航天器
關(guān)注創(chuàng)建者：仇胭 創(chuàng)建時(shí)間：2017-01-17
航天器的視頻教程
衛(wèi)星-航天器-結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析系列教程
詳細(xì)講述衛(wèi)星-航天器-結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真分析系列教程
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ANSYS新版本功能速遞: HFSS微放電仿真
在軌航天器上，微放電效應(yīng)引發(fā)的故障是瞬間突發(fā)性，常常是災(zāi)難性的硬故障，很難或不可能在軌修復(fù)和更換，因此，微放電效應(yīng)的分析和預(yù)防，對(duì)航天器的微波系統(tǒng)非常重要。 HFSS軟件一直致力于高頻電磁場(chǎng)方面的研發(fā)和應(yīng)用，基于其全方面的底層求解器能力，得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可。
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如何運(yùn)用增材(3D打印)思維優(yōu)化設(shè)計(jì)
希望對(duì)增材制造應(yīng)用有了解的用戶②希望了解如何在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)用增材制造優(yōu)勢(shì)加快產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和提升產(chǎn)品性能的專業(yè)用戶（工程師，設(shè)計(jì)師，操作員，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)和管理者等） 如何運(yùn)用增材思維優(yōu)化設(shè)計(jì)【已結(jié)束】 直播時(shí)間：2019-12-17 19:30 課程大綱： 增材制造技術(shù)簡(jiǎn)介 應(yīng)用案例剖析—用于航天器的鈦鑲件
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航天器的實(shí)例教程
摘要:載人登月航天器完成近月制動(dòng)和著陸下降等空間任務(wù)，需要裝載大量推進(jìn)劑，推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇是航天器總體方案設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要組成部分。建立了推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)仿真模型，仿真分析了推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量和干重系數(shù)隨推進(jìn)劑裝載量的變化規(guī)律，并對(duì)比了20 t級(jí)載人登月航天器擠壓和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)方案。結(jié)果表明:推進(jìn)系統(tǒng)方案質(zhì)量與推進(jìn)劑裝載量有關(guān)，推進(jìn)劑裝載量越大，泵壓推進(jìn)系統(tǒng)輕量化優(yōu)勢(shì)越大，主要由泵壓系統(tǒng)貯箱質(zhì)量較輕導(dǎo)致；球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱封頭直徑的技術(shù)途徑，橢球形封頭貯箱輕量化可采用增加貯箱圓柱段長(zhǎng)度的技術(shù)途徑；對(duì)20 t級(jí)載人登月航天器算例進(jìn)行仿真分析表明，從實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化角度出發(fā)，宜選用泵壓推進(jìn)系統(tǒng)方案。
關(guān)鍵詞:載人月球探測(cè)；航天器；推進(jìn)系統(tǒng)；仿真分析
1 引言
推進(jìn)系統(tǒng)是航天器的重要組成部分，為航天器軌道機(jī)動(dòng)和姿態(tài)控制提供推力和控制力矩。隨著空間探測(cè)任務(wù)的日益廣泛，推進(jìn)系統(tǒng)在航天器中的作用以及質(zhì)量占比越來越大，推進(jìn)系統(tǒng)方案和性能的優(yōu)劣顯著影響航天器設(shè)計(jì)水平和任務(wù)效益[1-3]。航天器通常選用空間應(yīng)用成熟度高的液體推進(jìn)系統(tǒng)，液體推進(jìn)系統(tǒng)按照推進(jìn)劑輸送方式主要分為擠壓推進(jìn)系統(tǒng)和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)，擠壓推進(jìn)系統(tǒng)方案因其系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠的突出特點(diǎn)在航天器中應(yīng)用最廣泛[4-8]。
在載人月球探測(cè)任務(wù)中，航天器為運(yùn)送航天員和載荷逃逸出地球完成月球探測(cè)和返回，需要裝載大量推進(jìn)劑為探測(cè)任務(wù)提供需要的速度增量。推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇需要考慮技術(shù)基礎(chǔ)、系統(tǒng)性能、輕量化、可靠性和安全性等因素[9-14]。本文從推進(jìn)系統(tǒng)輕量化角度出發(fā)，建立推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵組件設(shè)計(jì)仿真模型，研究分析航天器擠壓和泵壓推進(jìn)系統(tǒng)質(zhì)量變化規(guī)律、關(guān)鍵影響因素及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，為載人月球探測(cè)航天器推進(jìn)系統(tǒng)方案選擇提供支撐。
展開 圖3.1 功率硬件在環(huán)仿真框圖
功率硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片如下圖所示，下圖左上方的白色機(jī)箱是實(shí)時(shí)仿真器，它的MCU上實(shí)時(shí)運(yùn)行著航天器主電路的數(shù)學(xué)模型；下方的機(jī)箱是功率接口（北京博電自主開發(fā)的PI系列模塊化功率平臺(tái)），右方是替代航天器負(fù)載模型的實(shí)際負(fù)載，它隨著航天器在太空的運(yùn)行狀態(tài)而時(shí)刻改變。實(shí)時(shí)仿真器和實(shí)際負(fù)載通過功率IO物理互聯(lián)。
圖3.2 航天器電力系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真實(shí)物圖
航天器電力系統(tǒng)功率硬件在環(huán)仿真結(jié)果
下圖4.1示波器圖形是采集到的輸入航天器負(fù)載的電流波形，可以看到在航天器負(fù)載變化的情況下，流入負(fù)載真實(shí)電流的情況，該波形與離線仿真波形相吻合。
圖4.1 硬件在環(huán)仿真結(jié)果（輸入電流波形）
下圖4.2示波器圖形是采集到的輸入航天器負(fù)載兩端的電壓波形，可以看到在航天器負(fù)載根據(jù)用戶指定負(fù)載的功率曲線變化的情況下，電源系統(tǒng)控制器算法發(fā)揮作用，使得電壓保持在一定范圍以內(nèi)波動(dòng)。對(duì)比離線仿真結(jié)果，離線仿真結(jié)果過于理想化，該波形更接近真實(shí)情況。
展開 在太空中，沒有保護(hù)航天器免受輻射的大氣層。輻射產(chǎn)生的電荷無法消散，因?yàn)?em>航天器沒有接地。因此，航天器設(shè)計(jì)必須適當(dāng)?shù)販p輕航天器表面和內(nèi)部組件的電荷積累和耗散。
圖 1：人類太空艙在地球靜止軌道 (GEO) 環(huán)境中的 EMA3D Charge 充電模擬
當(dāng)電荷積累時(shí)，它會(huì)感應(yīng)電場(chǎng)。電場(chǎng)的強(qiáng)度可能超過空氣、塑料或電介質(zhì)的擊穿極限并導(dǎo)致靜電放電 (ESD)。放電造成的損害可能導(dǎo)致任務(wù)完全失敗。
ADEOS-II——一項(xiàng)耗資 5.67 億美元的任務(wù)——于 2003 年 10 月因太陽(yáng)能電池陣列中的電弧危害而失敗。而這次失敗并非孤立事件。大約50%的空間環(huán)境航天器異常是由航天器充電效應(yīng)引起的。1
圖 2：航天器充電中涉及的物理過程的概念圖。
NASA 和 ESA 制定了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以先發(fā)制人地緩解這些航天器充電問題。對(duì)于私營(yíng)部門而言，滿足這些標(biāo)準(zhǔn)可能既昂貴又耗時(shí)。突破設(shè)計(jì)極限需要精確的充電仿真工具，例如 Ansys EMA3D Charge。
表面充電
圖 4：上圖是人類太空艙表面充電模擬的結(jié)果。在航天器周圍的 3D 時(shí)域中監(jiān)測(cè)電場(chǎng)。下面是太陽(yáng)光照對(duì)月球著陸器高分辨率網(wǎng)格的影響。
表面充電來自材料對(duì)外部輻射的反應(yīng)，例如環(huán)境帶電粒子、光照明和摩擦起電。材料對(duì)充電效應(yīng)的響應(yīng)取決于材料的特性。產(chǎn)生的光電子、二次電子、背散射電子和質(zhì)子誘導(dǎo)電子與電場(chǎng)相互作用形成等離子體鞘層。在某些航天器軌道環(huán)境中，等離子體的表面電勢(shì)可能超過 10 kV。通過求解電荷平衡，EMA3D Charge 提供了分析航天器表面電荷的方法。
在前往月球的途中，航天器將根據(jù)其轉(zhuǎn)移軌道遇到不同規(guī)模的表面充電效應(yīng)。地球靜止軌道 (GEO)、低地球軌道 (LEO)、極地軌道、極光軌道和月球軌道都將具有設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中定義的不同等離子體環(huán)境。
展開 航天器燃料箱中的燃料晃動(dòng)有可能會(huì)改變質(zhì)心。這將影響航天器精心計(jì)算的機(jī)動(dòng)操作（其能夠精確指揮到特定地面位置的傳感器）。在航天器研發(fā)早期階段，空客工程師使用流固耦合仿真來評(píng)估一款提議的彈性膜能否最大限度減少燃料晃動(dòng)對(duì)質(zhì)心的影響。
航天器的典型任務(wù)包括監(jiān)測(cè)天氣與環(huán)境，例如植被、大氣氣體、海洋條件和冰原的變化，以及開展地形測(cè)繪?？湛蛧?guó)防和宇航部門是這一領(lǐng)域的公認(rèn)領(lǐng)先者，其提供的完整解決方案能夠用于：提高安全性、提升農(nóng)業(yè)績(jī)效、最大限度提高油氣和采礦作業(yè)、改善自然資源管理、通過監(jiān)測(cè)森林砍伐和碳排放來保護(hù)環(huán)境。
姿態(tài)控制尤其重要，因?yàn)?em>航天器往往要負(fù)責(zé)觀測(cè)地面上的特定固定點(diǎn)。為觀測(cè)不同位置或?qū)⑻炀€指向地面站以傳輸采集到的數(shù)據(jù)，航天器的姿態(tài)會(huì)經(jīng)常發(fā)生變化。姿態(tài)控制系統(tǒng)(ACS)通常依靠控制力矩陀螺儀和反作用輪，以及太陽(yáng)能電池板提供的電力進(jìn)行較小的姿態(tài)機(jī)動(dòng)。在進(jìn)行大型機(jī)動(dòng)時(shí)，則使用需要推進(jìn)劑的推進(jìn)器?？刂屏赝勇輧x和反作用輪使用的算法需要準(zhǔn)確知曉航天器的質(zhì)心。但當(dāng)航天器開始移動(dòng)時(shí)，液體燃料會(huì)在燃料箱內(nèi)部晃動(dòng)，改變質(zhì)心并對(duì)燃料箱的壁面產(chǎn)生作用力，以抵消控制力矩陀螺儀和反作用輪的作用。
航天器經(jīng)常使用補(bǔ)救措施來減輕晃動(dòng)，從而使航天器能夠在允許的姿態(tài)窗口內(nèi)部受控。一種方法是使用物理障礙，例如擋板或隔艙來控制晃動(dòng)。另一種方法是使用彈性膜將燃料箱隔離成兩個(gè)隔艙，一個(gè)裝滿燃料，另一個(gè)充滿壓縮空氣，從而抑制晃動(dòng)。
航天器設(shè)計(jì)人員必須確定是否需要補(bǔ)救措施來滿足姿態(tài)控制規(guī)范，如果需要的話，還應(yīng)找到一種能夠以最低成本和重量代價(jià)滿足規(guī)范的方法。物理試驗(yàn)幾乎不可能測(cè)量失重狀態(tài)下的晃動(dòng)，而且成本極為高昂?？湛凸こ處煕Q定在設(shè)計(jì)周期早期階段使用仿真來評(píng)估彈性膜的性能，因?yàn)楸M早進(jìn)行設(shè)計(jì)修改比后期修改的成本更低一些。
展開 美國(guó)宇航局（NASA）計(jì)劃于美國(guó)東部時(shí)間8月12日凌晨3時(shí)33分（北京時(shí)間8月12日下午3點(diǎn)31分）發(fā)射“帕克”號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器。探測(cè)器飛行7年后將抵達(dá)太陽(yáng)的日冕層，這將是人造航天器首次抵達(dá)恒星的大氣層。
NASA將發(fā)射人類首顆“帕克”號(hào)太陽(yáng)探測(cè)器，探測(cè)器飛行7年后將抵達(dá)太陽(yáng)的日冕層 本文圖均為視覺中國(guó) 圖
美國(guó)宇航局11日發(fā)布消息稱，“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器將由美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“德爾塔”-4重型火箭于12日凌晨在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空。該探測(cè)器原計(jì)劃10日發(fā)射，但臨近原定發(fā)射時(shí)間，美國(guó)宇航局還在進(jìn)行故障評(píng)估，發(fā)射時(shí)間數(shù)次推遲，最終錯(cuò)過了最佳發(fā)射窗口時(shí)間并取消了當(dāng)天的發(fā)射任務(wù)。美國(guó)宇航局并沒有對(duì)此次任務(wù)的取消做解釋，只是在推特上宣布了這個(gè)消息，并表示發(fā)射日期推遲到11日。
“帕克”太陽(yáng)風(fēng)探測(cè)器任務(wù)由約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室制造，由美國(guó)宇航局負(fù)責(zé)管理。
據(jù)美國(guó)科技網(wǎng)站The Verge報(bào)道，“帕克”探測(cè)器若成功發(fā)射并抵達(dá)工作軌道，其“逐日之旅”將創(chuàng)造三項(xiàng)人造航天器歷史。
一是“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器將成為人類有史以來飛行速度最快的航天器。由于探測(cè)器需要抵抗地球太陽(yáng)之間的引力，借用金星的引力，逐漸接近太陽(yáng)?？茖W(xué)家將航天器的速度提升至最高速度達(dá)每小時(shí)50萬(wàn)英里（約為80.46萬(wàn)千米），相當(dāng)于只需不到一分鐘的時(shí)間可從芝加哥到北京。
在“帕克”太陽(yáng)探測(cè)器發(fā)射成功之前，世界上飛行速度最快的航天器是“新視野”號(hào)冥王星探測(cè)器。
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航天器的最新內(nèi)容
在國(guó)防穿甲爆破、航空航天器外殼受撞擊、汽車高速碰撞以及工業(yè)上的金屬切削加工等極端工況下，金屬材料在極短時(shí)間內(nèi)會(huì)發(fā)生巨大的變形，并且伴隨著由于劇烈摩擦和變形產(chǎn)生的局部高溫。傳統(tǒng)的彈塑性模型無法準(zhǔn)確模擬這種“又快、又熱、變形又大”的極端物理過程，而 JC 模型正是為了破解這些高能耗、高破壞性的力學(xué)難題而誕生的。
深空探測(cè)與航天工程：為航天器“精準(zhǔn)導(dǎo)航”
在載人航天與月球探測(cè)任務(wù)中，激光測(cè)距技術(shù)是航天器精密定軌與著陸導(dǎo)航的核心保障。例如，我國(guó)嫦娥系列探測(cè)器的月球著陸任務(wù)中，激光測(cè)距技術(shù)提供的厘米級(jí)軌道數(shù)據(jù)，確保了探測(cè)器精準(zhǔn)著陸于預(yù)定區(qū)域；未來我國(guó)國(guó)際月球科研站的建設(shè)，也將依賴激光測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)月球基地與地球之間的精準(zhǔn)定位與通信。
在航空航天領(lǐng)域，可搭建真空環(huán)境，驗(yàn)證特種電機(jī)在端條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性，為航天器推進(jìn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，可模擬突變負(fù)載、連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)等工況，測(cè)試電機(jī)的耐久性與抗干擾能力，避免因理論與實(shí)際脫節(jié)導(dǎo)致的設(shè)備故障。這種“還原真實(shí)場(chǎng)景”的測(cè)試能力，是理論試驗(yàn)永遠(yuǎn)無法企及的核心競(jìng)爭(zhēng)力，也是電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)成為“實(shí)測(cè)硬底氣”的關(guān)鍵所在。
高精度的測(cè)量與分析，讓實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更具權(quán)威性。
? 航空航天特種研發(fā)
定制真空適配款平臺(tái)，可模擬真空、高溫相當(dāng)端環(huán)境，測(cè)試特種電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，為航天器推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)提供核心實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
課程主題：蜂窩結(jié)構(gòu)自動(dòng)建模與靜力分析
直播時(shí)間：3月25日（周三）晚20:00
報(bào)名方式：掃描文末二維碼，入群預(yù)約
課程核心內(nèi)容：
? 蜂窩結(jié)構(gòu)參數(shù)化幾何建模思路
? 蜂窩芯Python語(yǔ)言自動(dòng)生成
? 蜂窩結(jié)構(gòu)整體靜力分析
講師介紹：
兵哥講力學(xué) | 北京航空航天大學(xué)飛行器設(shè)計(jì)博士
切削液的主要應(yīng)用行業(yè)解析2個(gè)月前
該行業(yè)以鈦合金、高溫合金、高強(qiáng)度鋁合金等難加工材質(zhì)的精密加工為主，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、航天器精密結(jié)構(gòu)件、航空緊固件的切削與磨削，加工工況復(fù)雜、精度要求極高，切削液需具備超強(qiáng)抗磨性、高溫穩(wěn)定性和良好的防銹性，既能滿足高負(fù)荷加工的潤(rùn)滑冷卻需求，又能避免精密部件出現(xiàn)腐蝕、表面劃傷等問題，保障航空航天產(chǎn)品的品質(zhì)與安全性。 電子電器制造行業(yè)以精密小件加工為主，切削液的應(yīng)用側(cè)重清潔性與防銹性。
激光雷達(dá)超遠(yuǎn)距離測(cè)距技術(shù)2個(gè)月前
若要在更遠(yuǎn)的距離上實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接功能，則必須借鑒雙向單程的星間測(cè)距原理，在目標(biāo)航天器上安裝合作目標(biāo)雷達(dá)，完成雙向測(cè)距。由于兩對(duì)接航天器處于高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這就給激光捕獲跟蹤和高精度測(cè)距帶來挑戰(zhàn)。
重點(diǎn)研究將激光通信測(cè)距一體化技術(shù)應(yīng)用于激光交會(huì)對(duì)接雷達(dá)中，在不改變?cè)欣走_(dá)主機(jī)架構(gòu)和信號(hào)體制下，實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離高動(dòng)態(tài)合作目標(biāo)的通信測(cè)距功能。將分析測(cè)距原理，給出速度、時(shí)鐘性能等因素對(duì)測(cè)距誤差的影響。
基于GROMACS的冰的拉伸分子動(dòng)力學(xué)模擬2個(gè)月前
Sophia
關(guān)鍵詞：GROMACS；冰；拉伸; 分子動(dòng)力學(xué)模擬
冰（尤其是六方冰?Ih）的微觀力學(xué)性能直接影響到極地工程、寒區(qū)交通、冷熱循環(huán)材料以及航空航天器在超低溫環(huán)境中的安全與可靠性。傳統(tǒng)宏觀實(shí)驗(yàn)很難捕獲納米尺度下冰的裂紋萌生與氫鍵斷裂細(xì)節(jié)，而分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬恰能在原子層面揭示這些本質(zhì)機(jī)理。
探索熱輻射—紅外發(fā)射率測(cè)量?jī)x3個(gè)月前
它廣泛應(yīng)用于輻射測(cè)量領(lǐng)域，為輻射研究提供精確的數(shù)據(jù)支持；在材料檢測(cè)方面，助力科研人員深入了解材料特性；于醫(yī)療健康領(lǐng)域，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供可靠依據(jù)；在節(jié)能建材行業(yè)，有助于開發(fā)高效節(jié)能的建筑材料；在隱身偽裝方面，為軍事和安全領(lǐng)域提供關(guān)鍵技術(shù)支撐；在航空航天領(lǐng)域，保障航空航天器材料的性能符合嚴(yán)苛要求。
激光測(cè)距技術(shù)應(yīng)用—太空探索3個(gè)月前
深空探測(cè)與航天工程：為航天器“精準(zhǔn)導(dǎo)航”</strong></h1><p class="ql-align-justify">在載人航天與月球探測(cè)任務(wù)中，激光測(cè)距技術(shù)是<strong>航天器精密定軌與著陸導(dǎo)航的核心保障</strong>。
