航天器(spacecraft)：又称空间飞行器、太空飞行器。按照天体力学的规律在太空运行，执行探索、开发、利用太空和天体等特定任务的各类飞行器。至今，航天器基本上都在太阳系内运行。美国1972年3月发射的“先驱者10号”探测器，在1986年10月越过冥王星的平均轨道，成为第一个飞出太阳系的航天器。以下是店铺今天为大家精心准备的：论新型航天器发展对力学学科的挑战相关论文。内容仅供参考，欢迎阅读! 论新型航天器发展对力学学科的挑战全文如下：
回顾人类追求飞天梦想的发展历程, 航天科技与力学相互依赖、相互促进、相辅相成. 一方面, 航天科技的发展, 如航天器的设计、研制、试验、发射、飞行和返回全过程均涉及到各类力学问题, 极大地促进了相关力学学科理论和方法的进步; 另一方面,力学是支撑航天技术发展的重要基础学科, 随着研究手段和解决问题的能力增强、范围加宽、方法完善,为众多航天工程技术问题的解决、航天科技的快速发展做出了重要贡献. 航天科技与力学学科的这种相互支撑关系, 不仅体现在一大批广为人知的伟大力学家, 如开普勒、牛顿、齐奥尔科夫斯基、钱学森等,所发展的力学理论为航天科技的发展奠定了理论基础, 而且航天科技的发展又进一步推
动了固体力学、流体力学、计算力学、试验力学及其交叉学科的发展与进步. 实际上, 航天领域所取得举世瞩目的里程碑式成就, 如V2 火箭、地球卫星、航天飞机、登月航天器、空间站等, 无不明显地体现出力学助推航天发展、航天发展牵引力学进步.
进入21 世纪以来, 为更好地执行深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务, 国内外提出和发展了一系列有别于传统的新型航天器概念和技术.这类新型航天器所面临的服役环境更为苛刻, 需要的结构效率和可靠性更高, 抵抗极端空间环境的能力更强, 姿态和型面控制精度更精确, 且最大可能满足长寿命和低成本要求, 从而给结构动力学、高温固体力学、高超声速空气动力学、计算力学、多学科交叉等领域带来新的应用挑战. 只有突破和解决这些问题, 才能适应新时代航天器的发展特点与趋势, 进一步通过自主创新的方式研制和发展新型航天器.
1 新型航天器技术特点与研制难点
随着航天科技的快速发展, 为满足越来越多样化的任务需求, 一系列新型航天器应运而生. 这些新型航天器或者是基于现有航天器技术演变, 或者是一种全新的设计概念. 本文重点对重型运载火箭、大型变结构空间飞行器、可重复使用运载器及临近空间高超声速飞行器4 类
典型新型航天器进行阐述.
1.1 重型运载火箭
为了满足未来深空探测、载人登月/登陆火星等重大工程的需求, 世界主要航天国家争相发展LEO(low earth orbit)运载能力达百吨级以上的重型运载火箭. 与常用运载火箭相比, 以航天系统为代表的重型运载火箭在充分继承现有技术的基础上, 具有如下特点:
(1) 结构尺寸大. 常用运载火箭的芯级直径一般在3~5 m, 总长30~60 m; 而重型火箭的芯级直径在10 m左右, 总长在百米左右.
(2) 起飞重量大. 常用运载火箭的起飞重量通常在几百吨, 起飞推力也是数百吨; 而重型运载火箭的起飞重量大多在2000 吨(1 吨=1000 kg)以上, 起飞推力则在2500 吨以上. (3) 力学环境复杂. 重型运载火箭由气动载荷、过载、噪声、振动、冲击形成的综合载荷量级有较大提升, 一般情况下是常用运载火箭的1.5~2 倍.
重型运载火箭由于具有上述技术特点, 因此在工程研制中将面临一系列技术难题, 主要表现在:
(1) 载荷路径传递规划难. 由于重型运载火箭质量规模大、飞行静态载荷高, 因此发动机的大推力需通过合理规划载荷路径, 以实现不同结构部段之间的有效传递, 并使机架、尾段和捆绑连接点等应力集中位置的应力得到有效扩散.
(2) 结构轻量化设计难. 重型运载火箭要实现百吨级的运载能力, 需要在高载荷作用的条件下, 通过选择与应用轻质材料和结构优化设计, 解决大尺寸铝锂合金、复合材料的设计和生产难题, 以实现结构质量的降低、运载效率的提升.
(3) 力学特性分析与试验验证难. 由于重型运载火箭结构尺寸大, 建设与之相匹配的大型地面试验设施投资规模大、技术难度高、综合效益低, 因此必须解决大型复杂结构力学特性分析和采用部段级试验实现整箭模态参数等技术难题, 以实现重型运载火箭力学特性的精确分析和试验验证的有效性.
(4) 大型结构刚-柔-液耦合分析难. 由于重型运载火箭尺寸大、燃料多、载荷高, 在飞行过程中箭体将经受复杂的力学环境作用, 必须解决刚-柔-液耦合特性分析难题, 为箭体姿态控制、级间分离、整流罩分离等关键过程提供准确的动力学特性参数.
1.2 大型空间飞行器
随着探索空间和利用空间的不断深入, 世界主要航天国家对具有高性能、高功能结构的多舱段式空间站、大容量通信卫星、高指向精度和高稳定度的遥感卫星等新型大型空间飞行器的研制需求越来越迫切. 与现有空间飞行器相比, 这类新型大型空间飞行器具有如下特点:
(1) 尺寸庞大. 目前空间飞行器展宽一般不超过40 m, 附件的直径尺寸基本在30 m以内; 而新型大型空间飞行器的展宽大多达到50 m以上, 附件的直径尺寸有的高达百米, 极端情况可达千米级, 比如空间太阳能电站的跨度达到10 km.
(2) 构型复杂. 新型空间飞行器往往由多舱段对接, 或多柔性模块组装构成, 且带有大型机械臂、可展开天线等具有相对运动特性的多个大型柔性附件,同时兼顾在轨组装、在轨维修、在轨操作等任务, 导致航天器成为变构型、变参数的大型甚至超大型空间复杂组合体结构.
(3) 刚-柔-液强耦合. 相对于现有空间飞行器的构型而言, 新型大型空间飞行器由于带有柔性太阳电池阵、可展开天线等大型柔性附件以及多个大型贮箱, 刚-柔-液的相互作用将成为航天器总体设计和控制系统设计的重要影响因素.
(4) 精度和稳定度要求高. 以等效口径达到6.5 m的詹姆斯·韦伯太空望远镜、波束达到500
个甚至更多的通信卫星及采用宽带通信载荷(高频段、太赫兹和激光通信)、大型可展开网状天线的移动通信卫星等为代表的新型空间飞行器, 其性能指标较现有空间飞行器而言往往高出1 个数量级以上, 比如大型天线型面精度要求达到毫米级, 指向精度达到0.01°, 姿态稳定度达到毫角秒级.
(5) 工作环境更加苛刻. 大型空间飞行器在轨工作寿命要求更长(低轨要求5~8 年, 高轨要求12~15年), 并将长期经受高真空、高低温(温差可达200℃)等空间环境以及太阳光压、温度冲击、轨道机动等多种在轨干扰因素影响, 工作环境较现有航天器更加苛刻.
新型空间飞行器由于上述技术特点, 在工程中将面临如下主要技术难题:
(1) 总体设计难. 由于尺寸庞大、构型复杂、带有多个大型柔性附件, 新型空间飞行器的总体设计,需要考虑各种大型部组件安装布局、微振动抑制并兼顾各种使用要求, 以实现构型、布局满足发射状态下的最大包络和环境条件.
(2) 构型与形状控制难. 由于结构尺寸庞大、构型复杂、刚-柔-液强耦合, 且具有变构型、变参数以及高精度高稳定度要求, 新型空间飞行器需要解决组合体控制和大型复杂柔性附件展收和型面控制等技术难题.
(3) 试验验证难. 由于新型空间飞行器结构尺寸大, 建设与之相匹配的大型地面试验设施往往投资规模大、技术难度高、综合效益低, 因此需要解决仿真分析、部组件级试验替代整体试验和利用在轨参数辨识进行模型修正等技术难题, 以实现大型空间飞行器力学特性的精确分析和试验验证的有效性与充分性.
1.3 可重复使用运载器
随着航天技术发展和低成本航天运输的迫切需求, 在一次性运载器基础上发展“快速、廉价、可靠”进出空间并可多次重复使用的运载器, 是当前及未来国内外运载器发展的重要方向之一. 与一次性运载器相比, 可重复使用运载器具有如下典型特点:
(1) 兼具运载器和航空器的双重特点. 可重复使用运载器充分吸纳了一次性运载器和航空器的部分功能特点, 既可作为航天运输工具以快速穿越大气层发射航天器, 也可作为高超声速投送平台实现快速远程/全球打击, 还可像航空器一样返回地面,实现天地往返、多次重复使用. 这类重复使用运载器典型代表有XS-1 和X-37B.
(2) 跨速域、跨空域. 可重复使用运载器不仅跨越亚声速、跨声速、超声速和高超声速等速
域, 而且覆盖航空空域、临近空间和轨道空间等空域, 飞行工作环境多样, 气动力热特性复杂.
(3) 承载特性复杂. 一次性运载火箭以承受轴向载荷为主, 而重复使用运载器不仅在上升段要承受与一次性运载器相同的载荷环境, 而且在返回段要承受法向受力为主的力学环境, 结构承载特性复杂.可重复使用运载器的上述技术特点, 使得其在工程研制中面临如下主要技术难题:
(1) 气动布局设计难. 由于重复使用运载器气动布局并须兼顾低空和高空两种气动性能和飞行模式,特别是在高超声速条件下真实气体、热化学非平衡、稀薄气体等效应突出, 气动布局设计要考虑的限制因素众多, 因此要同时满足多种约束条件的气动布局设计非常困难.
(2) 热防护结构设计难. 可重复使用运载器最高飞行马赫数超过25, 强大的气动加热使机体表面温度急剧增高, 机头锥、翼前缘表面最高温度超过1700℃, 机身迎风面的温度也在1100～1500℃左右,高温持续时间可长达1500～2000 s. 因此必须解决高温长时非烧蚀热防护、大热载条件下高效隔热、高温高可靠连接与动/静热密封等设计难题.
(3) 全程耦合控制难. 可重复使用运载器的飞行攻角包络大, 压心变化范围宽, 面对称外形导致滚动与偏航通道存在强耦合和副翼操纵反效, 以及高超声速段上下表面的压强差别大, 因此必须解决俯仰通道配平、通道耦合和舵偏非线性特性控制等难题.
(4) 复杂流动状态验证难. 可重复使用运载器在飞行过程中将经历亚声速、跨声速、超声速和高超声速4 种速域范围, 由于不同速域下的流动状态特点不同、影响不同, 因此如何模拟黏性干扰效应和壁面催化效应、边界层转捩、激波/激波干扰、激波/边界层干扰、非定常流动以及气动弹性和气动伺服弹性, 并进行准确性验证, 是当前工程设计中的一大难题.
(5) 一体化力热耦合设计难. 可重复使用运载器,尤其是带有大尺寸热结构控制翼的运载器, 往往采用防热/结构一体化设计, 在再入过程中将经受苛刻的气动热环境与力学环境, 因此热结构部件高温强度/刚度、热/振动、热/气动弹性等力热耦合分析与环境适应性验证, 是当前工程研制中必须解决的关键难题.
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