文獻[1]。
圖1.1 基本框架
各部分主要功能：
空間陽照環境：描述環境量的模塊，需要計算出光照強度、太陽光線矢量等。
航天器姿態：需計算出太陽光線矢量、太陽翼對日定向、航天器姿態 三者耦合影響下的遮擋情況、太陽入射角等；
太陽電池陣：根據環境和姿態模塊的計算結果，計算電池陣在某溫度下的發電功率，并傳遞給電源控制器模塊；
電源控制器：采集蓄電池組、輸出端的電信息，計算負載功率需求，依據發電功率對負載、蓄電池的功率進行分配、調度和調節，并在必要時進行分流。
蓄電池組：根據電源控制器的功率調度信息，進行充電或放電。
配電器、負載模型：根據飛行程序的設置，實時模擬出所需的各類負載功率。
展開 VerdeGo Aero公司將研發重點從城市空運飛行器平臺轉向集成分布式混合電推進系統
VerdeGo Aero公司意識到新興的電動垂直起降(eVTOL)市場對推進技術發展的迫切需要，而目前的純電推進技術短期內無法滿足需求，因此決定將重點從平臺研發轉向混合動力系統。
VerdeGo Aero公司創立于2017年12月，位于安柏瑞德航空大學佛羅里達州代托納的MicaPlex孵化器內，由查理·林德伯格（Charles Lindbergh）的孫子埃里克·林德伯格（Erik Lindbergh）成立，長期支持清潔，安靜的電動飛機研制。該公司的聯合創始人還有安柏瑞德航空大學（ERAU）鷹飛行研究中心主任帕特·安德森(Pat Anderson)和埃里克·巴奇(Eric Bartsch)。該公司計劃研發一款雙座eVTOL的PAT200飛機，采用混合電推進來驅動傾轉翼上的8個旋翼。
1、VerdeGo Aero公司計劃開發基于活塞和渦輪的混合推進系統，分別適用于2-3座和5-7座的飛機
目前全球有超過100家公司在研制電動垂直起降飛行器（eVTOL），但林德伯格認為這些項目設計存在缺陷，或是基于無法擴展的飛行縮比模型或是依賴電池技術的設計，而基于全電池推進系統的項目風險非常高。
VerdeGo Aero公司正在開發集成分布式電推進系統(IDEP)，一種端到端的混合動力電推進系統，與當今的技術發展水平相匹配，可給其他飛機制造商提供合適的動力裝置。公司目前重點研究兩種規模的混合IDEP：基于活塞發動機的2-3座飛機和基于渦輪發動機的5-7座飛機。
該系統具有多個推進器，既可提供推進也可用于控制。較小的IDEP-H2基于一個或兩個活塞發動機，產生200-325馬力，驅動一個或兩個發電機和4-8個螺旋槳。較大的IDEP-H7具有500-800馬力的渦輪發動機。
展開 清華大學——航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
航天器熱控和環境控制生命保障系統熱網的優化
任健勛 張信榮 陳澤敬 梁新剛 清華大學工程力學系
摘要：為了對航天器熱控、環境控制生命保障系統進行減輕質量化研究，建立其熱網絡優化模擬的試驗系統，研究不同布局下熱網絡工作特性，以尋求熱網絡中熱組件布局對系統質量的影響規律。實驗結果表明：熱組件布局方式對系統換熱有明顯影響；熱組建的優化布局能使系統質量下降，其幅度與平均換熱溫差有關。實驗結果同理論分析及數值模擬結果相吻合。
關鍵詞：航天器熱控系統，環控生保，傳熱，熱網絡，優化
內容簡介：
1 實驗原理及系統
1.1 實驗原理
1.2 實驗系統
2 實驗過程
3 數據處理及誤差分析
3.1 模擬熱組件的換熱量
3.2 傳熱系數K
3.3 換熱面積及質量推算
4 實驗結果分析
4.1 換熱實驗結果
4.2 輕量化分析
5 結論
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展開 別人試驗靠理論，電機試驗平臺，才是實測硬底氣
在航空航天領域，可搭建真空環境，驗證特種電機在端條件下的運行穩定性，為航天器推進系統提供數據支撐；在工業生產領域，可模擬突變負載、連續運轉等工況，測試電機的耐久性與抗干擾能力，避免因理論與實際脫節導致的設備故障。這種“還原真實場景”的測試能力，是理論試驗永遠無法企及的核心競爭力，也是電機試驗平臺成為“實測硬底氣”的關鍵所在。
高精度的測量與分析，讓實測數據更具權威性。電機試驗平臺依托HT300/400高強度鑄鐵打造的高剛性基座，搭配高精度扭矩/轉速傳感器、寬頻采樣模塊，能夠有效減少電機高速運轉帶來的振動干擾，確保測量精度；同時，其集成的智能分析系統，可同步采集電壓、電流、功率、溫升、振動、噪聲等全項參數，自動生成標準測試報告，實時預警異常數據，甚至通過數字孿生技術提前規避測試風險。
理論是電機研發的基石，卻終究存在“理想化偏差”。無論是三相異步電機的T形等效電路計算，還是永磁同步電機的性能預測，理論模型往往會忽略實際運行中的諸多變量：機械損耗、電磁干擾、環境溫度波動、零部件裝配偏差等，這些被忽略的細節，恰恰是決定電機能否穩定運行的關鍵因素。
電機試驗平臺，本質上是電機的“綜合體檢”，更是實測硬底氣的核心來源。它并非簡單的“通電測試”，而是一套集機械支撐、電氣測量、數據采集、智能分析于一體的綜合系統，能夠模擬電機在各種復雜工況下的運行狀態，精捕捉每一個關鍵性能指標，為電機的研發優化、生產質控、合規認證提供無可替代的實測依據。相較于單純的理論試驗，電機試驗平臺的核心優勢，在于“真實、精、”，在于能把抽象的理論參數，轉化為可落地、可驗證、可優化的實測數據。
全生命周期的覆蓋，讓實測底氣貫穿始終。
展開 電機試驗平臺：從研發到質檢，一臺平臺搞定電機全測試
故障模擬 + 精和準診斷校準
支持復刻電機堵轉、缺相、絕緣老化等常見故障，校驗電機保護系統響應速度、故障預警精和準度，多用于電機維修定損、故障診斷設備標定。
動態適配兼容性測試
實測電機動態負載下的瞬時響應能力，同步驗證電機與控制器、減速器的匹配適配度，核心應用于新能源整車驅動系統、精和密傳動設備聯合測試。
硬核關鍵技術參數
平面度：≤0.05mm/m，杜絕臺面傾斜引發安裝偏差，保障扭矩、同軸度測試零誤差
T 型槽精度：槽寬公差 ±0.02mm，槽間距公差≤0.03mm，牢牢鎖定設備安裝同軸精度
抗震穩定性：高剛性本體，測試振幅≤0.01mm，杜絕振動形變干擾實驗數據
承載范圍：常規 500kg~100t，可按需定制適配輕重型各類電機測試
細分應用場景
? 新能源汽車領域
搭配扭矩傳感器、高低溫環境艙（-40℃~125℃），完成驅動電機效率、制動性能、NVH 噪音振動全項測試，多選用高精和密花崗巖材質平臺。
? 工業電機量產質檢
鑄鐵經典款平臺適配批量檢測，快速核驗三相異步電機空載電流、堵轉扭矩等標配參數，保障出廠整機合規達標。
? 航空航天特種研發
定制真空適配款平臺，可模擬真空、高溫相當端環境，測試特種電機運行穩定性，為航天器推進系統研發提供核心實測數據。
展開 借助轉子動力學分析評估渦輪增壓器設計
但渦輪增壓器的真正功能不是提升精神，而是提升速度；不是在清晨的咖啡杯中，而是在內燃機中發揮作用。渦輪增壓器利用渦輪實現強制進氣，它通常使用流體動力軸承作為支撐。然而，軸承會自然產生可導致負阻尼和系統故障的交叉耦合軸承力。借助轉子動力學建模，你可以分析交叉耦合軸承力給渦輪增壓器設計帶來的影響。
什么是渦輪增壓器？
渦輪增壓器通過迫使額外的空氣進入發動機燃燒室來增加內燃機的效率和功率輸出。這種裝置通常應用于基本交通運輸方式中，例如汽車（包括燃氣動力和柴油車）和摩托車，也應用于大型的交通工具，例如火車、輪船、飛機和航天器。
航天器推進系統中的渦輪增壓器的剖面圖。圖片由 Quentin Schwinn（美國宇航局）提供，此作品在美國處于公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
在發動機系統中，支撐渦輪增壓器的流體動力軸承中存在的交叉耦合力在轉子中通常起負阻尼作用。負阻尼會增加軸承失效的風險，實際上整個系統的故障風險都會增大。如果車輛發動機中的渦輪增壓器發生故障，汽車可能會起火。
為了設計能夠平穩運行的渦輪增壓器，你可以使用“轉子動力學模塊”進行轉子動力學分析，此模塊屬于“結構力學模塊”和 COMSOL Multiphysics? 軟件的附加產品。
COMSOL? 軟件中適用于渦輪增壓器設計的 2 種研究
該示例中的簡單渦輪增壓器模型包含一個渦輪機、一個壓縮機和兩個流體動力軸承：
“轉子動力學模塊”提供了兩個專用于渦輪增壓器建模的功能，方便用戶創建幾何模型以及物理場和研究設置。
適用于渦輪增壓器模型的兩種轉子動力學研究。
此教學模型包括兩個研究：
特征頻率分析
頻率響應分析
根據這些研究結果，你可以深入了解渦輪增壓器的設計和運行條件，例如角速度和阻尼。
展開 電機技術干貨：振動原因一網打盡，扁線繞組成新能源工業新寵
</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">4、航空航天與特種領域</strong></p><p>1）. 航空航天電機</p><p>場景：飛機電傳操縱系統電機、衛星姿態控制電機、航天器推進系統電機。</p><p>優勢：高可靠性（扁線繞組結構更穩固，抗振動能力強）、輕量化（符合航空減重要求），如部分無人機和輕型飛機的驅動電機已采用扁線技術。</p><p>2）. 特種裝備</p><p>場景：艦艇推進電機、軌道交通牽引電機（如高鐵輔助供電系統電機）、軍工設備驅動電機。</p><p>優勢：耐高負荷、抗干擾能力強，滿足特種環境下的長期穩定運行需求。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">5、新興應用方向</strong></p><p>1）. 氫燃料電池壓縮機電機</p><p>場景：氫燃料電池系統的高轉速壓縮機（轉速可達10萬轉/分鐘以上），如豐田Mirai、現代NEXO的燃料電池系統。</p><p>優勢：扁線繞組的高功率密度和散熱性適配高轉速壓縮機。</p><p>2）. 儲能系統用電機</p><p>場景：儲能變流器（PCS）的驅動電機。</p><p>優勢：提升能量轉換效率，降低儲能系統整體損耗。</p><p><strong style="background-color: rgb(253, 198, 32);">6、未來趨勢</strong></p><p>隨著扁線繞組制造工藝（如發卡成型、焊接技術）的成本下降，其應用將向更多中小功率場景滲透，如兩輪電動車、智能家居等領域。扁線繞組的核心適配場景將不斷擴大，推動更多行業的技術進步和產業升級。
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我國氫燃料電池要攻關哪些核心材料和技術？
研究表明，氫能及氫燃料電池技術有望大規模應用在汽車、便攜式發電和固定發電站等領域，也是航空航天飛行器、船舶推進系統的重要技術備選方案，但面臨低生產成本（電解質、催化劑等基礎材料）、結構緊湊性、耐久性及壽命三大挑戰。美國能源部燃料電池技術項目研究認為，燃料電池電動汽車是減少溫室氣體排放、降低石油使用量的最有效路徑之一，隨著技術進步，全過程生產成本和氫燃料成本將與其他類型車輛及燃料相當。優化系統控制策略、開發催化劑及其抗腐蝕載體等新型基礎材料，是提高系統耐久性和壽命、進而促成氫燃料電池技術大規模商業化應用的有效路徑。近期的綜述性研究工作，報道了氫燃料電池系統在雙極板、氣體擴散層、催化劑、膜電極、流場設計與分析等材料或組件方面的新進展。
我國提出了將于2030年實現碳達峰、2060年實現碳中和的發展愿景。積極發展氫能，引導高碳排放制氫工藝向綠色制氫工藝轉變，是能源革新發展，實現碳達峰、碳中和的重要舉措。氫能將是我國能源領域的戰略性新興產業，氫燃料電池技術是實現氫能利用的先決條件。
為了促進我國氫燃料電池技術產業鏈的全面發展，本文依托中國工程院咨詢項目的支持，分析國內外氫燃料電池技術關鍵材料、核心組件的研發與應用現狀，凝練我國發展氫燃料電池技術面臨的問題，梳理未來相關技術發展方向并提出保障措施建議，以期為行業技術發展提供基礎性參考。
二、氫燃料電池技術體系及發展現狀
氫燃料電池與常見的鋰電池不同，系統更為復雜，主要由電堆和系統部件（空壓機、增濕器、氫循環泵、氫瓶）組成。
電堆是整個電池系統的核心，包括由膜電極、雙極板構成的各電池單元以及集流板、端板、密封圈等。
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