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市场营销是在创造、沟通、传播和交换产品中,为顾客、客户、合作伙伴以及整个社会带来价值的活动、过程和体系。主要是指营销人员针对市场开展经营活动、销售行为的过程。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:航天图书市场营销浅议相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
1.1 市场营销学的概念及特征
营销名家菲利普?科特勒对市场营销做了如下定义:个人和群体通过创造产品和价值,并同他人进行交换以获得所需所欲的一种社会及管理过程。这一营销定义涵盖了市场营销的起源、途径及其目标,对市场营销的本源做了一个清楚的阐述。
市场营销是在一个动态的全球环境中进行的,就出版行业而言,信息化和数字化的迅猛发展,全球一体化的进程加速,经济形势和人们阅读口味的变化,以及道德和社会责任的要求,是发展变化的一些关键趋势,同时也是促使市场营销快速变化以及挑战市场营销战略的几大力量。
在每个企业中,市场营销的作用是帮助实现战略目标。而企业为了在市场中制造它想要的反应,会混合采用一组可控制的战术营销手段,这就是营销组合。营销组合包括企业未来影响对其产品的需求而做的任何事情,传统的市场营销学将其分为4组变量,又称4P,即产品(Product),价格(Price),渠道(P1ace)和促销(Promotion)。
有效的营销方案应该能把所有的营销组合因素融入一个协调的计划之中,通过向消费者提供价值来实现企业的市场营销目标。营销组合构成企业的战术工具箱,帮助企业在目标市场中建立强有力的市场定位。
1.2 我国图书市场环境以及市场细分
对市场营销来说,市场就是指产品或服务的实际和潜在购买者。随着知识经济时代的到来,知识在经济和社会发展中的作用不断提高。图书作为传播科学文化知识的重要载体,图书出版事业在国民经济发展中的作用也日益提高。人民群众的精神文化需求日益增长,对图书的需求也将迅速增加。
截至2008年底,我国共有出版社579家(包括副牌社34家)。2008年,全国出版图书275668种,其中新版图书149988种,重印图书125680种,总印数69.36亿册,总印张数560.73亿印张,总码洋791.43亿元。图书市场是巨大的,然而,目前我国图书出版产业的市场集中程度很低,属于不存在集中现象的产业。排名前4位出版社的集中度约为5%,前十位出版社的集中度约为10%。市场集中度低就意味着产业内大企业的规模不大,比重较小,图书出版产业存在生产能力分散、专业化协作程度低的结构性缺陷。同时,我国图书出版的差别化程度不理想。在我国的图书出版社中,一些名牌大社,例如三联书店、商务印书馆、清华大学出版社、外语教学与研究出版社等,依据其准确的市场定位和长期坚持的品牌化经营理念,成功实现了差别化出版;其他大多数中小出版社其图书差别化的程度则很低,长期困扰出版业的重复出版、雷同出版、高额呆滞库存便是这一市场结构缺陷的明显体现。
2.1 国内航天图书市场概况
航天图书是科技图书的一种,由于其专业性和一定的保密性,读者群范围很小,所以在整个图书的市场份额中的比例也并不大。宏观上看,按照中国图书馆分类法,我国图书共分为22大类,航空、航天是其中一类。根据新闻出版总署2010年7月发布的统计数据,2009年,在22个大类中,无论是品种、印数,还是码洋,航空、航天类均是最小的,出版品种只占总品种的0.001%,印数占总印数的0.0002%,码洋占总码洋的0.0005%。微观上看,在各大图书卖场、超市,航天图书的货架总是摆放在较为偏僻的地方,其销售量和销售额也非常小。在北京最大的图书卖场――西单图书大厦中,只是四楼的一个角落里的一个书架属于航空航天科技类图书,其中航天科技类图书上架品种仅仅50余种,册数不足200册,在全大厦几十万种动销图书中所占的比例小得可怜。
航空航天类图书的出版种类少,印数少,码洋低。在整个图书市场中所占的比例很小。另一方面,由于航空航天类图书的技术门槛和行业门槛较高,参与其中的出版社非常少,市场竞争也相对来说不是很充分,只要我们能壮大自己的实力,就能相对容易地占据竞争的制高点。
2.2 主要出版社航天图书出版概况
主要参与航空、航天类图书出版的出版社包括国防工业出版社、航空工业出版社、中国宇航出版社、中国民航出版社、北京航空航天大学出版社、西北工业大学出版社、哈尔滨工业大学出版社等7家。7家主要航空、航天类出版社出版的航空、航天类图书品种,占这些出版社出版图书品种总数不到10%。从印数比重来看,航空、航天类图书的比重更低,仅占总印数的5%左右。由此可见,即使在航空、航天类出版社中,航空、航天类图书也不是其出版工作的全部,甚至对有些出版社而言,不是其重点。
2.3 航天图书市场趋势分析
随着近来航天事业的快速发展,越来越多的人对航空航天产生了兴趣,而在航天科技图书的出版领域,随着国家对航天事业的日益重视和投入的日益增加,航天科技图书的发展也将迎来一个新的契机,航天图书市场将有一个逐步发展壮大的过程。然而航天图书的总体市场份额还是很小的,在大型书店和卖场里,航天图书乃至科技图书的销售情况是不容乐观的,绝大部分航天图书的销售还是在出版社的读者服务部和直销渠道中进行。这同时说明了航天图书的读者群还是固定而有限的,市场总体规模的增长也是有限的。 同时航天科技图书上的竞争主要集中在选题资源、行政资源、作者资源和渠道资源上,航天专业科技出版社只有在出版和营销两个方面积极提高自身的竞争能力,才能维持和扩大航天图书中的市场份额,在竞争中抢得先机。
3.1 航天图书产品的特征
产品是指能够提供给市场从而引起人们注意,供人取得使用或消费,并能够满足某种欲望或需要的任何东西。对于图书产品来说,消费者购买的核心目的就是了解和掌握所需要的知识和技能,图书的内容是其最本质的价值。一本书就是一件实际产品,它的书名、版式、特点、包装和其他特征,经过精心的组合,共同构建了它的核心利益――可供参考和掌握的知识和技能,满足读者精神生活的需要。
科技图书是科学技术人员和生产工人在科研和工作实践中所必须用到的参考资料,具有单一性和不可替代性;而科技图书的出版门槛较高,经济效益又不好,所以参与的出版社并不是很多。
对于普通读者来说,阅读乃至购买航天专业图书的机会非常有限。普通读者对航天专业图书的兴趣并不是很大。这其中主要的原因还是航天的范围过于狭窄,航天专业也过于艰深,除了专门搞航天的人以外,其他读者对于航天专业图书,没有兴趣也没有能力去阅读,因此这就决定了航天专业图书的市场份额不大,目标读者非常集中。同时,绝大多数对航天专业图书感兴趣的读者认为目前市场上的航天专业图书不能满足实际需要,一方面绝大部分情况下某一个特定专题只有一两本图书,读者几乎没有选择余地,因此,航天专业图书的市场还非常不完善,有很多值得改进和提高的地方。
3.2 新产品的开发及产品生命周期
图书的新版和再版都可以看成是新产品的推出。两者之间既有相同点又有不同点。无论是新版还是再版,都要经过仔细的市场调查,了解读者、市场和竞争对手,开发出对读者具有卓越价值的、质量好、特色新、使用价值高的新图书。由于航天图书的市场容量和读者群数量都不大,所以新书的开发速度和再版速度都不是很快。目前中国宇航出版社每年出版航天类图书的种类在60种左右,而每种图书的印数在1500册左右。全国每年航天类图书的新书品种不到100种,修订再版的图书全国每年不到5种。所以航天图书新产品开发的总体趋势是总体数量不大、读者对象有确定性和针对性,这与目前的市场行情是符合的。
在推出了新书之后,出版社都想使它有一个较长的愉快的生命。产品生命周期,是指产品从研究开发、投放市场到退出市场为止所经历的全部时间。从理论上分析,完整的产品生命周期一般可分为投入期、成长期、成熟期和衰退期四个阶段。出版社一方面要时刻注意市场需求和产品销售的变化,清楚产品所处的生命周期阶段,另一方面要采取灵活的产品营销对策。在投入期,要注重抓产品促销;在成长期,要认真抓产品质量;在成熟期,要注意提高市场占有率;在衰退期,要有计划地转移老产品,上马新产品。
3.3 图书品牌的建立和发展
图书是一种负载有精神文化含义的特殊商品,这就决定了图书品牌也具有不同于一般产品品牌的特性。品牌结构上有梯次性,可分为作者品牌、单本品牌、系列品牌、类别品牌、出版社整体品牌等五类,它们形成了由初级到高级、由个别图书品种到整个图书品种,由较小的品牌效应到较大的品牌效应的梯次结构。一个整体图书品牌或分类品牌下,会有许多种图书连续不断地出版。图书品牌的成功,关键的一点就是要充分展示自己的特色和个性。
就目前而言,中国宇航出版社在航天图书上还是有一定的品牌效应的,在调查中发现,只要是关注航天图书的读者就知道中国宇航出版社,并且认同中国宇航出版社是目前中国出版航天图书最好的出版社,尤其是《导弹与航天丛书》己深入人心。无疑这与中国宇航出版社的定位和历史积淀有很大的关系,是中国宇航出版社的优势和资本,但是也要看到的是,目前中国航天图书的整体规模还不大,中国宇航出版社需要付出更多的努力,不仅保住自己的地位,还要开拓更大的市场。
一般来说,开拓品牌图书市场的方式有两种,一种是开始就以集合的方式推出系列书,使其相得益彰,蔚为大观;另一种是先推出几本书投石问路,激发激活读者的阅读兴趣,然后跟进系列图书,建立品牌。目前在航天图书范围内,较多采用第一种品牌建立方法,无论是中国宇航出版社的《导弹与航天丛书》、“航天科技图书出版基金资助图书”、“载人航天译丛”等,都有较大的规模,自成体系,成为科研人员和技术工人的良师益友。科技图书一般有较明确的读者群,也不太容易产生跟风购买同一系列不同专业图书的情况,所以第二种方法采用的并不多。在下一步的品牌塑造过程中,还是应该着眼于系列图书、丛书的出版,用系列化的方式来建立自己的品牌。
4.1 图书价格的形成
图书作为一种产品,包含实质产品、有形产品和附加产品三部分。图书是精神文化产品,它的使用价值主要体现为图书具有的知识含量、文化、科学、审美等价值,即人们从中获得的信息的质量和数量,这是图书产品的实质性部分;图书的有形产品是指它的物质部分,包括它的外形、开本、纸质、装帧、印刷等;附加产品又称延伸产品,它是指产品本身之外的许诺和服务。作为精神文化产品,图书产品又有不同于一般商品的如下属性:包括图书的不同质性、图书的价格弹性、图书的时效性等。
图书价格一般而言形式上是由出版社确定的,但事实上,图书作为商品,其价格也要受到市场上各种客观经济因素的制约,其中最主要的因素是图书成本、市场需求和市场竞争。
就航天科技类图书而言,参与的出版社不多,没有很多的替代版本;无论技术专著还是教材、工具书,同时又都是科研人员与技术工人所必需的;市场竞争不充分,市场更是远未到饱和的地步,所以总体来说价格需求弹性不大,定价策略也可以比较灵活。
4.2 现有航天图书价格分析 目前的航天图书市场,无论是整体规模还是参与的出版社数量都不是很大,所以想要详细分析现有航天图书的价格问题,找出一个合理的定价策略,是一件比较困难的事情。科技图书的定价规律包括以下几点:(1)单本印张是图书定价的主要考虑因素之一;(2)单印张价格的高低与制作成本有关,与作品内容的难易程度有关,与总字数的多少有关,与印量稍有关。
对于航天科技图书,由于专业性较强,印数较低,而且作者一般都是带经费出书,所以航天图书出的精装本较多,而且其定价比普通的科技图书要高。航天科技类图书的印数一般都很少,且几乎没有再版、重印,市场上还有很多90年代中期甚至前期出版的图书,这也是其定价较高的原因之一。相比较而言,技术专著的定价最高,系列丛书次之,教材再次。有出版基金资助的书和引进版的图书定价都处于中游水平。
4.3 航天图书价格建议
参考上面的结论,航天科技图书,特别是技术专著,写作、编校质量要求高,图书制作成本高,印刷数量少,同时由于其价格需求弹性不大,所以目前“高质高价”的策略还是符合实际的。
高质高价也称为溢价,即出版高质量的图书,定较高的价格。这种定价方法适合一些内容相对专一,读者群相对小的图书。这类图书一般在内容上具有独创性且印数较少,出版该类图书的每册成本较高。读者一般为高端读者,注重质量过于注重价格。这种高质量的图书会比同类一般科技专著的定价稍高,但是,这个定价基础是优秀的选题、高科技含量的内容、细分的目标市场、高成本的投入,这是与精品图书的定位相匹配的。这样的精品图书,出版后受到读者的欢迎和好评。
在实际操作中,出版社还是要针对自身的特点和具体图书情况采取灵活的价格策略。由于图书具有品种的巨大差异性,出版社在每本图书具体定价时要综合考虑成本、市场需求、顾客价值、竞争对手、本身的经营状况和营销目标等多种因素,不能机械地重复同一种策略。
5.1 图书的分销渠道
随着出版商(包括出版社、出版公司及民营书商)之间竞争的不断加剧,管理者营销水平的不断提高,越来越多的出版商意识到分销渠道的重要性。设计和管理好图书发行的分销渠道成为出版商发展壮大的一个重要因素。分销渠道,也叫营销渠道,是指当产品从生产者向最终消费者转移时直接或间接转移所有权所经过的途径。渠道的起点是生产者,终点是最终消费者或用户。产品只有通过渠道才能实现其价值和使用价值。分销渠道中包含着一系列相互联系、相互合作的组织及个人。图书的分销渠道的主要职能则可以概括为收集信息、图书促销、业务接洽、需求配合、实体分销、风险承担、融资及支用等几个方面。
5.2 航天图书直销渠道的建立
就科技图书而言,传统的分销方式存在着一些先天不足之处。首先,科技图书并不是传统意义上的畅销书,在各图书卖场和书店有限的货架上,很难占居很好的位置;其次,由于科技图书的市场周期较长,这种滞销效应给出版社的生产和决策,都带来了很大的影响。还有一个关键的原因是,科技类图书的读者比较专业,分布既集中又分散。
科技图书市场范围窄,读者群集中,可替代性差,而在这些方面图书直销有自己的独到之处:直销的市场定位准确,效率高,可提高客户忠诚度,缩短产品的市场导入期,提高产品的利润率,同时营销战略具有隐蔽性。一方面直销所带来的产品高利润率是其他任何营销方式所无法替代的。另一方面出版社减少中间环节直接向读者出售产品的同时,配以相应的售后服务,既能提高产品的经济效益,又能随时跟踪市场的发展动态,从而全面掌握市场信息并不断扩大读者队伍。在科技图书方面,直销这种快捷、方便、经济的适应市场发展需求的营销模式将迅速发展成为主导营销模式。
与其他图书相比,航天科技类图书在营销方面有以下一些特征:
1)图书的使用者是系统内部的科研人员和技术工人,针对性十分明确,消费群体稳定而集中;
2)科技图书经常为集团购买或者批量购买;
3)科技图书的使用周期较长,通常不会重复购买,一旦被采用就可以保持数年不变;
4)科技图书的科技含量高,专业性强,内容通常与科研和生产实际结合得很紧密;
5)购买的角色多样化,有科研人员自己购买的,也有人事教育或者科技管理人员代为购买的,还有图书馆集中采购的;
6)购买渠道多样化,从书店店面直接大规模购买的情况并不普遍;
7)科技人员有时候也会自带经费著书立说,读者作者群队伍有一定的重合和交融,销售有一定的基本保证;
8)随着对人员素质要求的提高和培训教育的普及,培训教材和技术手册的需求量会有所增加。
从航天科技图书的营销特征来看,一方面航天科技图书可以给出版社带来稳定的收入和利润;另一方面航天科技图书直销渠道的建立,是可能的,也是必然的,不仅促进了销售,和读者作者之间建立起良好的反馈关系,对编辑的选题策划,也能带来有益的启发。
根据航天图书和航天系统自身的特点,航天图书市场直销渠道的建立,可以涵盖信息传递、调研及用户反馈、售后跟踪服务等其他工作。在航天系统内部建立了直销渠道,达到了良好的互动之后,直销的触角还可以延伸到大航天的范围。军队、高等院校、各大中型图书馆都对航天图书有着一定的需求,而这些地方也适合于直销渠道的建立与发展,可以作为直销渠道建设的中长期目标。
6.1 航天科技图书的促销手段
促销,即促进销售,是指企业通过各种方式,向广大消费者介绍商品或劳务的信息,引导刺激消费者产生购买兴趣,做出购买决定,导致购买行为的全部活动的总称。促销活动实质是一种沟通和激励活动,作为一个重要因素,在图书发行和销售中常常起着重要的作用。
目前图书发行的促销模式有人员促销,广告促销,公共关系促销以及特殊手段促销等几种,这几种促销方式,各具特色,作用有别,且各有优缺点。对于航天科技图书来说,由于其专业性强,读者范围窄,替代产品少,诸如大范围广告这种大规模的促销活动显然是不合适的。但是由于其读者集中度高,读者作者群有交叉和融合,可以采取一些集中度高,人情味浓的促销方式,如书评、发布会、作者宣传等,还可以在一些专业的报刊杂志上做连载,吸引专业读者的目光。此外,走出去的促销方式同样显得重要。在一些专题研讨会、学术交流会、工程开工剪彩或总结会、科研院所周年庆典及重要领导视察等活动期间,都可以主动出击,送书上门。做到这点的前提是随时掌握准确信息,认真分析活动内容,有的放矢地推销相关专业的图书。这样能在很短的时间内开拓市场,取得较好的促销效果。
6.2 航天科技图书的网络营销前景
网络营销是企业利用互联网技术和功能,最大限度地满足客户的需要,以达到开拓市场、增加盈利为目标的营销过程。网络营销相比于传统的营销方式,有着自身独特的优势。通过网络,出版社可以将图书的内容及相关资料充分地显示出来,并针对读者的个别需求随时提供营销服务。此外,网络营销跨越时空,实时全天候的便捷服务,将极大地促进图书的销售。通过网络,出版社可以进一步加强与读者的沟通,便于出版社在网上发布大量的信息以便读者查询,也便于出版社及时得到读者的反馈。出版社与读者的沟通能力大大加强。
通过网络,有助于出版社直接面对读者,同时也有助于提高读者对品牌的敏感度,出版社可以通过定期发送e-mail使得读者时刻关注其网站,这对建立出版社的品牌很有好处。通过网络,出版社可以很容易地分析读者的购买行为,找出最具潜力的、能给自己带来最多利润的、最有价值的读者,通过给他们设计相应的电子商务方案,强化和这些读者之间的关系。此外,网络营销的成本也比传统营销要大为降低,提高了出版社的资金利用率。
作为高科技产业的航天系统,拥有先进的网络技术和完善的网络环境。适时启动航天科技图书的网络营销活动,必将会大大促进航天科技出版事业的繁荣。
总之,航天科技图书的促销,和一般图书相比有很大的不同之处,其根本目的在于抓住专业读者,培养他们的品牌认知度和品牌忠诚度,与其达到良好的互动,将生产和销售很好的结合起来,共同促进,共同发展。
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航天动力学是研究航天器和运载器在飞行中所受的力及其在力作用下的运动的学科,又称星际航行动力学。航天动力学研究的运动包括航天器的质心运动,称轨道运动;航天器相对于自身质心的运动和各部分的相对运动,称姿态运动;以及与航天器发射、航天器轨道机动飞行有关的火箭运动。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:关于航天动力学环境的最新进展与技术展望相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
动力学环境问题是飞行器设计中的基础与关键,国内外航天器在发射与飞行中振动、冲击造成的故障占据了相当大的比例,轻者影响精度和飞行稳定性,重者会造成失败。随着航天技术的发展,我国航天动力学取得了前所未有的成绩。同时由于信息、材料、微机械等技术的进步,飞行器也呈现出新的特点,动力学问题也出现了新的发展方向。
1.1 动力学环境预示技术进展
动力学环境预示是航天飞行器设计的基础。近年来,航天动力学在环境预示方法上有所突破,开始摆脱对国外标准的依赖,并逐步走上工程实测数据持续修正的道路。一方面覆盖高频、中频、低频的全频域混合建模预示技术得到快速应用,为研制初期的动力学条件提供输入;同时采用型号研制累积的大量实测数据不断修正,某些产品形成了比较精确的动力学模型,制定了有别于国外与国军标的振动、冲击条件,并据此探索了多种经验外推、混合建模、非平稳数据处理等技术。
1.1.1 有限元-统计能量混合建模技术
飞行器在发射、飞行中受到振动、冲击和噪声影响,早期飞行器问题主要集中在低频部分,一般采用有限元方法就能解决。随着飞行器的发展,轻质、柔性、次级结构、设备内部结构等作用凸现,中高频问题凸现,所以近年来对FE-SEA 混合方法的研究很多。主要针对航天器等复杂系统的特点,以飞行器典型结构为主,利用板梁组合结构开展数值仿真,并细分子系统连接关系,使复杂连接随机子系统间能量传输关系具有了完整表达式。同时提出了损耗因子修正、推力修正、设备传递特性修正三级修正方法。完成了诸如卫星天线、太阳帆板、整星结构、运载器、导弹仪器舱、超声速飞行器等基础激励和混响声场动响应,并与试验数据进行了对比。中频段预示与实测结果之间吻合较好,甚至部分精度已经达到±3 dB,但存在某些整体模态被遗漏、响应结果应用到复杂系统局部细分不够等问题,模型还需进一步完善。
1.1.2 振动冲击实测数据统计条件与外推技术
由于工程结构的复杂性,确定动力学环境的方法除混合建模外,还大量采用实测数据或相似产品外推等统计归纳与理论结合的方式,并取得了良好的效果。对气动激励载荷一般采用压力脉动计算或测量值施加到飞行器表面,也采用计算气动声学CAA 的方法。该方法弥补了传统CFD 宽频声波不同波长传播不能准确刻画的缺点,与CFD 紧密关联成为今后的重要方向,但在比例模型试验方面,需要对气动声学的相似律加以详细研究。
振动冲击环境外推法是在参考型号有直接测量结果、新型号与参考型号的动力载荷自谱相似、测量位置结构近似的前提下,按照激励源缩比、结构表面质量密度缩比、飞行器直径缩比等三个基本缩比原则对新型号振动响应自谱量级进行外推的一种方法,弥补了有限元和统计能量缺点,简单实用,适用新型号研制,应用相当广泛。我国积累了大量数据,逐步形成了诸如根据设备固有频率特性确定半正弦冲击和能量谱点火冲击条件的制定方法,根据飞行数据确定振动环境条件并据此给出了马赫数从低到高的外推公式等经验公式和标准。由于数据积累系统性不够,基础数据挖掘不到位,与产品结构、性能等参数关联度不高,应用水平与国外相比还有较大差距。
1.1.3 非高斯、非平稳振动数据处理技术
飞行器在运输中因路面质量会诱发结构碰撞,飞行中因推力脉动、姿态变化等会产生非平稳振动,实测数据分析表明,其具有明显的超高斯分布特征。试验与仿真表明,超高斯分布振动会大大降低结构的疲劳寿命,采用宽带信号作为激励进行疲劳仿真分析,随峭度的增大疲劳损伤积累加快,疲劳寿命缩短。目前振动数据处理及振动试验条件均按照高斯分布进行,忽略了功率谱密度相同但时域数据分布不同对结构影响的差异,在某些特定的情况下应予以重视。
1.2 航天动力学环境预示发展方向
航天动力学环境主要方向是解决高速飞行器气动热带来的热结构动力学问题;动力学环境如何准确定位到设备甚至功能单元一级;如何建立起地面试验结果与飞行状态下的响应之间的关系等问题。
1.2.1 高速飞行器热结构动力学环境分析预示技术
高速飞行器是世界各国发展的重点,特别是长期在大气层飞行情况下与以往发动机置后不同,采用的是吸气式冲压发动机,具有飞行器结构推进一体化特点以及影响控制系统设计的气动/推进/弹性耦合效应。因此,外部气流与进气道流场同时作用于结构,有严酷的振动、噪声环境;另一方面,因气动加热、发动机高温影响,结构特性随温度变化呈现时变特征,动力学环境具有全频域以及与高温耦合的特点。因此,气动激励源作用机理、吸气式飞行器内外流激励振动环境预示与控制、流-固-温耦合物理场分析、热振声多物理场分析、热气动饲服弹性分析、复杂系统时变动力学特性分析、温度对复杂结构振动固有频率影响机理、热虚拟试验等技术成为目前研究的热点。
目前在冲压发动机激励源预示技术方面取得了一定突破,在多物理场、特性分析、热饲服弹性分析等方面采用数值模拟、有限元分析与风洞试验、热模态试验等相结合的方法取得了较大进步,但对内外流场致振机理等尚不清楚,热结构试验与计算结果之间还存在很多不解之处。
1.2.2 基于设备功能的动力学环境预示技术
动力学环境预示的目标是使飞行器设计达到轻量和良好的特性。目前的预示方法采用输入—结构传递—响应分析方法,属于正向分析,只有结构确定后才能进行。尽管对结构优化、完善设计提供了帮助,但对结构系统设计难以发挥根本性改变。其次,有限元、统计能量方法也存在不够细化、不能预示到设备和功能单元局部的缺点,只能给出全系统级或者舱段级的环境,即动力学环境预示与目标设备/单元功能、结构设计合理性以及环境适应性评价之间的桥梁没有建立起来。因此,近年来提出了基于设备功能的反向分析方法,即逆问题。基本思路就是根据飞行器设备的功能指标敏感性要求,把功能指标分解到设备安装部位和敏感物理量上,甚至对结构某些重要位置提出控制指标要求,这样会缩短设计周期,并一次性形成设计结果优化。
目前对该方法的研究取得了初步成果。其基本过程是:首先对飞行器不同位置、相同位置不同功能设备的动力学环境敏感量进行分析,在位移、速度、加速度等18 个物理量中筛选,并分解到安装结构位置甚至到结构传递路径,作为显性指标用于约束结构设计和评估,结构完成后再进行预示,对结构目标点预示结果指标进行转化,与分解指标进行对比评估。这样,利用不同设备功能敏感的动力学环境特征量的不同,将预示结果与结构设计约束之间建立起直接联系,是未来飞行器结构设计的发展方向。该方法已初步用于惯性器件、光学导航、舵系统的动力学环境预示分析中,初步确定了功能设备敏感指标体系,并给出了指标转化方法,形成了一套较完整的思路。
1.2.3 飞行器动力学环境天地一致性问题研究
分析并模拟产品结构所在位置动力学环境的有效性是结构响应预测的关键之一。飞行器结构复杂,且具有多源输入特征,飞行中边界、气动附加刚度、载荷、噪声等影响因素很多,产品分析与地面试验的状态、模型等一致性难以得到保证,传统方法对飞行复杂环境的准确预示比较困难。同时,因振动冲击遥测通道数量有限,难以统计归纳以描述飞行器各部位状况。热试车、发动机试验、火箭撬、功能试验等仅验证了飞行状态中的一个特定状态,但地面试验数量很大。
天地一致性正是综合利用地面试验、分析和飞行遥测数据,根据地面试验系统与飞行状态下结构响应之间存在的映射关系,采用基于映射关系的动力学环境预示技术,对未知部位进行预测。目前,在多个飞行器设计中得到了初步应用。主要采用地面模态试验、地面试验测量数据建立模型,消除地面边界条件影响,运用支持向量回归机构建立两者之间的映射关系模型。通过大量地面试验与遥测数据作为训练样本,得到了回归模型曲线,并在典型结构上得到了试验验证,实现了由遥测点到其他结构点的预测。应用还存在不少缺点,一是遥测点数量有限,映射模型精度较低;二是遥测飞行环境较好,遥测数据样本量不够完备,边界条件模型精度不高,需要结合仿真分析完成。
1.2.4 动力学环境虚拟试验技术
虚拟试验是随航空航天等技术发展和任务增加及大量数据积累而产生的,其意义在于:一方面产品模型包含了不同激励下的响应信息,可分析方向性结果,降低人工判断遗漏,减少实物试验数量,降低成本;另一方面,实物试验前对试验设计方案进行快速评估,确定其合理性和可行性以及安全、质量、经济性。同时对于超出试验能力范围或其他限制的,或难度大、成本高以及无法准确模拟极限载荷工况情况的,更适合采用虚拟试验技术对其进行考核验证。
虚拟试验建模过程侧重于大量试验数据积累和不断修正的结果上,因此需要一个循序渐进不断完善的过程。国外起步较早,美国已形成基于虚拟试验验证技术的公共支撑框架TENA,以及以JMETC 为代表的大型综合试验验证系统,并在F-22、宙斯盾等武器系统中得到应用。国内取得了一些阶段性的应用成果,军工产品虚拟试验领域已形成自主知识产权的通用支撑技术框架VITA。主要困难在于数据积累及其规范性较差,比较简单的结构和单一因素的虚拟试验方法已取得良好进展,而复杂结构多物理场耦合环境方面还存在很大距离。
2.1 大型复杂结构模态试验技术
模态试验技术发展较成熟,在单点与多点正弦激振的基础上发展了多点随机激振和综合模态试验技术,目前已广泛用于航天等领域结构动态设计、振动控制和故障诊断中。我国航天器、运载器和发射装置等大型系统均开展结构模态分析、模态试验,研制过程中要进行结构部组件、全系统、飞行器/发射箱(筒)/发射架(车)/平台联合模态试验,以确定结构系统特性对发射精度、飞行稳定性和设备环境适应性的影响。大型复杂结构模态试验方法主要有宽带随机激振法、纯模态法、锤击法、步进正弦法、工作模态法等。模态参数辨识方法常用的有频域直接拟合法、时域多参考点复指数法LSCE 算法、工作模态polymax 算法等。大型模态试验技术发展有高温环境下的热模态试验技术、三维/多体等非梁模型识别与应用、时变结构模态参数识别方法。
在航天产品中往往存在多体、集中质量、间隙、弱连接、柔性结构等结构非线性以及刚度、质量、阻尼等参数非线性,相应技术尚不成熟,目前多用于飞行器操纵面模态试验。方法主要有测量静刚度法、测量动刚度法、消除间隙和摩擦的橡皮绳加载法以及改变激振力的纯模态试验方法。测量静刚度法是测量结构在不同静力载荷下的刚度。测量动刚度法则是给结构施加可变的正弦激励载荷,在考虑刚度引起的非线性同时引入了阻尼引起的非线性。橡皮绳加载法则是用弹性力消除结构间隙和摩擦,然后测量结构线性化后的模态参数。改变激振力的纯模态试验方法跟线性结构纯模态法类似,通过改变激振力的频率和大小、得到不同激振力下的结构模态参数[15—16]。
2.2 微机械模态试验技术
新型飞行器大量采用惯导对准、地形匹配、光学制导等技术,相应的印制电路板、辅助结构、机构、支架、内部结构的动力学特性直接影响飞行稳定性和设备精度。由于此类结构质量轻、刚度小、结构复杂,传统模态试验方法带来的附加刚度和质量与被测结构相当,精度难以保证,因此采用声激励和光测替代传统激振杆或锤击法等接触式激励和加速度传感器测量方法,可以弥补相应不足。重音喇叭发出的声能足以激发出小质量结构件的模态,但要解决声源与现有设备的阻抗匹配、相位匹配等问题。目前国内有采用低频高密度体积声源集成的非接触激励,加速度测量采用激光测振仪,消除了附加刚度和质量的影响。通过对比试验,两种激励方式得出的频率、振型结果一致,声激励试验结果与典型算例结果更吻合,精度更高。
2.3 多输入多输出振动试验技术
目前比较流行的振动试验做法是用多个振动台模拟飞行器运输、发射与飞行动力学环境,以模拟多激振源,并提高激振力分布均匀性或提高推力以及柔性结构的试验效果,并在军事、航空、电子等领域广泛应用,美军标和国内标准均有相关内容。同时国外SD,DP,IMV,LMS 等公司拥有多台振动控制仪商用产品。
国内在20 世纪90 年代就开始了这方面的研究,在细长体双振动台试验、设备级三轴振动试验方面应用比较成熟,并形成了相关行业和国军标等标准。南航、亿恒等单位多台控制技术也逐步成熟并形成了商用产品。目前中国航空综合技术研究所等正在建设大型多振动台试验系统,但大型产品结构多样,特性各异,而多输入多输出控制方法依赖于产品结构传递特性,所以通过实测数据统计归纳而形成试验条件,包括控制矩阵对角元素设定在内的多振动台控制还需要深入研究。此外还有利用多个压电元件来模拟实际环境的分布式振动试验技术。制定合理的多台多轴的振动试验条件,针对具体试验件研究激励方案以及多轴振动与热环境耦合试验方法等问题是以后研究的重点方向。
2.4 离心复合试验技术
飞行器在机动转弯等动作会产生过载,同时有温度、振动、冲击等共同作用的复合环境。对于特定产品结构,离心复合环境会影响到产品的精度和功能。离心复合试验在国内外发展比较迅速,美国的UCDavis 大型振动离心机系统包含了水平单向、垂直/水平双向振动、试验摄像观测系统、电阻层析成像系统等,是目前振动离心机的最高水平。
目前国内的离心复合试验技术通常是以离心机为主体,在机臂上安装温度箱、振动台来实现的。这种方法存在的技术难题是离心力作用下振动台动圈会发生偏转,须设计纠偏系统,同时必须考虑对振动台固有特性的影响。目前国内多为小型振动离心机,并在航天、水利水电以及核工业得到应用,但振动台推力偏小限制了试验系统的广泛应用。中物院等单位对离心复合试验系统进行了深入研究,并根据需求提出了模拟飞行过程的高动态离心试验、STS 环境模拟等试验模拟技术。
由于高超声速飞行器速度高,动力学特性与以往有很大不同,尤其以高温耦合影响为重。在热结构动力学建模分析的基础上,根据考核目的应尽量减少耦合因素,突出主要矛盾,可以分别进行两两或多耦合因素试验验证。
3.1 热结构时变模态试验技术
由于气动加热效应等影响,高速飞行器结构受到温度梯度影响,相应的材料物性参数、结构刚度、热应力等随飞行时间变化,飞行器动力学特性随时间变化并影响到飞行控制。高温影响机理复杂,对简单结构而言,以材料弹性模量下降为主,符合结构固有频率下降规律;对复杂结构,热应力导致刚度分布变化,结构特性难以预测,各阶固有频率并不完全符合随温度升高而降低的直观规律。
结构热模态试验是获取热结构动力学特性的主要方法,但由于地面试验受到的影响因素更多,热边界影响以及结构边界受热影响的刚度变化复杂,也是国内外研究的前沿与热点,成为集控制、信号处理和结构动力学的一个交叉学科,借助线性系统和信号处理等领域的研究成果发展出一些有效的时变模态参数辨识算法。国外如NASA 早期研究成果表明,温度对结构模态参数的影响明显,但振型基本不变,均为基于傅里叶变换的模态参数辨识算法,仅是温度稳定环境结论。国内基于高超声速飞行器发展,提出了基于递推子空间方法的时变模态参数辨识算法,可以通过状态空间联系到结构的振动微分方程,找到彼此的契合点,这种方法也是参数化的模型,识别精度更高。工程中一般分两步完成,先获取不同温度稳定环境下的模态参数,以此为基础再获取结构模态参数随着温度变化的详细变化。
3.2 热振动/噪声试验
与热耦合的动力学试验用于验证不同温度、湿度分布下结构的传热特性,温度分布以及振动、噪声、疲劳特性。由于影响因素多、技术难度大,到20 世纪90年代才开始逐步完成工程实现。飞行器昂贵且材料存在不可逆因素,一般按热振动、热噪声、热疲劳等两两组合进行试验,从飞行器经历的环境剖面及飞行器局部分析,提炼需解决的主要矛盾,分析、设计多组试验,进行相对简化的环境因素组合模拟和覆盖性考核与评估。目前具有热噪声试验设备和试验能力的国家有德国、俄罗斯、美国等,根据考核的主要目的进行部件、舱段、整机试验。国内航天、航空等试验机构均建成了较大规模的热试验设施,具有系统级1300 ℃以下热振动、热强度、热疲劳、热模态试验能力,部件级650 ℃以下热噪声试验能力。热噪声试验主要针对薄蒙皮、TPS结构等对热、噪声联合作用敏感的结构。
3.3 热结构动力学参数非接触式测量技术
由于高温的影响,传统的应变、振动、压力测量手段受到限制,因此,近年来出现了适宜高温环境下测量的新技术。
非接触式振动测量技术主要是应用多普勒原理、激光干涉原理的测振方法,因其非接触、无附加质量、动态范围大和精度高,所以在热模态、热振动等试验中广泛应用。由于其存在安装对准、激光反射效果、热蒸腾效应问题,影响了振动测量精度。
非接触式热应变测量方法有基于数字图像处理的方法和数字图像相关方法等。此外还有电子散斑干涉法、云纹干涉法等方法。这些方法测量灵敏度非常高,并具有测量结果直观可视的优点。
高动态应变测量技术主要采用光纤Bragg 光栅动态应变传感器,其特点是信号频率高、信噪比高。瞬态应变测试在实用的信号解调方面还存在响应速度方面的瓶颈问题,尚需做大量工作。
压力脉动测量技术包括有以下几种:传感器外加冷却护套,但存在局部冷区大热梯度和声歪曲;光纤传声器,在727 ℃以下有良好频响特性;等离子传声器,可用于高温、高速、高焓值气流中的噪声、热流等多参数的同步测试;将高温下的噪声用波导管导出测量,已在发动机内部噪声测试等任务中得到应用。
飞行器地面阶段运输、执勤环境复杂,存在平台、工作/人工诱发与气候组合环境影响,其振动冲击响应不但有其特殊性,而且有时比飞行环境更为严酷。
飞行器-发射装置-平台等构成的系统动力学问题主要体现在以下方面。
1)载荷激励存在平台多样性,发射状态下风载荷激励,车辆运输中道路障碍等情况下的颠簸冲击、刹车冲击、振动,舰船平台受海浪冲击、炮击、爆炸冲击传递到产品的振动冲击响应等[24]。
2)连接结构存在诸如多联装刚弹转换、适配器、运输中的减震器阵列等特殊情况,以及车辆发射装置起竖折叠状态下的多体结构,存在结构非线性,在温度变化等情况下动力学特性会发生相应的改变。
3)发射装置、地面设备往往尺度较大,存在_效应,在温度、阳光、风载荷、平台诱发等叠加或综合作用下,产生局部变形等,即存在局部微环境问题,长期作用下产生疲劳或应力腐蚀。
4.1 飞行器-发射装置动力学响应分析
地面阶段主要表现为运输中的冲击、振动,舰载爆炸冲击、风载荷等情况。近年来国内外利用NASTRAN 等软件开展了大量研究,特别是对水下爆炸冲击响应进行了深入分析,采用大质量法、动态设计分析等方法,综合考虑了分布质量惯性力、结构传播效应等因素,给出了发射装置的变形和应力,并得出大长细比产品对冲击敏感、横向响应较大、沿长度方向响应差异较大等结论。
由于系统构成复杂,很难得到精确的振动应力,只能采取实测数据。通过大量实测数据统计分析,得到了直接用于工程的成果,火箭在运输车上的振动应力为正态分布或威布尔分布,对组合系统力学特性影响很大。通过比较公路、铁路、海上、飞机运输振动特点,公路的振动量级最大,且主要以低频振动为主。通过实测数据也发现,在大外载荷作用下,如在路况很差、风浪很大的情况下,由于连接结构、接触面、安装固定面的存在,可能会激发出多平台固有频率以外的高频冲击振动,并具有超高斯分布特征。
4.2 飞行器-发射装置-平台系统动力学特性研究
地面阶段存在连接状态差别大、边界不确定性大、导致的结构非线性变化等影响,诸如运输状态下的弹性(减震器阵列等)边界、动态载荷下边界力变化、待机发射状态边界、车/舰发射过程中的适配器滑动状态变化、机载发射、不同温度/湿度/风载荷影响、水下发射影响等。仅部分情况一阶固有频率计算较为准确[28],且不同测试方法(敲击法、路障冲击工作模态等)模态频率差别较大。目前产品研制过程中均要完成水下模态、发射箱/架/飞行器、车辆/发射箱/飞行器、飞机/发射架/飞行器等稳定状态的特性试验,除研究飞行器在平台的性能变化外,还可以获取飞行器对平台系统的影响,如是否会与机翼、发射箱等发生共振,以及如何改进结构,降低系统各部位的动态应力。
4.3 气候-工况/平台诱发载荷组合环境下动力学特性研究
飞行器在地面阶段尽管温度比较温和,但平台诱发、气候环境的复合及累积效应突出。舰船平台上,除经历摇摆、冲击和振动外,还有阳光照射的光化学和温升效应。大型产品大尺寸效应产生的累积变形和应力不容忽视,与盐雾、潮湿等形成气候-力学复合环境,加剧了结构的破坏。地面车辆平台经历颠簸、刹车等过载和冲击以及气候环境影响。平台上大型复杂结构系统内部可能会存在着大量高于设计或整体平均设计条件的局部微环境,如大型结构中的减震器阵列在外力诱发下的不均匀分布会导致某个减震器失效并导致连锁反应整体损坏,固发中的装药界面应力等,影响飞行器寿命。
系统的损坏最终可以归结为某个部位、构件、器件的故障,因此,目前的解决方法主要是把地面阶段飞行器与平台作为一个多体、柔性、非线性系统分析,确定关键薄弱环节,并根据局部结构的工况载荷应力和微气候环境等效成典型试验构件,附加少量整机级试验,评估其适应性和寿命。此外,为防止偶发事件和系统复杂性难以判断的破坏问题,普遍采用自动记录设备,可以长期监测关键部位环境数据,并与设计基线比较,预判出相应的问题。
基于上述分析,目前在该方面的发展方向主要有:气候作用下的_装备动力学分析及疲劳寿命研究;气候环境下复杂结构力学特性分析技术;飞行器-发射装置-平台系统微环境分析;健康管理与诊断技术等。
飞行器动力学环境问题会随着工程需求不断出现新的变化,但解决方法不外乎分析与试验两种方法。通过工程实践,分析预示、试验与产品功能密切相关,型号结构、功能、材料、器件的变化,会带来分析与试验方法的变化。
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航天发射场的场址选择和建设,必须慎重考虑其地理位置、航天运载器的用途和结构尺寸、气象条件、地形地貌条件、供水条件,国家的技术经济水平、国家航天计划的规模、保证可靠性和安全性的能力、沿航区配置测量站、海上测量船或测量飞机的可能性。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈航天发射场设备健康管理架构研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
信息系统是由计算机硬件、网络和通讯设备、计算机软件、信息资源、信息用户和规章制度组成的以处理信息流为目的的人机一体化系统。设备健康管理(EquipmentHealth Management,EHM),是通过感知并充分使用状态监测信息,融合维修、使用和环境信息,结合规范的设备管理方法和业务流程,对维修活动进行科学规划和合理优化,对影响设备健康状态和剩余寿命的技术、管理和人为因素进行全过程控制的活动。当前,在技术推动和现代维修理念发展的双重作用下,EHM 的重要性大大增加。有效的设备健康管理不仅仅局限于状态监测和维修的范围,而是深入到设备的规范化、科学化和智能化管理之中。随着自动化与信息化、技术与管理日益融合,航天发射场如何主动推进更完整的信息获取、更全面的互联互通、更深入的信息应用,关系到航天发射场分布与集中管控设备状态、核心业务、技术以及开展决策的能力和水平。
航天发射场设备健康管理的管控对象在管理中均以信息来表现。在设备健康管理中,我们通过信息系统来实现设备健康管理闭环的信息处理流程,实现设备信息在管理、检测、控制方面自下而上与自上而下的互动。基于信息系统的航天发射场设备健康管理,需要智能化的管理手段、专业化的管理队伍、配套化的管理机制和信息化的管理环境作为条件。
1.1 智能化的管理手段
随着信息技术、智能技术、维修技术等各种高新技术的发展及其在航天发射场中的广泛应用,测试发射设备的结构变得越来越复杂,功能越来越多,自动化程度越来越高。与此同时,复杂设备系统的可靠性、维修性、故障预测与诊断及维修保障等问题也日见突出。对于技术含量高、系统集成性强、构造机理复杂、技术标准要求高的设备系统,传统的耳听、手摸、眼看等检查测试、故障诊断方法已不能适应设备维修管理的需要,为了实施更加科学合理的维修保障,我们必须发展并运用智能化的管理手段。这些手段包括:利用在线监测系统或离线检测系统获得的设备运行状态数据;利用人工智能算法定期或不定期地对设备状态做出评估;利用PDA 和剩余寿命预测模型分析设备的性能衰退趋势;利用多媒体显示设备健康评估和分级报警结果及时进行维修决策,等等。
1.2 专业化的管理队伍
基于信息系统的航天发射场设备健康管理对保障队伍的素质要求,侧重于“知识型”和“专业化”,这将成为航天发射场管理力和保障力新的增长点。实现基于信息系统的航天发射场设备健康管理,要有一支熟悉信息化条件下设备健康管理特点与规律,通晓设备维修保障,能娴熟运用信息技术、监测技术、故障诊断技术和状态评估技术等进行维修决策、控制与协调的设备管理人员队伍;要有一支文化层次高、业务技能强、专业种类全,能熟练使用智能化设备和设施的设备操作人员队伍;要有一支设备保障理论功底深、实践应用能力强、专业技术水平高,能运用现代技术尤其是信息技术解决一体化综合保障重点、难点问题的设备维修人员队伍。
1.3 配套化的管理机制
管理机制本质上是管理系统的内在联系、功能及其运行原理,是决定管理功效的核心问题。配套化的管理机制是航天发射场顺利实施设备健康管理的基础,没有配套完善的机制,一体化综合保障就难以高效运行。
管理机制主要表现为三大机制:一是严密顺畅的运行机制,这是航天发射场设备健康管理基本职能的活动方式、系统功能和运行原理,要与航天测试发射指挥信息运行渠道相一致,要与设备保障物质流运行渠道相一致;二是合理高效的动力机制,这是确保航天发射场设备健康管理系统动力产生与运作的机制,要靠管理主体树立全局观念,要大力强化服务意识;三是责权一致的约束机制,必须运用政策、法规、标准等建立约束机制,必须明确相关系统及人员的责任,来限定或修正设备健康管理行为。
1.4 信息化的管理环境
航天发射场对测试发射设备的操作使用、维护保养、故障修理等信息采用人工记录和分散的信息系统管理的方式,可以在一定程度上满足航天发射场的维修和管理需求,但也日益暴露出设备管理技术手段相对落后、维修管理信息化程度较低等问题,难以实现以信息为依据的设备健康管理。
信息化的管理环境,强调管理单元和要素的高度融合,强调管理体系效能的整体发挥,要求健康管理一体高效、保障力量高度融合、管理内容综合兼容、维修行动实时精确。
信息化的管理环境是航天发射场信息化建设的有机组成部分,必须与航天发射场信息化建设相一致、相协调、同步发展,在航天发射场信息化建设的大框架内,尽可能优化结构、完善功能,尽力做到:一是网络一体,即不同建制、不同单位、不同层次而又目标相同、功能相似、作用相关的各种维修保障力量和管理平台,通过信息化网络系统连在一起,形成纵横交错、稳定可靠的一体化保障网络;二是辐射管理,即以信息系统为依托,以网络为骨干,以各个管理站点为触角,分区、成网配置维修力量,建立由点向面、业务衔接、功能互补、富有弹性的管理部署;三是可视可控,就是以设备健康管理需求为牵引,借助可视化的管理调度系统,适时把握各类不同设备的健康状况,合理调度维修资源,以信息流引导物质流,确保在需要的时间和地点投入适当的维修力量,实现精确、高效的设备健康管理。
根据基于信息系统的航天发射场设备健康管理的需求分析,论文认为基于信息系统的航天发射场设备健康管理架构主要由资源管理架构、业务逻辑架构、应用表现架构和基础设施架构等组成。
2.1 资源管理架构
航天发射场设备健康管理主要包括两大类资源:一类是有形资源,一类是无形资源。有形资源主要包括各级各类设备管理力量、设备维修力量和设备操作力量,以及检测设备、维修设备、备件等,通常是指具有一定实物、实体形态的资源。无形资源是没有发生损耗的隐性的各类因素,包括知识、经验、标准、方法、技术等等。
在资源管理架构中,信息系统一方面将有形资源以数据的形式采集、存储到数据库中,另一方面将无形资源转化、存储到模型库、方法库、标准库、知识库中。因此,资源管理架构中主要包括各类结构化、半结构化和非结构化的数据信息,以及实现信息采集、存储、传输、存取和管理的各种资源管理系统,主要有数据库管理系统、目录服务系统、内容管理系统等。从信息的流向看,“外部内向”信息资源是设备管理人员所了解和掌握的,对设备健康管理有用的各种外部环境信息,设备健康管理不仅关注设备及其部件的技术状态,而且还关注环境因素、使用因素等对设备健康状态的影响。“内部外向”信息资源是航天发射场设备健康管理的历史、传统、经验做法、案例,等等。
2.2 业务逻辑架构
航天发射场设备健康管理涉及状态监控、健康评估、维修决策支持、规划及控制等许多业务,这些业务之间又存在一定的逻辑关系。在状态监控、故障预测基础上的设备健康管理是机内测试和状态监测能力的拓展,是从设备级状态监测与故障诊断到系统级综合诊断与状态管理的转变。
业务逻辑架构是描述驱动航天发射场设备健康管理活动的主要业务架构,由实现设备健康管理各种业务的功能、流程、规则、策略等组成。在信息系统中对应应用业务的是一组信息处理代码成。业务逻辑架构也包含描述业务对象以及它们之间的关系,包含这些业务对象在业务流程和业务功能中的使用。业务逻辑架构中的一个基本业务流程。
2.3 应用表现架构
应用表现架构是在基础设施架构的支持下,通过人机交互等方式,将业务逻辑架构和资源管理架构紧密结合在一起,并以图形、多媒体等丰富的形式向用户展现信息处理的结果。应用表现架构是航天发射场各项数据、信息流、信息对象以及数据交换界面的综合描述,清楚地表述了在各种应用中的数据以及数据在各应用间的交互。应用表现架构应该能够展现:确定的信息需求、信息的采集与处理、为管理人员提供信息及结果、各种图形的显现。
2.4 基础设施架构
基础设施架构主要由支持航天发射场设备健康管理信息系统运行的硬件、系统软件和网络组成,把在操作层面的IT 管理方面的基础设施要素联系起来。基础设施架构处于支持作用底层,如自动感知技术(传感器、RFID)、监测与控制技术(PLCDCSSCADAD 状态监测)、制造执行技术(MES),直接服务于其它三个架构。基础设施架构为应用表现架构提供高质量的信息对象、软件应用系统(如管理信息系统、决策支持系统),以及系统和数据的交互界面,还提供辅助决策系统(DSS)、工业控制系统(CCS)以及数据库、模型库、方法库、知识库和上级机关及外界交换信息的接口。
3.1 层次架构划分
根据航天发射场设备健康管理的总体架构,为了实现基于信息系统的设备健康管理,可以利用信息技术、网络技术、状态监测技术等,构建有机、集成的设备健康管理体系。该体系可以分层次实施,各个层次可以有机结合,统一规划,分层实施。
3.2 层次架构描述
基于信息系统的航天发射场设备健康管理强调以规划设计层为指导,以业务系统层为主线,以研发工具层为手段,以导航交互层为表现。
3.2.1 规划设计层
航天发射场设备健康管理MIS 的开发必须具有一定的科学管理工作的基础。只有在合理的管理体制、完善的规章制度、稳定的工作秩序、科学的管理方法和准确的原始数据的基础上,才能进行MIS 的开发。因此,为适应航天发射场设备健康管理MIS 的开发需求,航天发射场设备管理部门必须做好规划、设计工作,做好建造、购置和安装的准备,必须逐步完善以下工作:操作、运行、维护、报废等工作的程序化,各部门都有相应的作业流程;设备健康管理业务标准化,各部门都有相应的作业规范;报表文件的统一化,固定的内容、周期、格式;数据资料的完善化和代码化等。
3.2.2 业务系统层
业务系统层包含了航天发射场设备健康管理的基本业务体系,主要有设备健康状态评估、设备剩余寿命预测、故障检测与诊断管理、设备操作与运行管理、设备状态维修管理、日常维护保养管理、备件采购与库存管理等。业务系统层还包含了航天发射场设备健康管理的各项标准,主要有健康状态等级标准、检测诊断技术标准、规范化管理标准、业务操作标准等。航天发射场设备健康管理可以通过MIS 实现业务信息增值,用数学模型统计分析数据,实现辅助决策,反映IT 对业务系统的支持性作用。
3.2.3 研发工具层
研发工具层可以构建和使用各类开发平台或开发工具(包括:数据建模工具、流程管理工具、功能开发工具、报表设计工具、网络开发工具、系统集成工具等)。航天发射场设备健康管理技术人员通过研发工具层能够轻松维护业务需求变化。研发工具层开发的输入功能决定于系统所要达到的目的及系统的能力和信息环境的许可;存储功能是系统存储各种信息资料和数据的能力;处理功能主要是基于数据仓库技术的联机分析处理(OLAP) 和数据挖掘(DM);控制功能对构成系统的各种信息处理设备进行控制和管理,对整个信息加工、处理、传输、输出等环节通过各种程序进行控制。
3.2.4 导航交互层
导航交互层所包含的应用软件系统、信息以及各系统和信息之间的交互界面直接为设备健康管理业务提供了支撑。导航交互层在对业务体系内容进行分析的基础上,可以构建特色应用组件功能,包括设计业务导航舱、展示工作流程、组织设备树结构、图形化工作指引、支持PDA等移动设备使用等。导航交互层设计的中心思想是:以资源管理为中心,以权限控制为手段,以图形界面为交互方式,以定制扩展应对变化。
航天发射场实施以信息系统为支撑的设备健康管理,能够借助信息系统加强设备健康管理工作管控,实时掌握设备健康状态,全面跟踪记录设备维护维修过程;能够为设备健康管理提供准确及时的信息分析;能够利用信息系统实现备件库存预警机制,实现采购——库存——消耗联动,降低备件库存及其备件成本;能够利用信息系统的数据处理能力为设备健康管理决策提供科学依据。航天发射场对关键设备进行状态监测与健康管理,可以提高设备健康管理水平,对于优化设备维修活动、辅助维修决策具有重要意义。
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无人机,顾名思义是无人驾驶的飞机。从20世纪初飞机的诞生起,由于考虑到驾驶飞机的安全性,当时的人们就已经提出了无人驾驶飞机的想法。直至20世纪30年代,英国费雷尔公司将一架“女王”双固定翼飞机改造成无人靶机,开启了无人机进入航空史的序幕。随着无人机技术逐渐成熟,制造成本和进入门槛降低,消费级无人机市场已经爆发,而民用无人机市场处于爆发前夜。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈我国民用无人机研制、销售、使用现状的思考相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
无人机系统(简称无人机)是一种特殊航空器,机上无人而地面有人。无人机系统构成复杂,总体来讲,由“机、站、链”三部分组成,即飞机、地面站、链路。随着航空技术的不断进步,民用无人机快速发展,并得到了广泛的应用。目前,民用无人机的买卖和使用存在一定混乱现象,给我国空域安全甚至国家安全带来一定隐患,因此,如何加强研制、销售和使用(放飞)过程管理工作成为当前重点研究的问题。
2.1 民用无人机研制工作
目前暂未查到关于我国市场上民用无人机的种类及数量的权威数据。据媒体初步统计,目前国内约有130 多家民用无人机生产单位,初步估计已生产了15000 余架无人机。研制单位既有国企、院校,也有中小型民营企业,部分单位以自动化设备或航模的名义从事无人机研制,管理部门难以全面掌握研制单位信息。除少数经过适航审定的民用无人机外,绝大多数无人机研制单位未向管理部门提交其产品的技术性能,管理部门无法评估各型无人机对空域、地面设施及人员安全的影响,进而分类制定针对性管理措施。
2.2 民用无人机销售和购买
民用无人机市场监管力度较弱,普通单位和个人无需提供相关证件及证明文件,就可通过包括电子商务网站在内的各种渠道购买到无人机。近年来,部分无人机已经开始出口国外,出口对象也未收到严格监管。
2.3 民用无人机放飞
民用无人机大多属于“低慢小”目标,在飞行过程中,难以通过地面雷达对其探测;受限于起飞重量、机内空间、能源等因素,难以在机身内部安装航管应答机等航管设备,因此,空管部门难以对无人机飞行状态进行实施监控。无人机“人机分离”,地面人员可以远程操控无人机飞行。在侥幸心理作用下,无人机不经批准“黑飞”的情况多发。
由于研制、销售、使用过程中管理不到位,一旦民用无人机出现飞行事故、非法放飞甚至从事违法犯罪,难以追溯责任单位和个人,这给空域安全和国家安全带来了严重隐患。
当前我国民用无人机给空域安全和国家安全造成威胁,其原因是多方面的。从管理维度上讲,缺少顶层规划、法律法规不完善、技术标准欠缺,执法力度不足等;从技术维度上讲,产品安全性不高,空管设备不适用等等。因此,在后续相当长的一段时间内,应从管理、技术两个维度入手,系统开展改进工作。本文认为,当前急需解决管理部门掌握信息不全面的问题,实现无人机研制、销售、放飞全过程可追溯,一旦出现飞行事故、非法放飞甚至利用无人机从事违法犯罪等问题,能够迅速准确追溯责任单位和个人。
3.1 提高准入门槛,建立准入制度
由于门槛较低,大量企业涌入市场从事无人机研制、销售工作。无人机是一种特殊商品,需要严格的市场准入制度,应明确资质要求,坚决淘汰无资质的研制单位和从事销售的企业和个人,净化无人机市场。
3.2 建立单机档案,加强销售监管
对无人机的管理,最终落实到对单机的管理。在单机出厂时,就应赋予其唯一性标识,并通过条形码、二维码等形式永久标印在机身显著位置。管理部门应开展技术状态标识,对每一型无人机技术状态按功能特性和物理特性分解,根据管理工作的需要从中选择需要进行管理的技术状态项目。无人机的销售、购买、使用、升级、改装等过程涉及的当事方必须实名备案,并记录在单机档案中,实现研制、销售可追溯。
3.3 简化放飞申请,探索航管新技术
造成“黑飞”现象多发的一个原因是目前放飞申请程序复杂,周期长。空管部门应针对不同类型无人机使用空域的要求,简化放飞申请。对于对空域、地面设施及人员安全的影响较小的中小型无人机,建议逐步取消放飞申请,实行备案制。对于其它类型无人机,建议探索航管新技术,通过开展航管设备小型化,加装应答机、自动相关监视设备、防撞告警系统等工作,实现无人机放飞的可追溯。
对于民用无人机的管理归根到底是对单位和个人的管理。实现对无人机的有效监管,首先要做到对所涉及单位和个人的有效监管。净化市场,实现研制、销售、使用可追溯,将在一定时期内缓解甚至扭转当前不利局面,维护空域、地面设施、人员安全和国家安全的同时,为系统提升民用无人机管理水平赢得宝贵时间。随着国家重视程度的不断提高,管理水平不断进步,民用无人机必将实现安全飞行,为我国经济发展和社会进步贡献更多力量。
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信息集成 (集成平台) 是指系统中各子系统和用户的信息采用统一的标准,规范和编码,实现全系统信息共享,进而可实现相关用户软件间的交互和有序工作。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅谈信息集成在航天运输控制系统中的应用研究相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
在航天领域,随着SpaceX 等私人航天企业的涌入,包括Ariane 和ULA 在内的多家航天机构均纷纷感到了竞争的压力,开始研究如何快速、可靠和低成本地实现火箭的发射服务。为了应对挑战,航天运输系统应认真考虑使用性问题,尤其长征系列火箭还未能真正参与国际市场竞争,使我们长期对这方面的需求不再敏感甚至认为没有需要。同时,火箭竞争力往往用运载能力等总体指标来衡量,对于其他分系统能发挥的作用,讨论得甚少。本文将重点探讨信息技术的发展给航天运输控制系统(包括地面测发控系统)带来的机遇与挑战。
目前,信息技术对航天控制的影响,更多聚焦于多传感器的信息融合以及多处理器的并行处理等领域,这体现了信息技术的两个特点:信息量大大增加,信息处理的能力以及需求也大大增加,但信息技术的作用不仅限于此。应该看到,信息技术是基础技术,当基础技术的能力得到了提升,我们同样要回归到基础去重新认识现有的设计,去源头寻找解决新问题的新途径。例如,过去由于处理能力不足而简化或省略的功能是否需要补充完善,总体的风险是否需要进行调整等。
在进行运载火箭控制系统设计时,首先进行系统方案设计,其重点是确定飞行的轨迹并评估精度;在此基础上,按照系统从大到小进行任务划分,例如,首先确定飞行系统与地面测发控系统的任务界面;其次,针对飞行系统中的电气系统,明确控制分系统与测量分系统之间的任务界面;针对控制分系统,再进一步划分设备的组成及其内部软硬件的分工。
未来空间运输系统的任务将更加复杂,对其自主控制能力的要求也更高,总体、控制、动力等多学科融合的趋势愈来愈强,单纯依靠某一个系统的优化设计空间已越来越窄。因此,考虑到未来自主控制以及“快速、可靠、经济”地进出空间的需求,本文分析了信息集成技术在上述设计流程中能够发挥的作用,提出了四个“一体化”的设计理念,即:
1)利用箭上计算装置的计算能力,完成在线自主轨迹规划,实现“制导与弹道设计的一体化”,增强自主控制的能力和适应性;
2)借助于箭上系统的信息处理能力,进行自检测(Built in Test,BIT),实现“BIT 与地面测试系统的一体化”,重新规划飞行系统和地面测发控系统的任务分工,从而达到快速发射和精简技术保障人员的目的;
3)充分发挥箭上智能单机的处理能力,实现“控制与测量系统的一体化”,减少单一功能的设备,并采用平台化的设计理念,避免重复开发,进而降低成本,提高产品成熟度和可靠性;
4)设计通用的软硬件一体化开发平台,实现“模型驱动的软硬件设计一体化”,为方案论证和选型提供统一建模与仿真的环境,确保设计一次成功,避免方案性反复。
由于信息技术的发展,传统的功能领域得以延伸,并且可以集成其他功能;而第四项一体化则为方案设计的早期验证提供了“量化”分析的条件。
1. 1 轨迹优化中的间接法与直接法
传统上制导与弹道分属两个设计领域,弹道设计是离线的静态优化,而制导控制则是在线的动态优化。许多设计约束由弹道设计来保证,制导仅完成与入轨精度相关的终端约束的控制。但是,随着闭路制导技术的应用,制导系统会实时规划满足终端约束的轨迹,有可能偏离标准弹道,从而导致弹道设计中的隐式约束无法得到满足;如果在制导控制中加上这些约束,传统的设计方法有可能得不到合适的解析解。
飞行器轨迹优化问题实际上是一种带有状态约束和控制约束的最优控制问题。解决这类问题,间接法和直接法是最常用的两类方法。间接法基于极大值原理推导最优控制的一阶必要条件,它们构成了求解最优轨迹的Hamiltonian 边值问题,由于不对性能指标函数直接寻优,因此该方法称为间接法。当前的大多数实时轨迹优化方法都对动力学方程进行了不同程度的降阶处理,仅针对某种具体的问题有效。这种应用存在以下不足:1) 约束条件不同,算法会体现很大差异,很难有一个通用的解决方案或框架;2)许多情况下难以得到表达完美的解析解,这时往往要对模型进行简化;3) 即使如此,许多复杂约束还是难以解决,只能对约束条件进行精简,其代价往往由总体承担转嫁到有效载荷。
直接法比间接法出现更早,采用参数化方法将连续空间的最优控制问题求解转化为一个非线性规划(NLP)问题,通过数值求解该非线性规划问题来获得最优轨迹。在计算机技术迅速发展的近30年,直接法有了较快的发展,并且开始应用于航天领域。这些方法的不同体现在对连续最优控制问题的转换、离散化等方面,文献还概述了一些很有应用前景的方法,如伪谱法,滚动时域优化法等,尤其是离散控制变量和状态变量的伪谱法,备受关注。该方法成功应用到国际空间站的调姿优化,但对于大气层内飞行段,其实时性尚未得到验证。
在国内,从多级固体火箭上升段到高超声速飞行器再入段,伪谱法在离线轨迹优化中得到了普遍应用。为提高效率,常采用与直接法结合或串行分段优化的策略,设计一条优化轨迹的时间从数分钟至数秒,并具有了应用于在线制导的潜力。而文献提出的收敛深度控制策略,可将特定条件下的优化时间缩短至100 ms 以内,这为在线优化提供了条件。
如果能进一步提高直接法的计算效能,采用统一的建模方式,实时地解算各种过程约束或终端约束、等式约束或不等式约束,则制导控制与弹道设计就能实现一体化。这不仅是自主飞行控制的需求,也是技术发展的必然。
联立法在过程控制领域应用广泛,国内也开始尝试将这项技术应用到航天运输系统的设计。运载火箭飞行全过程是多阶段、非线性、变动力学模型,以某型火箭为例,其设计约束包括如下部分:
1)入轨精度要求;
2)入轨姿态要求;
3)控制变量的变化率要求( 如全程角速度限制);
4)分离前控制变量保持不变的要求;
5)残骸落点位置的要求;
6)攻角的要求。
传统上只有第1 项约束是制导系统直接控制的,如果同时考虑其他约束,则难以推导出解析表达式,因此其他约束均隐含在标准弹道中。但若在自主控制下偏离标准弹道,上述约束条件就可能都无法满足,这使得制导系统的自主性以及应对突发事件的适应能力均有不足,这也是一体化设计所要解决的问题,即自主的轨迹规划要能满足所有约束。需要重点解决多阶段非线性系统的动态优化、复杂约束动态系统联立优化等技术难题,并对系统模型进行适应性的重构。
1. 2 联立法的解题框架
将火箭运动模型以及各种约束条件按时域划分有限元,并用插值多项式对各变量进行逼近。然后计算Jacobian 矩阵,并将其结果与离散模型送至非线性规化求解器( Nonlinear Programming,NLP)。NLP 对联立的方程进行求解,将计算结果返回离散模型,计算残差。若残差满足要求,则本次轨迹规划成功,将离散的最优解插值成最优控制曲线;如果残差不满足要求,NLP 将进行搜索方向的计算,更新各变量,并再次求解,这一过程反复迭代。
目前,提高计算效率的主要研究方向为以下几个方面:
1)通过自适应移动有限元方法确定合适的有限元个数;
2)通过初值发生技术选择变量的初值;
3)采用多阶段动态联立优化方法( 而非分段串行优化方法)解决质量突变以及推力非线性变化的情况;
4)通过收敛深度控制提高运算速度;
5)合理选择残差避免不收敛的情况。
算法的优化、计算速度的提升以及并行处理技术的发展,都将促进这项技术的应用。从中可以看出,模型离散化与具体飞行的任务需求相关,其他工作均可以由计算装置自动完成,从而提供了一种通用的解题框架。该技术的突破,将为此类问题的实时动态求解开辟新的技术途径,其应用也不仅仅局限于航天运输系统。
2. 1 现状分析
简化测发控操作,减少发射准备时间,精简现场保障人员;同时提高测试覆盖性,缩短天地差异性,加强设备通用性,这些看似矛盾的需求,是当前对测发控系统的新要求。渐进式改进已难以大幅提升性能,必须从源头重新规划,即将箭上控制系统的设计与测试发控的需求结合起来统筹考虑。在这方面,日本Epsilon 固体小运载火箭甚至提出了移动发射控制的概念,通过网络可以在世界的任何一个地方利用一台便携式计算机方便地检查和控制火箭发射,主要实现流程控制;而火箭发射准备阶段的测试以及故障诊断、重构等工作全部由箭上系统来自主实现,并将是否满足发射条件传送至地面供控制中心人员决策。而国内的研究更多着眼于传统地面设备的整合,实现地面设备的统一化设计和型号之间的共享,对如何利用箭上系统的自检测功能来简化地面测试还少有论及。
结合我国的实际情况,虽然利用箭上设备BIT功能实现自检测(数据采集) 被认为是可行的,但将数据的分析、故障的诊断以及是否满足发射条件的决策仍交由地面指挥控制中心来完成,是箭、地任务分工较为合理的一种方案,目前已进入了应用研究阶段。
2. 2 总线窃听与箭地高速测试总线
与Epsilon 的方案相比,箭上设备只负责数据的采集,这样减轻了箭上产品的负担;箭地之间设计大容量的高速测试总线(High-speed Measurement Bus,HMB),按传输速率≮20Mbps、通信距离≮200 米设计,基于HMB 的数据采样称作“总线窃听”技术,以区别于1553B 总线等的“总线监听”技术。
考虑到箭载计算机是火箭控制系统的主控设备,对其机内数据总线的检测相当于获取了与计算机相关的所有输入(对应各种传感器)和输出(对应各种控制指令) 信号,因此将数据监测点设置在箭载计算机的机内总线端;同时为避免对飞行软件的影响,这些检测应全部自动实现并将数据通过HMB下传至测发控系统(自动窃听并发送)。为便于箭、地主动的收发通讯,设计单独的用户邮箱。
HMB 将在箭、地系统之间建立统一的接口,在活动发射平台的前端设备间配置一台通讯终端,通过该终端利用网络通讯,可以将数据传送至指挥控制中心的数据处理终端或后方系统设计单位。为保证通讯的可靠,应适应并接两个或多个通讯终端的情况。
2. 3 自动判读与闭环测试
借助于HMB,首先可以实现“基于模型和数据驱动的自动判读”。地面能够直接“窃听”到飞行控制软件的输入信号及产生的控制信号;其他总线站点的信号封装成遥测量,由箭机作为总线控制器转发给遥测系统时,地面通过对总线接口的监测也能获取这些数据,于是地面系统可以据此采用相同的算法(模型)进行箭上控制过程的同步推算,并将计算结果与箭上设备进行对比,这就是“基于模型”和“数据驱动”的含义。理论上二者的处理结果除计算误差外应基本一致。当然地面与箭上的开发小组应不同,采用类似于多版本的经验来消除共因失效。这种分析是自动且近似“实时”的,并且对测试用例不敏感:当用例改变,即箭上各种控制器的输入条件改变时,箭上与地面系统的计算结果也都发生改变;但只要二者一致,说明系统工作正常,并不需要提前准备固定的判据。这种分析技术为闭环测试提供了便利,以控制系统总检查测试为例。
可以看出这种测试是闭环的。地面仿真计算机通过HMB 获取发动机摆角信息,仿真箭体的运动,并将解算后的速度、位置和姿态转换为惯性测量设备的信号,通过箭地邮箱反馈至箭载计算机中,形成闭环反馈控制系统。这种将被控系统的模型与电气系统匹配性测试集成在一起的方案,称作“系统在回路”的综合试验方案,结合了电气系统测试和仿真试验二者的优点。例如,在地面仿真软件中设置不同的干扰状态,从而产生不同的测试用例(但并没有改变硬件的状态),增大了测试的覆盖性;而通过前文介绍的智能判读技术,数据的分析全部自动进行。更主要的是,这种测试可以在总装厂、发射现场实施,从而大大提高在这些场合测试的有效性和覆盖性。
通过上述任务的重新分配,由此可以梳理出新型测发控系统的特点:
1)箭地之间的连接除供电信号外,其余将以标准化的数字总线为主,这简化并且规范了接口关系,易于型号间通用。
2)地面测试的工作性质已转变为数据分析,“测试与发射控制系统”将转型为“发射控制系统”,重点是流程控制。
3)测试数据的分析采用与箭上设备同样的模型,将专家事后分析数据的过程实时化、智能化,减少了控制中心或后方单位的技术保障人员;具备对不同测试用例的“自适应性”,创造了闭环测试的条件,在简化操作和测试的同时增强了地面测试把关的力度。
3. 1 现状分析
控制与测量系统是火箭电气系统的两个主要组成部分。为避免共因失效,测量系统一般独立于被测系统之外。但随着电气产品整体可靠性和成熟度的提升以及各种冗余技术和BIT 技术的使用,这种独立的系统设计方案显得过于复杂,主要体现在以下方面:
1)控制系统产品的可靠性、环境适应性、地面试验考核的力度均得到很大提升;
2)控制系统采用各种高性能的处理器,不仅具备BIT 的能力,且在采样精度、采样频率、数据处理等方面已超过遥测系统数据采集单元;
3)控制系统普遍采取冗余设计,并基本解决了“单故障点”问题,使得BIT 测试具备了冗余能力,提高了BIT 测试的可靠性。
国外火箭也意识到了这一点,例如法宇航在“Avionic-X”项目中,提出两个系统一体化的初步设想,以“飞行控制单元1”为例,包含有控制与测量各自的数据处理模块(类似于计算机)、卫星导航(GNSS)模块、惯性测量模块以及共用的供电模块等,并开始借鉴航空系统中的“集成模块电子系统”架构。
国内也较早地开展了航天电气产品模块化、集成化的应用研究,提出通用信息化的集成框架,但尚未考虑分系统间的集成。在综合分析可靠性、成本双重因素下,测量分系统中的相关功能,尤其是用于对控制系统信号进行采样、编码、传输的各种数据采集单元,具备了与控制分系统一体化设计的条件。
3. 2 模块化/组合化/集成化设计
控制与测量功能的集成并非简单组合,需要电气系统从顶层进行规划,按照“模块化/组合化/集成化”(以下简称“三化”) 的思想进行设计,并要兼顾地面测试的需求。
从新一代运载火箭控制系统的研制看,随着数字化技术的应用,控制系统智能单机( 指含有CPU的单机)的配置均基本相同,均含有标准化总线接口、处理器、存储器、时钟、FPGA、电源模块、总线协议芯片等,不同之处都集中在I /O 接口上,例如,伺服控制要采用放大器接口,时序和阀门控制要采用大功率的开关量接口,推力调节则主要是脉宽调制控制和脉冲量接口,等等。因此,上述“三化”设计的思路是,在基本配置均相同的前提下,通过配置不同的I /O 接口,实现各自特定的功能,从而避免重复开发、CPU 种类繁多等不利于资源共享、成熟度提高和降低成本的开发模式,这就需要对各种基本模块和接口模块进行合理规划。
含有处理器的设备主要有箭载计算机、各级(类)控制器以及各类惯性测量设备,这些设备都可以采用“三化”的设计,从而形成不同的集成控制单元。
每个集成控制单元除完成控制以及自身的自检测功能外,还可以兼顾“周边”相关非智能设备信号的检测,如各种传感器信号、配电信号等,其思想是尽可能多地发挥处理器的“富裕”能力,减少单一功能的单机。集成控制单元采用平台化设计,通过基本模块和I /O 模块组成各类具体产品。其中基本模块为CPU 模块、供电模块和BIT 模块,而其他典型I /O 模块包括:GNSS、惯性测量模块、开关量输入/输出接口(DI /DO)、放大器接口、各种总线接口和检测模块等。
集成控制单元的体系结构还应能适应下述不同需求:1)整机级冗余设计:如计算机、各级控制器的设计;2)系统级冗余设计:如多惯组冗余,每套惯组内采用单模方案;3) 多机并行处理设计;4) 非冗余设计:如检控器等。如果设计平台考虑周到,还可以兼顾无CPU 状态的设计,如综合配电器等。
在这种一体化设计中,不再需要针对控制系统的各种数据采集单元,测量信息将主要由总线监视器获取,飞行软件承担“飞行控制”与“数据管理”两个主要的、优先级不同的任务,这可以在操作系统的支持下完成。此外,操作系统或软件中间件还可以屏蔽软件对不同硬件配置的依赖,从而增强软件的重用性。
4. 1 现状分析
当具体到设备功能的划分以及集成控制单元的设计时,传统上称作“系统综合设计”。一般参照原有的型号进行设计,或者技术发展带来设备功能增强后,体积、功耗降低,可以将多台设备组合成一台。
在绝大部分情况下,上述两种方法应用得很好。但其不足是没有将系统方案( 算法) 的设计与硬件载体紧密关联起来,当在地面计算机上完成算法设计后,需要向性能相对受限的嵌入式目标系统转化,这样的转化过程存在风险。由于最终设计的可行性需要硬件、软件的原型产品才能进行验证,因此,在方案论证过程中不同方案选优就没有一个可以量化的评估值,难以实现“从定性到定量综合集成”的跨越。
随着电子技术的发展,硬件与软件的一体化设计已逐渐成为可能,在航天领域,也开始采用“模型驱动工程”(Model-Driven Engineering,MDE)方法开展设计,而国内随着自主知识产权CPU的突破,为本项技术研究创造了条件。
4. 2 软硬件一体化设计
MDE 在航天控制上的应用。在该方法中,控制系统的“算法设计”、“软件开发”、“硬件开发”这三个“V”字型开发模型被有机集成在一起,系统方案设计中的算法将首先转化为可以在仿真器上运行的软件代码,然后该代码与硬件设计一并集成到硬件模型中进行协同仿真,从而具备了在没有硬件载体且针对目标硬件的设计仿真能力。
系统综合设计离不开设计平台,该平台必须能为系统设计人员迅速搭建原型模型并进行验证,这也是广义上的“定量综合集成”的基础。
设计平台为具体产品的软硬件分工创造便利条件,可以首先选择一个方案,若不满足要求则进行调整,因为此阶段调整成本较低。为校验算法的可行性,需选择某个处理器IP 核,并用原型法设计出应用软件,然后集成在一起仿真校验。应用软件( 包括飞行控制软件、嵌入式操作系统等) 首先编译成该CPU 的目标码,由指令集仿真器( Instruction SetSimulator,ISS) 进行调用。ISS 是一个虚拟微处理器,它将目标码进行解码和执行,对外通过处理器总线功能模型与硬件仿真器进行交互。总线功能模型实现从指令级到周期级的转换,产生总线周期的序列,并实现总线接口功能,驱动这些信号进入硬件仿真环境;同时对总线周期响应进行取样,并传送回软件环境,从而实现软硬件协同仿真。
采用联立法解决真空段多约束条件已取得一定成果,研究对象正向全过程(包含大气段) 动态轨迹规划等方面扩展,重点解决实时性问题。以新一代中型运载火箭为契机,基本实现了BIT 与地面测试的一体化设计,利用HMB 以及总线“窃听”技术,地面系统已经能够实现与箭上设备的同步解算和分析,在提高效率、节省人员等方面取得了显著效果。
对于控制与测量系统一体化设计而言,航天综合电子技术是其关键技术,将涉及新型电气系统架构的划分以及高速总线(系统级、背板级) 互联技术。软硬件的一体化设计得益于电子工业水平的提升,但仍需要更多具有自主知识产权的嵌入式处理器IP核,才能提供更多的设计选择。
信息技术的发展,提供重新审视控制技术应用现状以及发展方向的机会。无论是更强的计算能力、更高的集成度、还是更加先进的建模与仿真技术,在改变技术、产品的同时,也会改变研发模式,其影响将更为深远,也将促进信息技术与航天控制技术真正意义上的融合。
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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。以下是读文网小编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!
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.
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.
1.4 临近空间高超声速飞行器
以全球快速到达为主要目的的临近空间高超声速飞行器, 主要性能特征为: 飞行马赫数3~10, 在临近空间内的飞行时间为几百至上千秒、飞行距离几百至上万千米、飞行高度20~100 km. 目前, 此类飞行器可分为两类: 一类是吸气式动力巡航高超声速飞行器, 以美国Hyper-X计划中X-43 系列飞行器[28~32]和HyTech计划中使用的X-51(http://en.wikipedia.org/wiki/Boeing_X-51)系列飞行器为代表; 另一类是无动力滑翔式高超声速飞行器, 以美国FALCON计划中的HTV系列飞行器为代表. 部分典型临近空间高超声速飞行器如图7 所示. 这类飞行器的主要技术特点包括:
(1) 高升阻比气动布局. 临近空间高超声速飞行器具有速度高、速域宽、巡航高度高、航程长等特点,因此必须选取宽速域的高升阻比的气动外形, 常见的外形如升力体、翼身融合体、乘波体等.
(2) 气动热环境严酷. 此类飞行器需要在大气层中长时间高速飞行, 飞行器表面与大气将产生剧烈摩擦, 累积的热载荷不断增加, 局部温度甚至超过2000℃, 由此带来的热防护要求极高.
(3) 吸气式高超声速推进. 动力巡航高超声速飞行器常常采用吸气式推进的动力系统, 这种动力系统不需要像火箭那样自身携带氧化剂, 可以直接从大气中吸取氧气, 具有经济性好、重量轻等优点. 当前采用较多的吸气式高超声速推进技术主要包括超燃冲压发动机技术和组合动力技术.
具有上述技术特点的临近空间高超声速飞行器,在工程研制中主要面临如下技术难题:
(1) 宽速域高升阻比外形设计难. 由于此类飞行器需要采用高升阻比气动布局, 而常规的气动外形设计在高超声速条件下难以突破升阻比的屏障, 加之高速大空域的飞行环境会给飞行器带来非常复杂、严峻的气动力/热问题, 因此如何高效准确地预测与评估高超声速飞行器在高速大空域环境下的气动力/热性能, 成为高升阻比气动布局设计面临的重要难题.
(2) 热防护设计难. 由于临近空间高超声速飞行器具有高升阻比的复杂外形, 气动热环境严酷, 因此需要对热环境进行精确预测, 并在此基础上采用精细的非烧蚀热防护技术以维持飞行过程中的高升阻比外形不变, 这就需要从防热材料、防热机理和结构设计上进行深入的探索.
(3) 吸气式推进系统设计难. 超燃冲压发动机是当前吸气式推进动力系统的研究热点, 由于超声速条件下的点火被喻为是“在飓风中点火柴”, 燃烧室中的超声速燃烧过程也极其复杂, 因此认识和探索其现象和机理是超燃冲压发动机设计中最具挑战性的问题. 另外, 推进系统还需要与机身进行一体化设计, 这又为总体设计带来了困难.
鉴于上述4 类新型航天器的技术特点和工程研制面临的工程难题, 从力学研究的角度出发, 可以概括出但不局限为以下4 大类10 个亟需在力学学科方面展开攻关的挑战性问题.
2.1 动力学与控制
动力学与控制是新型航天器研制过程中的基础支撑学科. 新型航天器由于总体设计、控制精度、所处空间环境的要求不同, 导致其研制过程中出现一系列新的动力学与控制问题.
(ⅰ) 大型复杂结构动力学建模与仿真问题. 随着航天任务的复杂性越来越高, 航天器结构也向着大型复杂化发展. 以带大型桁架式网面天线为代表的新型航天器为例, 其总体设计往往包含大量铰链和绳索等非线性结构, 而工程研制方面一般都针对该类结构进行简化处理, 但铰链间隙等非线性因素对部件展开过程和展开锁定后的动力学特性都存在重要影响, 同时也是导致天线在轨故障的重要潜在因素, 虽然目前对于该类问题进行了大量的仿真, 但离工程实际需求还有较大差距.
因此, 基于上述新型航天器的技术特点和研制难点问题, 大型复杂结构动力学建模与仿真问题主要涉及几何和接触非线性理论机理、非线性结构力学模型建模方法、接触非线性结构机热一体化建模方法、工程适用的非线性结构多体展开动力学预示方法、_刚柔耦合结构动力学精确建模方法和星箭耦合动力学建模方法等方面的问题. 这些问题的存在, 对力学在机理、模化方法、工程实用化分析等方面的研究带来巨大的挑战性.
(ⅱ) 器箭耦合力学环境分析和预示问题. 大型空间飞行器和重型运载火箭, 由于采用新的构型和结构参数, 导致整体系统体结构传递特性发生重大变化, 且系统级动力学特性复杂, 尤其对于大型空间飞行器和重型运载火箭及其组合体而言, 纵、横、扭模态耦合现象突出, 增加了新型航天器结构振动传递分析以及有效载荷界面环境预示的难度. 同时, 器箭在发射段承受着恶劣的振动与噪声等力学环境.这些力学环境分析与预示的准确与否直接关系到这些新型空间飞行器和重型运载火箭总体设计的优劣.当前, 国内外虽然已经在中低频段开展了大量的研究工作, 但是对于全频段的环境预示问题, 仍然是研究热点问题之一.因此, 结合新型航天器的具体设计难点, 器箭耦合力学环境分析和预示问题包含如下主要力学问题:火箭发动机的振动和噪声量级及其产生与传播机理、集中力扩散结构的传力路径优化方法、大型有效载荷界面低频振动环境预示方法与大型整流罩噪声环境预示等. 该类问题的存在, 给采用新构型和结构参数的新型航天器带来了产生机理、仿真方法等方面研究的挑战.
2.2 固体力学
固体力学作为一门应用基础学科, 在新型航天器设计中起到至关重要的基础作用. 在本文所述的4类航天器中, 由于结构形式、飞行器剖面的不同, 给固体力学学科带来如下挑战性问题:
(ⅰ) 复合材料结构设计问题. 复合材料由于具有强度高、刚度大、重量轻并有抗疲劳、减振、耐高温、可设计等特点, 因此除具有承载性能外还用于实现吸波、透波、耐热、防热、隔热等其他功能. 当前,小尺度、构型简单的复合材料结构, 已经广泛应用于运载火箭、卫星等航天器部段级设计过程中, 从而满足结构的高承载要求. 但由于重型运载火箭和大型空间飞行器需要大尺寸、轻质复合材料结构, 而临近空间高超声速飞行器和可重复使用运载器需要大面积防热、结构承力一体化的复合材料结构, 因此,这类复合材料结构从机理到工程研制均需进行多方面的研究.
要解决这类复合材料结构设计问题, 亟需在力学方面开展大尺寸复合材料结构带来的尺寸效应机理研究, 复合材料等效力学模型研究, 多功能结构一体化设计方法研究等.
(ⅱ) 力热耦合问题. 可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器, 由于具有跨速域、跨空域等特点, 因此在飞行过程中将经受气动热、气动力、振动、噪声、过载、冲击等严酷的力热耦合环境的考验. 这些环境不仅会引起材料产生热应力, 改变结构的有效刚度等参数, 而且会引起飞行器结构产生薄膜应力、大变形、热屈曲等, 使结构动态响应表现出强非线性特征. 由于常规线弹性理论很难适用, 因此, 力热耦合问题已经成为制约这类飞行器气动布局设计和热防护设计的瓶颈.
这类力热耦合问题是典型的高温固体力学问题,从力学角度需要重点开展研究的问题主要包括: 高温环境下结构模态演化规律研究、力热复合载荷作用下结构动响应研究、力热复合载荷作用下结构损伤演化与疲劳寿命预示及力热复合环境综合试验验证方法等.
2.3 空气动力学
可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器,具有气动外形复杂、飞行速度高等特点, 在研制过程中面临如下有挑战性的空气动力学问题:
(ⅰ) 物理化学效应影响下的流动机理与模拟问题. 这类新型航天器在大气中进行高超声速飞行时,不仅在飞行器表面会产生由真实气体、壁面滑移等诸多物理化学效应导致的复杂流动, 而且在吸气式发动机内部还存在超声速燃烧的化学反应流动现象.这些物理化学效应主要涉及如热化学非平衡、超声速燃烧反应、等离子体鞘套等流动问题. 目前, 针对此类问题的机理认识及模拟手段都相当有限, 这为这类新型航天器的总体设计和精确控制带来诸多困难.
要解决这类物理化学效应影响下的流动机理与模拟问题, 需要从力学角度重点开展流动机理研究,燃烧动力学、有限速率化学反应、滑移边界等模型研究, 数值模拟和风洞试验方法研究等.
(ⅱ) 复杂流动的精细模拟问题. 临近空间高超声速飞行器由于整体或局部的外形复杂, 在飞行过程中存在激波/边界层干扰、可压缩湍流等高超声速复杂流动现象. 为保证飞行器的结构、材料、动力等相关系统的正确设计, 必须对复杂流动引起的气动力/热特性进行精细化研究. 但是, 由于机理复杂、特征尺度小, 这些流动的精细模拟非常困难, 从而给这类新型航天器的气动布局设计、热防护设计带来了挑战.
要解决这类复杂流动的精细模拟问题, 需要从力学角度重点开展复杂流动的机理研究, 高超声速转捩和湍流模型研究, 激波/激波干扰、激波/边界层干扰、流动分离等复杂流动的精细数值模拟与风洞试验方法研究, 以及必要的飞行试验验证.
2.4 力学交叉学科问题
航天器的研制过程涉及到动力学与控制、固体力学、流体力学、计算力学、实验力学等多个力学学科之间的耦合交叉应用; 而新型航天器的研制, 由于构型复杂、刚-柔-液耦合特性突出、空间环境更加苛刻等特点, 给力学交叉学科带来如下挑战性问题:
(ⅰ) 非线性刚-柔-液耦合动力学分析问题. 重型运载火箭与大型空间飞行器, 由于具有结构尺寸大、构型复杂且采用串/并联布局的多个大型全管理储箱等, 同时推进剂消耗导致航天器结构重量持续减少, 太阳翼和天线等外伸附件在轨展开过程中整星结构和构型也将持续变化, 导致航天器的刚-柔-液耦合特性突出. 而现有的研究以理论方法为主, 难以反映航天器的真实特性且无法满足航天器总体设计和控制系统的高精度要求.
要解决这类非线性刚-柔-液耦合动力学分析问题, 需要重点开展刚-柔-液耦合机理、刚-柔-液耦合动力学建模、非线性晃动动力学模型、非线性晃动与振动特性性能评估方法以及试验验证方法等研究.
(ⅱ) 大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制问题. 大型空间飞行器由于构型庞大、在轨组装和操控, 是一个典型的变结构、变构型、变参数组合体.在轨运行中液体晃动、柔性振动、航天员活动、带载与空载机械臂的大范围运动等多种扰动, 同时舱段扩展、大型实验载荷增减等任务, 使组合体呈现时变的动力学特性, 其动力学与控制存在强耦合. 因此,为准确获取在轨精确控制模型, 大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制是这类大型空间飞行器总体和控制系统设计必须要解决的关键问题.
要解决这类大型变结构组合体建模、辨识和振动抑制问题, 需要重点开展大型变结构组合体动力学建模与分析方法、柔性多体动力学建模方法、变结构组合体动力学模型参数在轨辨识方法、大型柔性附件振动抑制方法等研究.
(ⅲ) 气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题. 可重复使用运载器和临近空间高超声速飞行器, 由于经历不同的空域与速域, 且在大气层中长时间飞行, 因此总体设计一般采用细长体或翼身融合体气动布局, 并广泛运用轻质材料与大型薄壁结构,同时控制舵面多, 从而带来一系列气动弹性与气动伺服弹性问题. 尤其由于刚柔耦合问题突出, 其气动加热环境下的气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题更为复杂, 已成为这类新型航天器总体设计和控制系统设计不可逾越的关键问题. 要解决这类气动弹性与气动伺服弹性结构耦合动力学问题, 需要重点开展高超声速非定常气动力计算理论与计算方法、热气动弹性和气动热伺服弹性的机理和建模方法、结构静/动态特性对飞行器性能的影响分析等研究.
(ⅳ) 微振动性能分析与抑制问题. 大型空间飞行器由于活动部件多、姿态稳定度和指向精度要求高, 对其产生一系列幅值较小、频率较高的微振动成为总体设计中一项关键性的影响因素. 虽然国内外已经在反作用轮、热致微振动等方面开展多项研究,但由于微振动属于典型的力学交叉学科问题, 其响应分析与抑制研究极具创新性和挑战性, 目前仍是国内外研究的热点问题之一.
要解决这类微振动性能评估与抑制问题, 需要重点开展微振动源的产生及传递机理、微振动耦合动力学模型、微振动响应测量方法和微振动抑制方法等研究.
综上所述, 当前及未来功能性更强、复杂性更高、个性化更突出的新型航天器, 具有结构大型化、构形复杂化、服役环境极端化、多因素耦合化等标志性的特点. 但由于现有力学手段的局限性和模拟真实环境的困难, 对力学学科解决工程问题提出新的挑战. 这些挑战性问题既有要解决的机理问题、方法问题, 也有要解决的工程应用问题. 因此, 需要将新型航天器工程方面的需求与力学学科的发展紧密联系起来, 实现工程与科学的相互结合、相互促进, 从而给航天工程提供理论支持, 提升采用力学基础知识解决工程问题的能力.
为促进航天科技与力学学科的发展, 建议: (1)充分发挥各工程单位、科研院所与高校的协同创新作用, 形成以工程需求为牵引、力学作为基础支持的相互支撑发展模式, 注重创新性研究, 尤其重视地面试验与模拟试验、自主性分析软件的开发与使用问题.(2) 重点结合重大专项计划, 针对工程关键技术问题、基础性问题, 开展相关航天工程相关力学学科关键技术的研究与攻关, 并对于力学多学科耦合交叉问题给予重点关注, 以提升我国新型航天器的研制水平和创新能力. (3) 加强国内外交流和人才培养,提升航天工程人才队伍水平和解决航天器工程力学问题的能力.
本文是在香山科学会议第508 次学术讨论会“新型航天器中的力学问题”的大会主题评述报告基础上编写完成. 需要说明的是, 新型航天器中的力学问题其实有很多, 且由于新型航天器的发展将呈现更多的样式和复杂性, 因此带来的挑战性力学问题也将日趋复杂和多样, 需要持续不断加强对其研制难点的分析和力学问题的认知. 本文提到的问题, 只是从工程实际需求出发梳理出的需要解决的最关键的“拦路虎”.更详细的问题和分析, 留给中心议题和专题去描述.同时, 鉴于本人的认知, 文中所述仅代表作者个人观点, 肯定存在不全面和不当之处, 欢迎批评指正.
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电源系统(Power System)是由整流设备、直流配电设备、蓄电池组、直流变换器、机架电源设备等和相关的配电线路组成的总体。电源系统为各种电机提供各种高、低频交、直流电源,维护电机系统的平稳运行。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅析太阳能无人机电源系统的发展现状与展望相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
太阳能无人机技术的发展成熟,依赖于以太阳能为输入能源的电源系统的技术发展,最早该电源系统用于卫星、空间站、宇宙飞船的供电,随着作战需求的多样化和太阳能光伏发电技术的成熟化,使得太阳能电源系统成功地应用于临近空间无人机上,从而拓宽了新的设计领域。
太阳能飞机是利用机翼铺设太阳电池阵,机身和机翼内部的安装储能电池组,并通过电缆网和电源控制器为飞机机载设备及推进系统提供能量,完成飞行任务。具有代表性并实现长时间留空飞行的太阳能无人机有美国的Helios,英国的Zephyr,瑞士的Sky-Sailor 等。
太阳能无人机为了达到足够的照射面积,一般飞机尺寸较大,翼载小,飞机的结构质量相对较低,这就要求太阳能电源系统本身的质量不能过高,并有更高的质量比功率。由于在飞行过程中,能量的吸收率会在不同季节,不同时间有很大变化,在优化航迹和动力系统的基础上,必须选择效率更高的太阳电池和储能电池,并对电源管理系统提出了更高的要求。太阳能飞机电源系统的可靠性,可维护性和操作性要高,要有相应的可扩展性和升级能力,适应重复使用和较长寿命周期的要求。在高空飞行的太阳能飞机,还要求其电源系统具有较好的低温特性,在临近空间低温低传热的极限环境下仍能保持较好的充放电能力。在选择太阳电池和制造过程中,也要考虑到价格因素,由于要实现产品化,对性价比提出了更高的要求。
1.1 系统组成
太阳能无人机的电源系统一般由发电子系统、储能子系统、电源控制子系统共同构成。电源系统在飞机上与飞控系统、航电系统、动力系统等相连,另外,电源系统还要与地面的控制站实现数据通讯。
1.2 太阳能无人机电源系统特点
太阳能无人机电源系统不同于卫星电源系统设计思想,既要保证系统的高可靠性,又要要求质轻效优,还要具备在大气环境及临近空间内的环境适应性,并且在设计与选材上考虑高性能价格比和性能质量比。
2.1 发电子系统
太阳能功率密度会随着高度增加而提高,从地面上的80 mW/cm2 上升到太空中的136.7 mW/cm2。采用太阳辐射能作为发电单元,可以实现长时间留空飞行;且太阳能是清洁能源,飞机不用安装排气装置,不会对环境造成污染,也不会对机载大气测量传感器带来干扰。
铺设在机翼和尾翼表面的太阳电池,以硅基太阳电池和化合物太阳电池为主。目前成熟的可用于太阳能飞机的太阳电池主要有单晶硅太阳电池,非晶硅太阳电池,GaAs 系列太阳电池,CIS(CIGS)系列太阳电池等,其中非晶硅和CIS(CIGS)系列太阳电池为薄膜太阳电池。
2.1.1 硅太阳电池
硅太阳电池可以分为三种,单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池。其中单晶硅太阳电池的转换效率最高,大量用于航天飞行器的发电系统,单晶硅太阳电池单体转换效率可以达到20%,目前国内应用型单体厚度达到150 mm,组件级转换效率达17.5%(AM1.5,25 ℃),多块单体的阵列串联可实现在柔性机翼上大规模铺设。单晶硅的制备和原材料价格较高,使得电池成本居高不下,制约了单晶硅电池在太阳能飞机上的广泛应用。多晶硅太阳电池成本较低,但是转换效率较低,现阶段技术还不能满足太阳能无人机的能量需要。美国Pathfinder 无人机上使用了单晶硅太阳电池,其组件平均转换效率达到15.29%。
非晶硅a-Si 薄膜太阳电池作为单晶硅的替代品,目前成为一种最具潜力的研究对象,利用柔性轻质衬底制备的电池模块,使得非晶硅电池的转换效率提高到10%以上。美国USO(United Solar Ovonic) 公司声称其非晶硅产品采用一系列新技术已经将电池效率提升至12%(AM0),采用聚合物衬底的研究和开发使得电池单体质量比功率超过1000WK。非晶硅薄膜电池被“西风”无人机选作为主电源,完成了多次长时间飞行测试。
2.1.2 GaAs 系列太阳电池
砷化镓(GaAs)太阳电池比硅太阳电池具有更高的转换效率,但价格昂贵。受大范围温度循环影响小而且抗辐射性能好。它可制成薄膜和超薄型太阳电池,其有源层只需3~5 μm,就可达到较高的吸收系数。目前,由于金属有机化学汽相外延技术的日益完善,普通GaAs 电池逐步被特性更好的异质衬底和多结级联太阳电池所取代。
1993 年,ASEC 公司的GaAs/Ge 电池在美国制成。这些砷化镓单体通过金属有机物气相外延生长的方法生长在一个活性不强的锗元素基上。这些电池单体都是6 cm×6 cm 大小,厚度为8.89×10-2 或11.43×10-2mm,极其容易破碎。在高空环境下,电池单体的效率在14%到19%之间。GaAs/Ge 电池最高单体效率可达20.43%,Iles 等人对其进行的研究结果显示GaAs/Ge 电池比一般的GaAs 电池具有更好的抗反向击穿能力。近年来,围绕多结GaAs 电池的研究取得了一定成果,四结GaAs 电池的理论效率高达43%。其中GaInP2/GaAs/Ge 三结电池已成功应用于国内卫星、飞船等空间产品上,转换效率不低于28%,厚度仅175 μm。
2.1.3 CIS 系列太阳电池
从20 世纪80 年代以来,铜铟硒(CIS)和铜铟镓硒(CIGS)薄膜太阳电池以其廉价、高效、接近于单晶硅太阳电池的稳定性和较强的空间抗辐射性能等优点而成为最具潜力的第三代太阳电池材料。目前,围绕CIGS 电池的研究方法非常多,国外采用多源蒸发法制备的电池已经将电池效率提高到19.5%,国内研究人员也制成了效率超过14%的成品。利用柔性衬底的薄膜技术,CIS(CIGS)电池的质量比功率和抗辐射能力也有巨大提高。但是目前该系列电池受制备工艺复杂性的限制,如何制造大面积薄膜电池阵,实现商业化还有许多课题需要研究。目前,国外CIS 和CIGS 电池的应用主要是航天器太阳电池阵。
2.2 储能子系统
太阳能飞机能源存储系统在整机质量中占有较大的比例,这是因为各种储能电池的比能量还比较低,历史上,太阳能飞机上应用的储能电池先后采用了银锌电池、镉镍电池、氢镍电池、锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等。目前较为先进的轻小型太阳能飞机仍采用传统的锂电池,氢镍电池等传统电池,具有较高的轻便性和可靠性。大型高空太阳能飞机多用大规模锂离子电池、锂硫电池、燃料电池等高比能量电池,使得飞机能够飞得更高,加载更多的有效载荷。
2.2.1 锂离子电池
锂离子电池是目前普遍应用于先进太阳能飞机上的储能装置,Solong 太阳能飞机上搭载了5.6 kg 锂电池,Solar Impulse太阳能飞机在其昼夜飞行实验中,采用了400 kg 的锂电池。锂离子电池优点是工作电压高达3.6 V,充放电寿命长,比能量高(可达150 Wh/kg),无记忆效应,维护方便,无污染。缺点是如果出现过充电,Li+ 将以单质状态出现,电池也可能会产生安全问题。因此,国内外研制开发了多种锂聚合物电池,提高其安全性。锂聚合物电池中的固态高聚物同时充当电解质与隔膜,从而提高了电池比能量。目前国内锂离子电池采用新型高能多元复合材料,单体比能量可以达到235 Wh/kg,组合后电池组比能量达到200 Wh/kg 以上。
与锂离子电池相比,锂聚合物电池结构可燃性低、体积小、质量轻、比能量高、自放电小、可制成任意形状。NASA 正在开发的一种适合空间用及民用的改进型锂聚合物电池研究目标为质量比能量200~250 Wh/kg,体积比能量为350~400 Wh/L,25%DOD 循环寿命周期为35 000 周,100%DOD 循环寿命周期为2 000 周。目前,锂聚合物电池未能应用于太阳能无人机,关键是其低温特性不良的问题,在高空低温低压环境下,对于储能电池特性是一个巨大挑战。
2.2.2 锂硫电池
“西风”搭载的储能电池为锂- 硫电池,为其夜间飞行提供动力,比能量是锂聚合物电池的2 倍。该电池不仅比能量高,并且能以大电流状态下连续放电,以保证为太阳能无人机推进系统大功率供电。单质硫的理论比容量为1 675 mAh/g,与锂组装成电池,理论比能量可达2 600 Wh/kg,具有相当可观的研究前景。美国Sion Power 公司制造的锂硫电池产品比能量在350~380 Wh/kg 左右,质量14~16 g,容量为2.4~2.8 Ah。但是目前该项技术还不成熟,锂硫电池还存在安全性问题,目前国内研制的锂硫电池在大电流放电状态下不稳定。另外,循环性能不高的问题还需要进一步研究解决。
2.2.3 燃料电池
与蓄电池基础储能系统相比,再生燃料电池系统(RFCS)因为比能量和电效率不具备足够的吸引力,使得其没有得到足够的重视。后来采用轻质压力容器设计改进减轻了质量,改善了性能,使RFCS 能源储存系统的比能量的提高成为可能。该项技术应用于NASA 的“太阳神”无人机,其比能量达到790 Wh/kg,发电效率可达到53.4%。
目前,RFCS 技术的主要研究重点在于电解池电解水的效率问题,因为与技术较成熟的H2-O2燃料电池的放电过程相比,电解效率不高一直制约着燃料电池系统的整体能量转换效率,而且充放电两个过程中均产生大量热,也使得能量不能够充分利用,因此,在应用RFCS 于太阳能无人机储能系统时,仍要持谨慎态度,其可靠性仍需进一步提高。
2.2.4 锂空气电池
锂空气电池是利用了金属锂在空气中的剧烈反应放出大量能量为原理,制成能够反复充放电的超高比能量电池,理论比能量可达11 140 Wh/kg,且价格低廉,环境友好,是未来储能电池的研究热点。目前锂空气电池尚处于实验室研究阶段,循环寿命与可靠性问题还需深入研究与解决。
2.3 控制子系统
电源控制器是管理电源系统的关键,如今采用分布式管理的MPPT 控制器成为应用的首选。这种控制器具有太阳电池阵工作点自适应匹配功能的MPPT 控制器,具有轻质高效体积小发热量小的特点,能够通过输入输出的双向追踪来匹配太阳阵输出功率和负载得到的功率,达到能量的最佳利用率。对于太阳能长航时飞行任务,对于电源控制器提出了新要求,它需要与飞控系统,大气检测系统等协同工作,优化能源利用率,适应飞行包线内的环境要求。
2.4 太阳电池阵- 蓄电池组电源系统的应用
太阳电池阵- 蓄电池组电源系统虽然具有功率范围宽,工作寿命长,自主性强的特点,但是比功率仍比较低,制约了该电源系统在太阳能飞机上的应用,目前国内太阳电池阵- 蓄电池组电源系统主要应用于航天器,比功率仅为13 W/kg 左右。电源系统的质量约占航天器总质量的30%以上,目前针对太阳能无人机,必须采用高效薄型电池片,使用高比能量的新型锂离子电池,在电源控制装置中,采用高频高效开关电源技术,可显著减少电源系统的质量。对于高效的氢氧燃料电池,虽然其本身比能量较高,但是电池的整体质量较大,对于轻质太阳能飞机还存在很多现实困难,需要更大的机翼面积才可搭载整个燃料电池系统。
未来太阳能无人机设计的目标是高空长航时留空巡航,因此对无人机电源系统的设计要求提出了更高的要求:
(1)由于单晶硅电池技术最为成熟,因此现阶段太阳能无人机仍将主要采用硅电池作为主要的发电材料。如何降低硅太阳电池阵的成本,提高转换效率和质量比功率,使其更适合于平流层内的大气环境;
(2)发展多种新型太阳电池。非晶硅和CIGS 等薄膜太阳电池因其柔性好,成本低,效率高,未来将向大规模太阳电池阵产品化和轻型化方向发展,轻质衬底和一体化集成技术都将成为挑战,为减轻质量,需要在压低成本的基础上整体转换效率超过20%;
(3) 开展太阳电池组件的力学特性、环境特性的研究。目前国内科研机构围绕太阳电池阵组件的研究多偏重光学、电学特性,对于复杂力学环境、高空热环境、大气环境的研究还需进一步深入;
(4) 提高储能电池的比能量和安全性,储能电池比能量超过200 Wh/kg。锂电池发展已基本成熟,在此基础上,开发安全性更高,性能更好的储能蓄电池,如锂- 聚合物电池、锂- 硫磺电池等。减小整个储能系统在整机中的质量密度;
(5) 进一步开展可再生燃料电池作为储能设备的技术研究,目前国内对再生燃料电池系统尚处于研发阶段,未来将朝着轻便、高效、安全的方向发展,必将带动太阳能无人机整体性能的提升;
(6)开发功能强、效率高、可靠性好的电源控制与管理系统。对于逐渐发展起来的大型太阳能无人机,随着其飞行领域的扩展和设备的增多,电源系统将更为复杂,自动化程度和可靠性要求都要更高,必然朝着智能化的方向发展。
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无人机按应用领域,可分为军用与民用。2013年11月,中国民用航空局(CAAC)下发了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》,由中国AOPA协会负责民用无人机的相关管理。根据《规定》,中国内地无人机操作按照机型大小、飞行空域可分为11种情况,其中仅有116千克以上的无人机和4600立方米以上的飞艇在融合空域飞行由民航局管理,其余情况,包括日渐流行的微型航拍飞行器在内的其他飞行,均由行业协会管理、或由操作手自行负责。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:论无人机技术在长江海事监管中的应用相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
长江干线通航环境复杂,船舶航行风险较大,容易发生安全事故,导致海事部门的监管难度很大。面对严峻的水上安全形势,长江海事局通过AIS,VTS,CCTV,GPS等现代监管设施的建设,安全监管手段的信息化水平有了很大程度的提高。但从长远来看,现有的海事装备在监管范围、设施装备综合利用率等方面仍存在一些问题和不足。为更好地解决这些问题,同时根据2011年国务院2号文件的精神,打造长江干线全方位覆盖、全天候运行、具备快速反应能力的现代化水上安全监管和应急救助体系,更好地履行水上安全监管和人命救助职责,更好服务“畅通、高效、平安、绿色”长江航运建设和沿江经济社会发展,本文结合现有的监管模式和自身设施设备现状,拟在监管领域中引入“无人机”监管手段。
长江海事局管辖重庆至安徽约2100km 长江干线、1000km水域支汊和19个水库(湖泊),并负责长江干线宜宾至上海安全通信保障和船舶引航服务。辖区安全监管的主要特点表现为“六多一杂”:港区和停泊区多、渡口渡船多、桥区坝区多、油区和危险品作业点多、船舶及船公司多、水运从业人员多,通航环境复杂。
(1)海事监管区域存在盲点。目前基于海巡艇,VTS,CCTV,AIS和VHF的监管措施,在监管区域内存在一些监测盲点,在时间连续性上还存在一定的限制。为了突破这些监管盲点的限制,一方面需要对现有监控设施进行有机整合,提升监管效率;另一方面,需要引入一种全新的空中监管手段,从空中以俯视的视角开展监管,实现全方位的水-岸-空立体监控,实现海事监管水域多维可视化,保障水上交通通畅安全。
(2)应急搜救现场的支持能力有限。长江水域多为天然航道,狭窄弯多,礁石密布,水流变化大,船舶航行风险高。水上灾情与污染情况瞬息万变,特别是应急搜救现场,对信息实时性的要求更高,有时也需要对某些局部危险区域和重点目标实施直观立体的监控,让上级对现场情况有快速和全面的了解,方_便决策。目前海事监管系统在应对突发性事件时已凸显出不足,在未来更加复杂的安全形势与严峻的安全隐患下,建立基于无人机遥感系统的海事应用系统将极大提高海事监管效率、提升监管能力。
(3)现有设施、设备的运行维护成本高。长江海事的辖区是一条长达数千公里的带状区域,而各种监控设施的覆盖范围都有限,因此,为了实现长江流域全线覆盖的目标,需要投入大量的资金和人力物力进行海事监管基础设施建设。同时,AIS,VTS,CCTV,GPS,VHF等大量先进系统和设备的使用,其运行维护需要大量的人员和资金投入。这些因素不仅使现有监控设施和设备的适用性受到一定的限制,还在某种程度上削弱和降低了它们的使用率,阻碍了其更新换代,限制了技术在应用层面上的发展。而无人机技术的应用将极大地改善这种现状,无人机的运行成本远低于巡逻船,能促进技术的进步和革新,并推进相关设备/设施的升级与改进。
2.1无人机概述
无人机(unmannedaerialvehicle,UAV)是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。机上无驾驶舱,但安装有自动驾驶仪、程序控制装置等设备。地面、舰艇或母机遥控站人员通过雷达等设备,对其进行跟踪、定位、遥控、遥测和数字传输。相对于传统的海事监管方式,无人机有如下优点。
(1)机动灵活,适宜应急。长江上游地区的自然灾害主要有泥石流、滑坡,中下游有洪涝灾害、河堤溃损,同时,长江地区突发性水污染事故频发,对周边水环境的影响和破坏巨大。事故发生存在随机性,灾害一旦发生,监管部门必须立即展开救援活动。当处理这些紧急状况时,无人机凭借其重量轻、体积小、便于携带、环境要求低等特点,能够迅速奔赴至目标区域。因此具备较强的环境适应能力,承担任务的方式也更为机动灵活。
(2)连续执行任务的能力。无人机具有长时间连续执行任务的能力,相对于传统巡航方式,节省了大量的人力和物力。无人机以其飞行距离和飞行高度的灵活性,更容易实现目标区域的全方位监管巡查。
(3)监视范围宽,实时性强。与海巡艇相比,无人机具有高空探视的优势,巡视范围的辐射面积远远高于海巡艇,可深入事故、灾害中心区域,不易遗漏和被蒙蔽,可最大限度接近目标,情报信息可信度高,巡视效果更佳,为事故调查取证提供最有效证据。同时,无人机往往具有数据实时传输能力,为应急决策提供的信息更具时效性。
(4)降低工作人员救援风险。无人机只需操纵员位于安全区域操作飞机即可,因此即使无人机遭遇坠落等极端情况,对人员伤亡也没有任何威胁。故无人机可到达灾害中心区执行监视等任务,还可以完成危险性较高,不宜使用有人侦察机的任务。
2.2无人机应用于海事监管的可行性
(1)低空空域开放的政策支持。作为海事应用飞行平台的无人机通常飞行在1000m以下空域。该空域被称作低空空域。对于低空空域管理,将按照管制空域、监视空域和报告空域3类划分进行管理。管制空域,需要提前申请并接受航管部门管制指挥;监视空域,仅需要备案,确保雷达看得见、能够联系上;报告空域,则类似于自由飞行。与此前低空空域全部实行管制管理相比,分类管理在改进审批、简化审批程序和缩短审批时间上有很大进步。低空空域的开放将为海事领域应用无人机技术提供便利,也为长江海事立体监测体系的形成奠定政策基础。
(2)无人机技术的不断提升。近年来,随着航空材料、通信、传感器、导航定位和发动机等技术的不断进步,无人机技术日趋成熟,无论在性能上还是在操纵性、可靠性诸方面都有了长足进步,使其在军、民用领域均得到越来越广泛的应用。无人机在飞行时间、飞行速度、有效载荷、安全性等各个方面的指标不断提高,为无人机技术在海事领域的应用奠定了良好的技术基础。
(3)长江海事的现有基础。经过近10年的不断发展,长江海事系统信息化软、硬件建设取得了长足进步,初步涵盖了长江海事局业务应用的需求;专业化的信息化管理和运维团队基本具备,信息化系统管理维护水平不断提升;现代化监管手段在水上安全监管中广泛应用,越来越发挥出显著效果。尤其是近年来长江海事局开展了电子巡航试点,改革了传统的现场巡航监管模式,代之以信息化监管为主导、现场处置为补充的新模式,以提升全面监控能力,减轻监管工作强度,节约监管行政成本,提高监管工作效率。
海事监管职责主要包括:管理通航秩序、通航环境;巡逻执法、调查取证;应急反应、人命救助;船舶溢油和排污监视;负责禁航区、航道(路)、交通管制区、锚地和安全作业区等水域的监督管理,维护水上交通秩序;航标巡检、航道测绘等。
3.1辅助巡航
在巡航监管中引入无人机技术,利用小型无人机部分替代海巡艇,辅助电子巡航系统,实现空中巡航监管的常态化日常巡航,将传统的基于海巡艇的现场巡航模式与新的电子巡航动态监管模式相结合,以信息化监管为主导、现场处置为补充,进行水域通航组织、指挥和管控,从而进一步推进长江海事监管体系的建设。无人机技术在巡航监管中的应用主要包括以下几个方面。
(1)部分替代海巡艇进行常规巡航。
(2)辅助电子巡航,提供多维数据。
(3)事故现场取证。
(4)危险品船舶动态跟踪。
(5)对重点水域进行监督。
(6)威慑作用。
3.2污染监测
长江的水污染主要来源于3个方面:①长江两岸工业废水和生活污水的排放;②长江上航行的船舶排放的废气、废水和垃圾;③一些载有危险品的船舶发生事故时造成的泄漏。海事部门担负着水上防污的重要职责,而船舶油污染是水上防污的重要内容。由于目前船员环保意识不强,重个人利益轻社会利益的现象还较为普遍,偷排油污现象时有发生。特别是在船舶较为集中的水域发生时,海事人员确定违法船舶、估计偷排油污量极为困难。如果能够从空中进行观察,能较容易地发现违法对象,也能较容易取得违法证据。通过引入无人机,从空中进行巡查监管,通过热红外、远红外等特殊传感器实现对沿岸污染源、普通通航船舶和危险品船舶的同时监控,扩大监控的覆盖范围,提高监控效率,加强监管力度。
3.3地灾监测
三峡库区蓄水以后,大量地上水渗入地下,造成石岩间巨大的膨胀力,加上客观存在巨大的水压,打破了原有的三峡高山地区脆弱的地质平衡。现三峡段山体滑坡时有发生,对航行在该水域的船舶安全构成威胁。通过无人机的定点旋停,定期拍照、远程测绘等手段,可发现山体是否存在加速变化的趋势,从而对航行在此地区的船舶提供安全预警。
3.4通信巡线
目前长江海事局建有海事通信光纤线路数千公里,主要采用人工巡线,由于线路大多建在人烟稀少的崇山峻岭地区,巡线质量和效率都较低,且人工成本很高。采用无人机空中巡线,可以在较短的时间内完成巡线任务,从而节约人力、物力成本,且巡线质量得到保证。
3.5其他海事扩展应用
(1)通信中继。当无人机装上功率放大器和中继设备等,可以实现数据、信号、话音和图像通信的中继传输。如当发生地质灾害或重大江难事故,而事故的地点处于高山峡谷地段,常规手段无法到达或难以及时到达现场,又缺乏手机通信设施或设施损坏时,无人机就可实现短时间中继通信,使后方与事故现场人员保持联系,从而了解事故现场的具体情况,为后方施救人员准备工具、器材时做到有的放矢。
(2)岸线测绘。长江海事局的上游辖区河流大多处于高山峡谷地区,水位高低落差很大。而随着水位的涨落,河流水没线、河流宽度、航道中心线都会发生较大变化,给电子巡航监控、指导、指挥船舶航行带来一定难度,如分道航船舶超越中心线航行行为的纠正,如果无法得到准确的航道中心线,执法工作将无法开展。如果通过准确测绘,水位每变化1m就编制1张江图。日常工作时,根据水位的变化,选定合适的江图,那么电子巡航的监督、指挥作用将更加强大。
(3)人命救助。长江自然河段水流湍急,浪花飞溅,有些地方礁石林立,船舶无法靠近。当海难发生时,人员落水后会被立即冲散,这时从江面观察,浪花、杂物、人员混杂,不易发现和分辨落水人员,而无人机能够从空中进行准确分辨、精准定位,会给更多海难人员带来生的机会。通过无人机递送牵引绳、携带气胀式救生圈进行投放,还可以更加有效地提高事故人员生存率。
(4)科学研究。通过无人机定时定点的周期性巡航,获取大量按时间顺序的大坝、桥梁、水文、航道、船舶和长江沿岸地物的三维数据,不仅能很好地构建长江三维地理信息数据库,还能及时进行数据的更新,为数字长江提供最具时效性和现势性的基础数据。基于这些数据,进行航道历史变迁、交通流量对比等研究工作,全面提升长江海事的数字化和信息化管理能力。
(1)研究试验阶段。选取长江流域两个具有代表性的特定水域进行试点,各配备一套无人机水上应急监测系统,同时培训相关无人机操控人员,进行无人机应急数据采集、无人机实时监控、无人机数据传输和管理等方法性研究和实施,其目的是为全面和完整地进行长江流域无人机应急监控网络建设工作提供理论和实践基础。
(2)大规模实施阶段。使用第一阶段的研究成果,在长江海事局行政管辖区水域,每隔大约100km左右选取一个适当地点建设无人机基地,从而保证任何水域出现情况,都有无人机在1h内能飞抵现场,为实现长江干线和水域支汊的全覆盖,需要配备大约20~30套无人机水上应急监测系统和相关工作人员,同时应全面考虑与当地的OA,VTS,AIS,CCTV 等系统相结合,初步形成长江流域无人机海事监管网络。
(3)网络建设和应用阶段。在这个阶段,建设一个长江流域无人机海事监管网络指挥中心,协调和管理无人机海事监管网络的各个网络节点(即各无人机基地),制定详细应急数据采集、环境污染实时监控、水上交通事故处理的工作流程和实施规范,在发生突发性公共安全或环境污染事故时,各个无人机海事监管网络节点能协调一致,共同应对。
无人机技术作为一种成熟的技术平台,以其机动快速、使用成本低、维护操作简单、节能环保、没有人员安全风险等技术特点,完全能够很好地应用到海事监管中。无人机的应用将使长江海事监管系统更加完善,不仅能够大大提升海事监管能力,而且还能推进长江海事信息化发展水平,在长江水系形成全方位监控信息网络,为打造水-岸-空海事立体监管系统做出重要贡献。
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从海湾战争到最近的伊拉克战争,无人机都被频繁地用于执行军事任务,已成为战场中不可缺少的重要组成部分,无人机技术也因此得到飞速发展。 以下是读文网小编今天为大家精心准备的:浅析“无人”的翱翔无人机解密相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:2015年2月4日至6日,圆通速递首次进行无人机运送客户包裹,并在北京、上海、广州三地进行公开投送(图1)。一时间无人机物流又成为各大网站的头条新闻。那么什么是无人机,它是怎么实现无人驾驶的?今天就让我们来看看,无人机背后有着怎样的IT新技术在支撑。
【关键词】:无人驾驶;飞控系统;日至;头条新闻;垂直陀螺;汽车导航;嵌入式芯片;无线遥控;数据无线传输;高空摄影;
2015年2月4日至6日,圆通速递首次进行无人机运送客户包裹,并在北京、上海、广州三地进行公开投送。一时间无人机物流又成为各大网站的头条新闻。那么什么是无人机,它是怎么实现无人驾驶的?今天就让我们来看看,无人机背后有着怎样的IT新技术在支撑。
无人机并非现在才有,早在战争中就曾有大量无人机出色的出现,电影中也不乏它的身影,只不过随着科技的发展,现在无人机在民用领域里也开始崭露头角。现在无论是婚礼拍摄、高空摄影都经常可以看到无人机的身影。
什么是无人机,无人机是一种由无线遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。对于民用无人机来说,它和我们常见的航模非常类似(不过功能更丰富),也是一款通过地面控制系统无线遥控的飞行器,因此它的形状可能和实际飞机不同,它的最大特色就是“无人驾驶”。
如上所述,无人机的特色主要就在于无人驾史。不过无人驾驶并不意味着无人操控,无人机的核心其实就是其中的飞控系统,正是后台飞控系统的存在,才可以让无人机实现精准飞行和数据无线专输等常见功能。无人机的飞控系统实际上就是一合微型电脑,由于无人机的体型都较小,因此大多使用的是嵌入式的操作系统。其中的处理核心(微型处理器)则是嵌入式芯片,如目前采用率较高的是德州仪器的MS320FF2407芯片,它的外形就和我们常见的CPU相似。
因为是嵌入式系统,因此无人机的飞控系统和我们常用的手机系统很类似,是由一块高集成的SOC基板组成,集成了Micro SD(用于SD卡存储)、USB接口(用于本地数据传输)、GPS导航(用于空中导航)、红外摄像机、无线摄像头(用于航拍)、2.4GHz无线模块(用于空中和地面数据传输)、陀螺仪(用于定位)等常用的组件。
由于无人机是在空中飞行,我们需要在地面对其操控。在无人机民用方面,我们接触到最多的则是其中的导航和图传系统。比如在汪峰的求婚现场,要让无人机托着戒指飞到指定位置,操作者就要使用无人机导航系统设计好路线。无人机一般使用惯性导航(通过内嵌系统集成的加速度计和水平陀螺、垂直陀螺来实现)和GPS导航实现。它的功能其实和我们日常使用的汽车导航非常类似(只不过无人机是在空中飞行),我们只要在飞控系统中先定位好目标坐标位置,然后设计好飞行路线,这样无人机就能按照指定的路线飞行到目标的身边了。 无人机另外一个重要作用是航拍,在飞行指定区域后,无人机上的摄像系统就会开始工作。因为无人机是在空中飞行,因此拍摄的数据还要传输到地面接收端。这里空地数据传输大多使用的是2.4G Hz无线传输方式。2.4GHz无线连接并不是什么新技术,我们平时使用的很多无线鼠标就是使用这种技术实现。只要发射端和接收端都有2.4Gz无线模块,它们之间就可以实现数据的无线传输。
在图传系统中,无人机上配备一个机载的图传信号发射器,当无人机在空中开始拍摄的时候,它采集到的视频(图像)等信号就会传输到机载的图传信号发送器,发送器通过发射2.4G Hz无线信号的方式传输数据。这样当地面的图传信号接收系统收到2.4G Hz无线信号后,它会自动以无线连接的方式和机载的图传信号发射器连接,读取其中的视频信息。接着地面的图传信号接收系统再通过HDMI, USB和笔记本、显示器等连接,这样我们在电脑上就可以实时收到无人机拍摄的视频了。
图传系统如果仅仅是实时监控无人机拍摄的画面当然是不够的,在实际操作中我们还经常要根据实际情况对拍摄系统进行调整。现在很多无人机地面操控系统还可以实现对无人机的拍摄角度、焦距、光圈等进行调整,这个遥控操作同样主要借助2.4GHz无线模块实现。当地面系统通过2.4G Hz无线信号和机载控制单元连接后,地面的遥控器就能向无人机上的云台发送操作信号,从而实现各种拍摄状态的调整。
无人机由于可以实现在高空无人飞行,并且可以通过地面人员的操作实现精准的飞行和降落,因此在日常生活中,无人机可以给我们带来很多的便利。对于有一定经济实力且喜欢摄影的朋友,他们可以通过购买无人机实现之前无法实现的航拍。只要在无人机上配备好摄像机(或照相机),然后将无人机飞到需要拍摄的空域,这样在地面就可以轻松获得无人机航拍的照片。
当然,也许你没有实力买架无人机,但是随着无人机的普及,每个人都可以享受到无人机带给我们的便利。像对于喜爱网购的用户,现在国内的圆通、顺风快递已经在试验使用无人机送货。在不远的将来,只要你在网站下单,不一会儿快递的无人机就会将你订购的货物送到你面前,这样高效的购物体验是不是觉得很爽),
总之,随着科技的发展,无人机一定会越来越贴近普通人的生活。你可能不会拥有一台无人机,但是你一定会享受到无人机带来的服务。不过对于喜欢航拍的朋友(当然包括使用无人机派送的物流公司)要注意,现阶段我国对航空管制要求非常严格,在使用无人机时,一是要注意航空管制的空域(前段时间某测绘公司在北京未经审批的航拍活动就干扰了正常的民航与空军航线,造成大量社会资源的浪费),二是民用无人机活动中使用无线电频率、无线电设备应当遵守国家无线电管理法规和规定,且不得对航空无线电频率造成有害干扰。
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推进剂又称推进药,有规律地燃烧释放出能量,产生气体,推送火箭和导弹的火药。一些火箭设计的推进剂来自非化学能源或甚至是来自外部的能源。例如水火箭使用压缩气体,一般是空气,迫使水从火箭喷出。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:烃类推进剂航天动力技术进展与展望未来的探析相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:为研究烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,对比分析煤油、甲烷和丙烷等典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,简要介绍烃类推进剂航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、高性能上面级推进、无毒空间推进和吸气式推进领域的发展动态及应用状况。当前国内外航天动力系统的发展和应用情况表明,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的烃类推进剂航天动力将引领未来高性能低成本航天推进系统的发展趋势,依照中国液氧/烃火箭发动机的研制进展和技术水平,以其为核心的新型动力体系在中国未来的天地往返、载人登月和深空探测等多任务适应性方面具有良好应用前景。
【关键词】: 液体火箭发动机 航天推进 液氧煤油 烃类 推进剂
2011年12月发布的《2011年中国的航天》白皮书明确指出,中国将加强航天运输系统建设,发展新一代运载火箭和运载火箭上面级,开展重型运载火箭专项论证和关键技术预先研究,从而不断提升进入空间的能力。2012 - 2016年,中国航天将实现“长征五号”、“长征六号”和“长征七号”运载火箭首飞,其中液氧/烃火箭发动机在我国新一代无毒、无污染运载火箭的芯级、助推级和上面级动力系统中占据重要地位。此外,大推力液氧/烃火箭发动机也是我国未来载人登月、深空探测用重型运载火箭的核心动力之一,以液氧/烃火箭发动机为主动力的航天推进体系己初现曙光。
目前,煤油等烃类燃料广泛应用于涡扇、涡喷、涡轴和冲压发动机等航空领域。与此同时,高性能、低成本、无毒和安全可靠的特点也使烃类推进剂在航天推进领域得到了广泛关注和应用,如美国的宇宙神-5 ( Atlas-J)、德尔塔-2 ( Delta-2)、猎鹰- 9 ( Falcon-9)、安塔瑞斯(Antares)和俄罗斯的联盟号(Soyuz)、安加拉(Angara)系列运载火箭的芯级和助推级动力都采用了液氧/烃推进剂组合。
为理清烃类推进剂航天动力技术在中国的后续发展和未来应用方向,本文分析了典型烃类推进剂的物理化学性质和应用特性,回顾了烃类航天动力在一次性运载火箭、可重复使用运载器、上面级、空间推进和吸气式推进领域的技术进展和应用现状,并对以液氧煤油火箭发动机为代表的烃类航天动力在中国的未来应用进行了展望。
推进剂特性是决定发动机和运载器性能的关键因素之一。推进剂组合(尤其是燃料)的选择不仅要权衡推进剂性能、经济因素、物理化学性质、点火及燃烧特性等与发动机自身相关因素,还需要综合考虑推进剂对运载器有效载荷、结构质量以及使用维护费用的影响。
液体火箭发动机常用的烃类燃料主要有乙醇(酒精)、丙烷、煤油和甲烷等,典型烃类燃料的物理化学性质,液氧/烃推进剂组合的理论真空比冲 (为便于对比,同时给出了液氢的物理化学性质和理论比冲)。与液氢相比,烃类燃料的缺点是比冲和再生冷却能力相对较低,并且容易积碳和结焦。另一方面,液氧/烃推进剂组合具有来源广泛、成本低廉、组合密度高、比冲性能高、无毒环保和耐储存性好等诸多优势。
乙醇易挥发,易与空气形成爆炸性混合物,使用安全性较差。液氧/乙醇组合在比冲和密度上都不具有明显优势,在主火箭发动机上的研究自20世纪60年代就己停止。
液氧/过冷丙烷在20世纪90年代曾一度被认为是一种很有前途的液氧/烃推进剂组合,但丙烷密度高于空气,爆炸容积百分数相对较低,作为液体火箭发动机燃料大规模应用存在较大危险,且没有明显的性能和技术优势,目前多应用于小型航天器的微推进系统中。
火箭煤油是一种典型的包含有不同烃类成分的火箭发动机燃料,密度高且使用安全性最好,但再生冷却能力相对较低,其结焦极限温度最低,在富燃燃烧时也存在积碳问题。鉴于此,苏联和中国在液氧煤油发动机中使用极低含硫量的煤油、冷却通道内人为设置粗糙度、控制推进剂初始温度、燃烧室设置内冷却环带并在内壁喷涂高温隔热涂层,从而突破了由煤油冷却性能和结焦所带来的燃烧室压力限制,采用富氧预燃室避开了积碳问题,进而实现了高压富氧补燃循环模式,将高比冲和高组合密度的优势进一步突显了出来。
采用高能合成煤油(Syntin煤油)是提高火箭发动机性能的有效措施。Syntin煤油的化学分子式为C1016,具有张力环结构和四种同分异构体。与火箭煤油相比,Syntin煤油的冰点较低,满足空间低温工作要求;相同条件下的动力黏度小,流动性能更优;相同温度下的密度和饱和蒸汽压稍高;传热性能与火箭煤油相当,安全性可控;材料相容性好,存储性能稳定,但张力环结构和热稳定性限制其作为冷却剂时温度必须低于394℃。
在同等的约束和设计条件下,液氧煤油发动机的理论真空比冲比液氧甲烷发动机低约100 m/s,但密度比冲却高出16.4%,维护使用也更方便。此外,液氧/Syntin煤油的理论真空比冲比液氧/火箭煤油相应值高出80~150 m/s,典型的如RD 58S火箭发动机的真空比冲高达3541 m/s,液氧/高能合成煤油应用于上面级发动机时更具发展潜力。
由于高压富氧补燃循环和燃气发生器循环模式均适用于液氧/煤油推进剂,故液氧煤油发动机可以作为一次性运载火箭和可重复使用运载器的芯级、助推器以及无毒上面级的主动力。迄今为止,苏联/俄罗斯和美国己成功研制了多种具有重要历史意义的液氧煤油发动机,典型的有土星-5运载火箭的F-1燃气发生器循环发动机、N-1运载火箭的NK - 33补燃循环发动机以及天顶/能源号火箭的RD-170补燃循环发动机,其中地面推力7295 kN的RD-170高压补燃循环发动机在一定程度上成为液氧煤油火箭发动机技术水平的标杆。
液氧/液态甲烷(或液化天然气)推进剂组合是近三十年来的研究热点之一。甲烷是单碳原子的低密度碳氢化合物,兼具氢和煤油的部分优点。液态甲烷属于低温推进剂,优点是比热高、豁度小、结焦极限温度高,基本无结焦和积碳问题,是目前仅次于液氢的再生冷却剂或膨胀循环冷却剂。液态甲烷的缺点在于密度较小、饱和蒸汽压高,致使密度比冲偏小且燃料泵的抗汽蚀性能不易保证。液态甲烷经过再生冷却后己接近气态,液氧/甲烷组织气液喷雾燃烧时燃烧效率高、燃烧稳定性好,燃气发生器效率也以甲烷最高。因此,富燃补燃循环、膨胀循环以及燃气发生器循环模式都将适用于液氧/甲烷推进剂组合。
液氧甲烷发动机的密度比冲偏低,其综合性能也略低于高性能的补燃循环液氧煤油发动机,液氧甲烷发动机作为芯级或助推级毫无优势。作为高空发动机,由于其性能远低于液氢液氧发动机,因而也不能替代后者,迄今为止还没有液氧甲烷发动机型号得到实际应用和飞行试验验证。另一方面,液态/甲烷组合在烃类燃料中比冲最高,重复使用时无需清洗,液氧甲烷可重复使用火箭发动机被认为是比较有发展和应用前景的可重复使用运载器动力。由于液氧和液态甲烷的沸点分别为-183℃和-162℃,均接近空间温度,便于空间长期贮存,贮箱间无需特殊的绝热结构,故液氧甲烷发动机也可作为未来高性能的无毒通用型上面级发动机或空间飞行器动力系统的主要发展方向之一。
除上述的乙醇、丙烷、煤油和甲烷之外,高张力四环庚烷(Quadricyclane,分子式C7H8)也是一种备选烃类推进剂。四环庚烷在常温下的密度为0.982g /cm³,高于火箭煤油和Syntin煤油。但四环庚烷含有张力环,且闪点较低,故热稳定性较差,作主动冷却剂时存在一定的结焦和积碳,其潜在应用是取代偏二甲肼形成毒性相对较小的四氧化二氮/四环庚烷自燃推进剂组合。
综上,液氧/烃类是液体火箭发动机推进剂组合的主力,以液氧煤油发动机和液氧甲烷发动机为代表的液氧/烃动力有望成为航天运输系统的主要发展目标。对于一次性使用火箭发动机,由于工作时间短暂,应在综合考虑研制难度、生产成本的前提下追求高比冲性能,富氧补燃循环液氧煤油发动机和富燃补燃循环液氧甲烷发动机的比冲高、气液喷雾燃烧稳定性好,结构尺寸、涡轮泵功率及推力室冷却套压力适中,具有一定优势。对于可重复使用发动机,需要多次和长时间工作,低室压的富燃补燃循环液氧甲烷发动机、低室压的富氧补燃循环液氧煤油发动机以及系统压力较低的燃气发生器循环液氧甲烷发动机则更为适宜。
进入21世纪以来,美国、俄罗斯、欧洲等国家和地区竞相开发太空和临近空间等战略高地,重新调整了航天发展战略,加大了对天地往返、深空探测和临近空间开发的支持力度,烃类推进剂航天动力及运载器将在其中扮演重要角色。
2. 1液氧/烃发动机在一次性运载火箭中的应用
液氧/煤油推进剂组合在俄罗斯和美国的运载火箭的芯级和助推级动力中得到了广泛应用。
2.1.1俄罗斯
苏联/俄罗斯的液体火箭发动机技术在世界范围内首屈一指,液氧煤油火箭发动机在苏联/俄罗斯著名的联盟号、N-1、能源号和天顶号运载火箭的芯级、助推器以及质子号运载火箭上面级动力中是绝对主力。
苏联在20世纪50年代研制了RD-107 /108液氧煤油发动机,并将其应用于联盟号火箭,目前仍然承担着为国际空间站运送人和物的发射任务。苏联在载人登月竞赛中研制的N-1火箭的动力全部为补燃循环液氧煤油发动机,第一级为30台NK -33发动机,第二级为8台NK-43发动机,第三级为4台NK - 39发动机,附属于L-3登月系统的第四、第五级动力分别为1台NK-31和1台RD- 58M发动机。能源号重型火箭的助推级为四台RD-170高压补燃液氧煤油发动机,天顶号运载火箭第一级采用4台RD-171发动机,第二级采用RD-120发动机。 1995年,俄罗斯开始研制安加拉(Angara)系列火箭,第一级和助推器的核心是单推力室的RD-191发动机,部分构型的第二级采用补燃循环液氧煤油发动机RD-0124 Ao 2009年,俄罗斯曾决定研制新的俄罗斯主要运载火箭Rus -M,芯级和助推器均计划采用双推力室的RD -180液氧煤油补燃发动机,RD-180发动机由一台涡轮泵供应两台推力室,燃烧室最大压力超过25.7 MPa,海平面推力3829 kN,推力调节范围47%~100% 0 2013年12月,俄罗斯成功发射了新的轻型Soyuz-2. 1 V运载火箭,第一级使用单推力室的NK-33发动机,第二级采用RD -0124发动机,后续计划由RD-193发动机(RD-191改进)来接替NK-33发动机。
俄罗斯在研发新型运载火箭的同时,也将液氧煤油火箭发动机产品和技术出口至其它国家和地区。RD-180和NK - 33发动机出口至美国,安加拉火箭的通用型火箭模块(URM)和RD-191发动机应用于韩国罗老号(Naro)火箭,韩国也计划在KSLV - 2运载火箭的第一级和第二级采用75吨级燃气发生器循环液氧煤油火箭发动机。
2. 1. 2美国
在载人航天和载人登月竞赛期间,美国研发了诸如H-1,F-1和RS-27等多种燃气发生器循环液氧煤油火箭发动机。近年来,为大幅降低航天发射成本并提高运载器的可靠性,美国提出了多项航天发展规划,部分己取得实质性进展。
1)改进型一次性运载火箭及其液氧/烃发动机
2009~ 2013年美国航天发射任务的统计,美国后续大型空间载荷将主要由改进型一次性运载火箭(EELV)计划下的宇宙神-5和德尔塔-4运载火箭负责发射。宇宙神-5的第一级采用RD一180高压补燃循环液氧煤油发动机,可靠性高且价格相对低廉,商业发射领域的订单更多,己然成为美国后续航天发射的主力。由于RD-180发动机的地面推力较大,因此未来的宇宙神-5系列火箭将逐渐演变为单级构型,即以最少的级数和级间分离获得最高的可靠性。
2)商业轨道运输服务计划及其液氧/烃发动机
目前获得美国商业轨道运输服务(CommercialOrbital Transportation Services COTS)计划合同是空间探索技术公司(SpaceX)的猎鹰-9 ( Falcon-9)火箭和轨道科学公司(Orbital Sciences CorporationOSC)的金牛座-2 ( Taurus-2)/安塔瑞斯(Antares)火箭。
原始的猎鹰-9火箭第一级采用了9台灰背焦-1 C ( Merlin-1C)燃气发生器循环液氧煤油火箭发动机,第二级采用一台高空型灰背焦发动机。SpaceX公司为改进型猎鹰-9火箭研制的Merlin-1D发动机的海平面和真空推力分别为654 kN和716 kN,海平面和真空比冲分别为2765 m / s和3050 m/s,改写了当前燃气发生器循环液氧煤油发动机比冲性能的最高水平。安塔瑞斯的第一级采用2台美国航空喷气(Aerojet )公司的AJ - 26发动机,其原型即为NK -33液氧煤油发动机,其真空推重比高达136. 66 。
3)新型重型火箭论证中的液氧/烃发动机
美国国家航空航天局(NASA)在航天发射系统( Space Launch System } SLS)重型运载火箭方案论证过程中对比了固体助推和大推力液氧煤油助推方案的优劣,前者有航天飞机技术做基础,后者性能高、易维护、零基础设计上更有成本优势,但需要重新研发液氧煤油发动机并新建相关基础设施。后续SLS火箭的助推级Block II还将根据性能需求、运营成本和发射频率在两者之间进行选择,改进后的推力约800吨的F-1B液氧煤油发动机就是有力竞争者之一。
2. 2液氧/烃发动机在可重复使用运载器中的应用
可重复使用运载器是降低发射成本和应对高密度发射的有效途径,可重复使用飞行器及其动力技术己成为国外商业航天发射研发的重点,国外公司正在为未来商业航天发射开发真正意义上能够重复使用的液体火箭发动机。
2008年3月,XCOR公司宣布研制一种火箭助推的两座太空船“山猫”( Lynx),将主要用于私人太空游。助推火箭拟采用循环往复活塞泵增压的液氧煤油发动机XR-SI418,其推力为11. 12~12. 9 kN利用煤油对推力室进行再生冷却。由于采用了三循环往复活塞泵,XR –SI418要比采用传统涡轮泵的火箭发动机更为简单、成本也更低廉,发动机的相关试验己于2008年12月启动,XCOR公司也在考虑将液氧/甲烷作为其推进剂。
Garvey Spacecraft公司与加利福利亚大学正在联合开发可重复使用纳米卫星运载器(ReusableNanosat Launch Vehicles RNLV),力求能够将10 kg有效载荷送入250 km的极地轨道。RNLV第一、二级均采用挤压式液氧稠化丙稀发动机,推力分别为29. 65 kN和1. 9 kN,燃烧室压力约为2 MPa和1 MPa,推力室冷却方式采用烧蚀冷却和辐射冷却,从而避开了丙稀再生冷却时的结焦问题。
2007年3月,美国空军选定安德鲁斯太空公司( Andrews space)协助其完成“完全可重复使用进入太空技术计划”( Fully-reusable Access to SpaceTechnologies ,FAST),最终目标是开发一种可完全重复使用的天地往返飞行器。推进系统计划采用两台SpaceX公司Merlin-1或挑战太空公司(Challengespace)的Chase-10液氧煤油发动机。
SpaceX公司的猎鹰-9和猎鹰重型火箭在设计之初就考虑了运载器及其Merlin-1液氧煤油火箭发动机的部分或完全可重复使用。目前,SpaceX公司正在尝试利用“蚌锰”(Grasshopper)亚轨道可重复使用飞行器以实现猎鹰-9火箭第一级的可重复使用。2012年9月至2013年10月,第一代蚌锰飞行器己成功进行了8次垂直起降飞行试验,在第8次试验中利用火箭发动机反推力控制创造了744 m垂直降落的新纪录。
2. 3烃类推进剂在上面级/空间推进领域中的应用
苏联/俄罗斯为载人登月计划和商业发射任务研制了高性能的液氧煤油上面级发动机。以联盟号系列火箭为例,上面级有四推力室的燃气发生器循环RD-0110发动机、四推力室的补燃循环RD -0124发动机、单推力室的补燃循环RD-0154发动机和RD-161 /161P发动机,而N-1火箭的BlockD和质子号火箭的上面级则是RD -58/58M/58S系列发动机。除早期的RD-0110发动机和过氧化氢煤油发动机RD-161 P之外,上述其它上面级发动机的真空比冲均在3500-3600 m/s量级。
鉴于液氧/甲烷推进剂的特点和优势,俄罗斯自20世纪90年代起在己有的液氧煤油和液氢液氧发动机基础上探索性地研制了RD-183 / 185 / 190液氧甲烷(液化天然气)上面级发动机,计划用于“人力车”运载火箭的第二级和第三级,但至今未得到飞行验证。2000年前后,美国普惠公司开展了膨胀循环液氧甲烷发动机作为低成本上面级动力的方案论证工作。围绕美国重返月球计划,普惠公司就牵牛星月球着陆器下降级发动机采用液氧甲烷膨胀循环开展了参数估算,提出了发动机的具体方案NASA将RS -18发动机改造为月球着陆器上升级的挤压式液氧甲烷发动机,并开展了高空模拟试车和低温推进剂在月球表面的长期贮存模拟试验研究;NASA进行了月球着陆器液氧甲烷反作用控制系统的试验研究;猎户座飞船服务舱的主推进和姿控装置拟采用挤压式液氧甲烷发动机,反作用控制系统拟采用气氧甲烷发动机。
近年来,高浓度过氧化氢/煤油推进剂组合在空间推进系统中的应用受到了关注,目的是替代现有的四氧化二氮/阱类推进剂组合。过氧化氢/煤油具有两种工作模式,过氧化氢分解产生高温氧气和过热水蒸汽,可作为单组元空间推进剂使用,而将其作为氧化剂与煤油或其它烃类燃料构成双组元推进剂时可获得更高的推力和比冲。俄罗斯的RD - 161 P发动机的真空比冲3129 m/s,可用于轨道机动和载人航天飞行的生命保障系统,执行空间推进任务时具有一定优势。美国Aerojet公司的过氧化氢煤油JP - 8火箭发动机也己成功应用于X-37A空天飞机,还曾计划应用于美国空军的空间机动飞行器(SMV)和NASA的X-37B空天飞机。 近十年来,氧化亚氮混合燃料(Nitrous OxideFuel Blend NOFB)在空间推进领域的应用前景备受关注。 NOFB多以氧化亚氮与乙烷、乙烯或乙炔等烃类燃料的混合物形式贮存,因此也称为混合单组元推进剂。当加热或催化分解NOFB时,氧化亚氮释热分解成富氧燃气,随之与燃料发生化学反应。与同为单组元推进剂的阱相比,NOFB的真空比冲高达3200 m / s以上,无毒低成本,耐存贮温度范围宽,材料相容性好,并可实现再生冷却、自增压及深度节流。NASA原计划于2013年在国际空间站开展400 N量级NOFBX发动机的空间性能测试,但至今未能实现。
除上述液氧/煤油、液氧/甲烷以及过氧化氢/煤油这类复杂的化学火箭发动机之外,烃类推进剂还可作为小型航天器微推进系统的冷气源,目前己得到实际应用的液化气推进剂是丁烷和丙烷。英国萨里卫星技术有限公司(Surrey Satellite TechnologyLtd ,SSTL)的首颗纳卫星SNAP - 1就采用了以丁烷为推进剂的冷气推进系统,该推进系统是目前世界上最小的推进系统,总质量仅450 g,推进剂丁烷质量32.6 g。1974年,英国的Miranda ( X - 4)技术试验卫星首次采用了液态丙烷的液化气推进技术,推力器推力为46 mN,比冲可达530·920 m / s,从而将整个微推进系统比冲提高到了440~679 m / s。
2. 4烃类燃料在冲压和组合发动机中的应用
对于飞行马赫数Ma 10以下的双模态冲压发动机和火箭基组合循环发动机,宜采用高密度的吸热型碳氢燃料。该类燃料既可通过自身的物理热沉吸热,又可以通过化学裂解吸收飞行器高温部位产生的热量,进而得到燃烧性能良好的小分子裂解产物,组织燃烧后为飞行器提供动力。
美国空军研究实验室与国防高级研究计划局联合研制的X -S1A飞行器的推进装置为一台JP - 7碳氢燃料的SJY61系列超燃冲压发动机。2010年5月26日,X -S1A验证机首飞过程中发动机密封失效,飞行器未加速至飞行马赫数6以上。在2013年5月的第四次飞行试验中,X -S1A飞行器超燃冲压发动机在18.3 km高度持续工作210 s,最大飞行马赫数Ma 5 . 1。 烃类燃料在吸气式组合循环发动机技术探索中同样占据重要地位。2010年,美国空军委托Astrox公司就两级入轨飞行器的不同构型进行了对比分析。研究结果表明,全系统结构尺寸和质量最优飞行器的第一级应当为可重复使用液氧煤油发动机,第二级则为液氧甲烷火箭基组合循环(Rocket BasedCombined Cycle}RBCC)发动机,这也为烃类燃料在美国组合发动机的应用指明了方向。
3. 1液氧煤油火箭发动机技术进展
20世纪80年代后期,我国提出了发展液氧煤油火箭发动机的设想,随后便开展了高压补燃循环(分级燃烧循环)液氧煤油发动机关键技术攻关。目前,作为我国新一代运载火箭芯级和助推级主动力的YF-100液氧煤油发动机己研制成功,作为上面级主动力的18吨液氧煤油火箭发动机研制告捷,新一代运载火箭即将陆续迎来首飞。
作为我国新一代运载火箭无毒、无污染、高性能和高可靠性的核心动力装置,YF-100发动机是一种单推力室的高压补燃循环液氧煤油发动机,海平面推力约1200 kN,燃烧室压力约18 MPa,海平面比冲约2942 m / s。与俄罗斯先进的RD-170 / 180 /191液氧煤油发动机相比,YF-100发动机的比冲基本与之相当,但推力量级偏小。
我国120吨和18吨级液氧煤油火箭发动机均采用先进的高压富氧补燃动力循环模式,经过多年的探索和积累,例如富氧燃气的高压补燃技术,贮箱压头自身起动及化学点火技术,大范围推力和混合比调节技术,高压、大流量富氧预燃室技术,高压推力室的再生冷却技术,高性能、燃烧稳定性好的气/液喷注器技术,富氧燃气驱动、大流量、全进气、低压比和高效率涡轮技术,高扬程、高效率液氧泵和燃料泵等一系列关键技术得以突破,标志着我国己成为继俄罗斯之后第二个完全掌握高压补燃循环液氧煤油火箭发动机核心技术的国家。
3. 2液氧甲烷火箭发动机研究进展
我国于20世纪80年代开展了液氧甲烷发动机的预先研究工作,进行了液态甲烷的电传热试验和推力室点火试验,对比分析了甲烷和煤油、丙烷的燃烧稳定性、积碳、结焦以及冷却性能,并将绿色四氧化二氮和偏二甲阱常规发动机直接改为液氧甲烷发动机后进行了热试车,结果表明液氧/甲烷是一种很有发展前景的推进剂组合。
进入21世纪,我国启动了液氧甲烷发动机关键技术研究,提出了推力600 kN量级的燃气发生器循环液氧甲烷发动机方案,采用富燃燃气发生器、双涡轮并联甲烷/液氧涡轮泵,液态甲烷再生冷却推力室。2013年,600 kN级液氧甲烷发动机全系统试车取得成功,液氧甲烷喷注器缩尺试验研究、燃气发生器点火方案研究、燃气发生器低混合比液/液喷雾燃烧研究、涡轮泵适应性研究、液态甲烷与材料相容性试验研究取得了实质进展。
4烃类航天动力在中国的发展展望
世界各国航天运输系统大多采取重型和大型与中型/小型运载火箭相结合、载人航天与商业发射相互兼容的发展思路,大推力液氧煤油助推加液氧煤油或液氢液氧芯级成为典型的火箭构型,涉及的火箭发动机类型少、数量少且推力大是未来主流运载火箭的典型构型特征和发展趋势。
在我国新一代的长征五号、六号和七号(CZ -5 /6 /7 )运载火箭中,CZ - 5低地球轨道(Low EarthOrbit LEO)运载能力可覆盖10~25吨,地球同步转移轨道(Geostationary Transfer Orbit } GTO)运载能力为6-14吨。与Atlas-5 , Delta-4和Ariane-5等运载能力相当的大型运载火箭相比[X33-34] CZ -5火箭涉及三种型号发动机,构型相对复杂,总体尺寸规模较大,GTO运载能力14吨的CZ-SE火箭的发动机数量更是多达12台。此外,中型运载火箭CZ-7也同样存在上述问题。显然,我国新一代运载火箭的芯级和助推级发动机推力量级偏小,既不利于火箭构型优化,也无法满足后续载人登月和深空探测等重大航天活动百吨级LEO运载能力的发射需求。
大推力液氧煤油发动机是我国未来重型运载火箭的核心动力,其衍生发动机也是未来CZ-5等火箭结构和运载能力优化的方向之一。我国重型运载火箭大推力液氧/烃发动机的推力需求范围为4000~7000 kN,其商业应用范围较窄。考虑到大推力发动机的使用成本、技术继承性、技术带动性以及运载项目对动力技术的牵引,宜在现有1200 kN级YF-100发动机基础上研制推力5000 kN量级的双推力室液氧煤油发动机,该发动机应采用高压富氧补燃循环、分级起动和泵后摇摆技术,且必须具备推力和混合比大范围调节的能力。
虽然5000 kN级双推力室液氧煤油发动机有YF-100火箭发动机作为技术储备,但依然需要突破诸如大推力液体火箭发动机分级起动技术、高温高压富氧燃气摇摆软管技术、高效稳定燃烧技术、高室压大热流推力室冷却技术、高效的大功率涡轮泵技术、高精度大范围流量调节技术、密封和轴承技术、低温高压动密封技术以及大推力发动机的制造和试验等多项关键技术。为降低研制难度并实现液氧煤油发动机谱系化,应首先研制2400 kN级的单推力室液氧煤油发动机,以此优化CZ-5火箭构型,减少发动机数量并提高可靠性,然后结合推力室和涡轮泵两个技术验证平台最终研制成功5000 kN级双推力室液氧煤油火箭发动机。 高压补燃液氧煤油火箭发动机在我国载人和商业航天推进领域必将大有作为。120吨和18吨级液氧煤油火箭发动机在可重复使用和可靠性方面还存在提升空间,必须对其进行类似于YF-20系列或RD-107系列发动机的持续改进,不断提升可靠性并加大商业化应用验证,才能满足未来大/中型运载火箭载人航天和商业发射需求。
液氧/烃高性能上面级发动机、空间轨道转移发动机、登月下降级和上升级发动机是进一步提升我国载人航天技术水平和空间探测能力的动力保障。作为中小型运载火箭上面级动力和空间探测轨道转移动力的优选方案之一,空间可贮存的高性能补燃循环液氧煤油发动机还有待研究和发展,以RD -0154和RD -585发动机的系统方案和性能指标为基准,利用我国现有技术储备来研制该类火箭发动机是完全可行的。此外,空间可贮存的液氧甲烷、液氧煤油以及NOFB发动机应当作为载人登月下降级和上升级动力而开展研究和研制。
鉴于美国和苏联/俄罗斯在载人登月和深空探测计划中的经验和教训,登月下降级主发动机必须具备深度节流变推力、多次起动和推力室摇摆能力,为此NOFB发动机可采用挤压式供应系统,液氧/甲烷可考虑采用膨胀循环,而液氧/煤油则考虑采用泵压式供应系统、针栓式喷注器、可变面积流量调节阀、喷注压降和混合比分别调节方案、推力室的内外高效冷却方案。登月上升级主发动机的推力可固定,但必须具备多次起动能力和摇摆能力,推力室冷却方案也需要重点考虑。
烃类推进剂发动机是低成本进入空间和天地往返的现实需求,可重复使用的液氧甲烷和液氧煤油火箭发动机以及火箭基组合循环发动机技术应当得到应有的重视。对于液氧甲烷发动机,在燃气发生器循环、富燃补燃循环(部分/全部甲烷再生冷却)、富氧补燃循环、全流量补燃循环以及膨胀循环等循环模式中,不同推力量级和飞行任务的发动机采用何种动力循环模式是最先需要研究解决的问题。对于火箭基组合循环发动机,需要专门开展吸热型碳氢燃料配方优化及性能提升、碳氢燃料传热特性、碳氢燃料裂解和结焦特性及控制技术、碳氢燃料高温高压物性测量等基础研究。
液氧/烃是未来高性能低成本航天运输系统推进剂组合的发展趋势,以高性能液氧煤油火箭发动机为核心的航天液体动力体系在航天推进多任务适应性方面具有良好的应用前景。
为构建并完善符合我国国情的航天动力体系,建议加快5000 kN级大推力液氧煤油发动机的型号研制,积极开展液氧高能合成煤油上面级发动机的方案论证和型号研制,提升空间探测用液氧甲烷、液氧煤油、过氧化氢煤油、NOFB单组元推进剂发动机的研制能力,提高适用于可重复使用运载器的液氧甲烷发动机和液氧煤油发动机的研制水平,增强微推进器的丙烷和丁烷推进系统的研究和应用能力,加强烃类燃料吸气式组合动力的认知水平和研制能力,力争实现航天液体推进技术的推进剂无毒化、循环方式多样化和推力系列化。
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军民融合发展已成为军事工业发展全球性的大趋势,走军民融合式发展道路,也已成为中国军工企业持续发展与转型升级的必由之路。军民融合发展既是航天企业肩负的神圣使命,也是其实现可持续发展的必然选择。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:有关航天军工企业走军民融合发展道路策略探索相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
【摘要】:正军民融合是我国国防建设发展历史的经验总结,是国家经济持续发展的内在要求,也是适应新技术革命和新军事革命的现实需要。航天军工企业,肩负着实现民族航天梦的光荣使命,如何把军民融合这一战略构想转化为航天军工企业改革创新的宏大实践,转化为能够支撑国家安全和行业持续发展的现实力量,需要深入思考和研究。
【关键词】: 军工企业;航天产品;策略探索;我国国防建设;新军事革命;经验总结;军民结合;融合式;军品生产;军民两用技术;
1.国外推进军民融合的做法分析
从国家创新体系建设的高度积极推进军民结合,是世界主要国家采取的共同发展战略和政策取向,世界主要国家根据国际环境和本国国情采取了不同的推进军民融合政策和做法,经历了不同的发展道路。
美英等国推进军民融合的政策和做法可概括为“军民一体化”模式,即通过军方、军工业部门和军工企业的调整改革,以及军政部门间和企业间的合作,开启军、民用技术和资源双向转移之门,促进国防建设与经济发展的良性互动。主要做法是通过国家颁布和制定法规政策以及军政部门的协作促进军民融合,同时实施和管理军民融合的科技计划,并培育开放型产业链和军民结合型创新主体。
日本推进军民融合发展主要采用“以军掩民”模式,主要是在第二次世界大战战败后,日本在军力发展受到种种限制的情况下,依靠民间企业发展国防科技和武器装备。主要做法是采用了高度集中的管理体制与政、军、民相结合的决策运行机制,同时发展两用技术,推广民品生产,并对可生产军品的民间企业(如三菱重工等)优惠扶持。
俄罗斯推进军民融合的发展主要依靠“先军后民”模式,实际是一种既想避免军民分离弊端、又不想放弃独立军工体系的折衷做法,是俄罗斯在建设国家创新体系时,企图向军民融合方向发展的过程中,在国家战略和各种利益主体的矛盾冲突下形成的一种发展态势。主要采用了出台政策力促军工企业“军转民”,同时充分利用国防工业的军民两用技术,并加强军民两用技术的出口以带动国民经济发展。
以色列推进军民融合的策略是“以军带民”,即把军事工业作为本国工业与经济发展的先导,扩大军工技术成果的应用,并将部分军工企业转为民间经营,同时鼓励其他企业利用国防投资来开发生产民品。主要采用了大力推行“军转民”和“民转军”,重视军工企业的军民结合,同时国防部研制机构(拉法尔武器研制局等)公司化。
2.我国军民融合发展历程
党和国家历来高度重视国防建设与经济建设统筹发展,早在建国之初,毛泽东同志就率先提出了军民结合的战略思想,为建立和完善国防科技工业体系奠定了基础;十一届三中全会以来,邓小平同志提出了“军民结合、平战结合、军品优先、以民养军”十六字方针,进一步继承和发展了军民结合战略思想;面对世界新军事变革,江泽民同志提出了“军民结合、寓军于民、大力协同、自主创新”的新要求;新世纪新阶段,在军民结合的基础上,胡锦涛同志提出了军民融合战略思想;党的以来,同志高度重视军民融合,要求统筹经济建设和国防建设,努力实现富国和强军的统一。总之,军民融合式发展,是党和国家为了不断适应国家经济社会发展形势变化和米来世界技术及军事革命要求而提出来的重要思想。
3.航天军工制造业军民融合发展政策分析
经过几十年的发展,我国航天军工企业在经历了多次国家机构调整后,在“十二五”期间进入了快速发展期,其发展历程是我国社会主义特色军民融合发展道路的缩影,不断增加的国防经费预算、卫星发射次数也是这一发展成果的直接写照。当前,航天军工制造业任务量依然巨大,同时伴随其增长的是装备经费的供需矛盾,“推进国防科研项目计价和军品价格管理制度改革,完善装备价格形成机制”、《关于全面深化改革若干重大问题的决定》等指不和政策要求“使市场在资源配置中起决定作用”。米来,国家将在军品采购中大力推进竞争,在加强监管的同时,放开市场,鼓励“民参军”。
同时,按照十八届三中全会要求,总装备部将加快放宽军品市场准入,建立“小核心、大协作”的军品生产方式。现行体制下,参与军品生产的单位需要申办4个证书:保密证(国家保密局)、质量体系认证(总装备部)、武器装备生产许可证(国防科工局)、承制单位资格合格证(总装备部),办理手续繁琐,导致进入军品生产门槛较高,经不完全统计,4个证书全部办理完成至少需55个月。目前,相关部委正在协调、论证证书合一、从简工作。
以上政策的解读、准入机制的变革均给民营企业进入军工市场提供了难得的机遇,同时也带来了极大的挑战。航天制造业具有“科技含量高、产品附加值”特点,在其产品研发过程中获得了大量国拨资金的支持,形成了部分领域的垄断,民营企业难以短时间打破领域壁垒,并且存在投资短期内无法获得预期收益的经营风险。民营企业需加强自身技术储备,提前开展相关技术攻关,加强市场开拓力量,在国家政策的支持下,从单机产品到系统级问题解决能力分层次、分阶段向航天军工领域进入,发挥民营企业市场调节杠杆作用。
1.创新体制机制,紧跟市场导向,建立符合军民融合式发展需要的营销服务体系
任何一项改革首要的是要建立与改革目标相符的体制机制,国家大力推进军民融合发展,就是要打破“军工特殊论”,让军工企业解放思想、转变观念,在市场大环境中找准自己的位置。外部大环境发生了变化,如果企业内部不做及时的调整,就很难跟上国家经济发展的整体步伐,在改革的起跑线上就会先输一程。目前,航天军工企业的任务大部分还是依靠国家的大规划、大工程、大专项,竞争较少或是在系统内部的有限竞争,最后的竞争结果也往往是体系内部利益平衡下的产物,不能真正反映企业的竞争实力,也不符合市场经济发展的客观规律,更难激发企业创新发展的动力。
从目前的政策走势看,主管部门针对军品任务已经提出了竞争择优的要求,并且已经推进实施。因此,建立一个能够紧跟市场导向,符合军民融合式市场发展需要,真正适应市场竞争的营销服务体系已迫在眉睫,这就需要航天军工企业在已有的体制机制上下功夫,打破以往的条条框框,以更加灵活有效的激励方式,以更加合理的资源配置模式,以更加符合国家规定和市场实际的营销手段,不断创新完善企业内部的相关体制机制,打造一支更加面向客户、能够洞悉市场需求的营销团队,建立一个符合军民融合式发展需要的营销服务体系,进一步优化军民融合式发展的小环境,迎接新的发展机遇与挑战。
2.加大创新投入,坚信自身实力,完成国家任务的同时不断丰富产品内涵
市场竞争说到底还是产品的竞争,只有过硬的产品和技术,才能在市场竞争一中立于不败之地。航天军工企业的军品上广泛使用了电子、通信等领域的技术,这些技术在民品市场上具有一定竞争优势,但需要具备将这些技术转化为民品市场上具有一定竞力的产品,进而再转化为在民品市场上适销对路的商品的能力,这就要求在创新投入上、在技术成果转化上大胆投入,只有创新才是企业保持旺盛生命力的不竭动力。同时,航天军工企业也要坚信自身的实力,在国家几十年的大力投入中,不仅取得了两弹一星、载人航天、探月工程等一个又一个的胜利,也在人才、技术上做了大量的储备,当国家需要将这些成果和技术更好的应用到国民经济建设中、应用到市场经济建设中的时候,航天军工企业应该义不容辞地去回馈国家,寓军于民。
当然,航天军工企业的使命和属性不能变,不能为了民而民,在当前复杂多变的国际形势下,保军能力不能减,必须在确保完成航天武器装备生产任务的前提下,聚精会神在民用产业上谋发展,扬技术人才上的优势,抑成本渠道商的劣势,干别人干不成、干不了、干不起的产业,真正做到管理融合、人才融合、技术融合、产品融合,在企业资源配置、规模设置、利益分配上保持适当的比例,在保证完成国家任务的同时进一步促进企业军民融合式发展的良性循环
3.沿产业链延伸、提升系统解决能力,顺应“国家购买服务”的发展方向不断做大做强 十八届三中全会已经明确提出,“推广政府购买服务,引入竞争机制,通过合同、委托等方式向社会购买”,这是新一届中央政府加快转变政府职能,实现国家治理体系和治理能力现代化的一项重大变革。目前,在航天器研制任务方面,基本还是由国家组织行业用户论证需求,相关部门开展卫星研制规划的制定,国家再安排经费研制卫星,最后国家还要投入相关经费开展地面系统建设和应用广范推广。
可以预测的是,在不久的将来,这种模式将随着改革的深入逐步被国家购买服务的模式所替代,行业用户提出需求后,开展招标,由企业直接面向用户的应用需求和数据产品增值服务需求提供一揽子解决方案,这就要求传统的航天总体单位在任务规划的能力上要更上一个层次,要逐步沿产业链延伸,具备一定的卫星应用任务分析规划和数据产品的增值服务能力,进一步扩大业务范围,提升系统解决能力,从卖卫星逐步向卖应用、卖服务过渡。这可以从航天体系内部资源的进一步整合重组以及对体系外优势企业的合作并购来实现,以此来开发新的商业运营模式,带动行业的整体提升,在改革中做大做强自己。
4.引入民营资本,多维合作发展,与“狠”共舞互补双赢
改革开放以来,我国民间投资不断发展壮大,已经成为促进经济发展、调整产业结构、繁荣城乡市场、扩大社会就业的重要力量。随着国防科技工业向民间资本开放引向深入,越来越多的有实力的民营企业正在进入神秘的军工领域,百度公司在2014年初的两会就已经表达了愿意参与航天产品研制的意愿。对于航天军工企业,民营资本的进入可谓“狼”来了,这将打破航天军工企业一直以来的垄断。面对这样的局面,航天军工企业不应封闭拒绝,更不能坐以待毙,而是应该主动出击,与有实力有胆识的民营企业开展多维度的合作,在国家政策允许的前提下,充分发挥民营企业的资本优势、人才优势、创新优势、成果转化优势、市场渠道优势,改变国有资本独立支撑军品开发生产的局面。向航天军工领域注入新鲜血液和创新开发经营思路,同时借助民营资本进一步向民品市场进军,开发适销对路的产品,进一步完善市场营销体系,与“狼”共舞互补双赢。
十八届三中全会已经吹响了全面深化改革的前进号角,国家已将军民融合作为“落一子而全盘活”的重要举措,推进国防和军队建设发展方式的伟大变革。在这种大背景下,航天军工企业应该顺应历史潮流,以“两弹一星”、“载人航天”精神为鼓舞,抓住改革的机遇,直面遇到的挑战,在克服传统思想的羁绊中努力前行,在加深理解中共同发展,在深化合作中实现共赢,用航天人的特有的智慧与胆识、辛勤与汗水在军民融合发展的道路上谱写新章。
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无人机遥感技术指的是综合利用无人驾驶飞行器、GPS定位、遥感传感器、通讯等先进技术,从而实现空间遥感信息的专用化、智能化获得,并完成遥感数据处理与建模分析的一项应用技术。无人机的遥感技术作为继传统航空、航天遥感之后的第3代遥感技术,以其机动、快速、经济等优势,成为国内外学者争相研究的热点课题。以下是读文网小编今天为大家精心准备的:农村土地承包经营权确权登记对无人机遥感技术的运用相关论文。内容仅供参考,欢迎阅读!
农村土地承包经营权确权登记对无人机遥感技术的运用全文如下:
【摘 要】农村土地承包经营权确权登记的实施对一些技术应用起到的推动作用,无人机遥感技术就在此基础上得到了较好的发挥。无人机遥感技术通过其自身的技术手段获取正射影像图(DOM)。从而完成农村土地承包经营权确权登记的作业流程。本文通过讲述无人机遥感技术的优点以及其自身存在的问题,对其问题存在的问题进行实际分析,从而分析其应用领域及发展前景。
【关键词】土地承包经营权 确权 无人机遥感技术
无人机遥感技术是在卫星遥感以及大飞机遥感之后不断发展起来的一种新的技术应用,它和以往的遥感方式存在的最显著的特点在于,它是一种比较激动灵敏并且能够实现快速响应的一种航测技术,本文从采用无人机遥感技术出色的完成农村土地承包经营权确权登记项目为出发点,从而探讨无人机遥感技术在本项目上的具体工作流程,分析无人机遥感技术所存在的有缺点,根据未来发展趋势对无人机遥感技术的服务领域进行探索研究,从而推动无人机遥感技术的不断发展和完善。
1无人机遥感技术的工作原理
无人机是利用无线电遥控设备以及其自身携带的程序控制系统组成。无人机遥感控制系统是具有高分辨率以及具有高精度遥感影像的获取和处理的一种全新的技术样式。它通过无人机机为其载体,上面安装有数码摄像机,和数码录像机等设备,并通过遥感卫星处理技术在进行数据的同步传输,来实现对地理位置信息的掌握。无人机通过自身的遥感系统来获得较高分辨率的数据信息,其中通过3S技术在遥感系统中的应用,从而达到对土地或者其他地理环境的快速处理。而对于遥感传感器来说,其控制系统要要能够根据事先设置好的拍摄点、摄影比例尺以及飞行速度和高度等参数进行自动计算以及对遥感传感器工作进行有效控制,从而使获得的技术数据等达到准确详细的目的。
无人机遥感技术对农村土地承办经营权确权登记项目采用的是真彩色摄像,影像的分辨率达到了03米。获取影响资料进行土地承包经营权确权登记的作业流程(如图1)。
3.1 无人机遥控技术的优点
无人机遥控技术作为现在比较流行的技术在世界上受到了广泛应用。无人机航测作为一项空间数据采集的一种重要方法,其具有较长的续航时间以及成本低廉,能够将影像适时的进行传输,并且可以对那些高危地区进行有效探测,还有就是它和其它遥感技术相比就有激动灵活的优势。而正是无人机航测的自身优势可以对那些卫星遥感以及有人机遥感形成一个很好的补充。
3.2 无人机遥感技术所存在的问题
(1)起降技术和抗风性较差。
从无人机的工作方式和方法不同,其在自身的设计上也存在着较大的差别。对于那些需要滑降的飞机来说,在有些地方难以找到适合降落的区域,而在一些不满足起降的地方实施飞机的起降工作,对于飞机的自身来说就会造成很大的伤害,而且还有可能造成飞机的严重事故的发生。如果在航测的过程中使用那些体型较小的无人机的话,则由于飞机自身重量较轻以及航程不足等原因,则不能达到航测的应用要求,使用较小型的无人机还会因为飞行高度低,而在低空作业时受到风速以及风向等因素的影响较大,因此在一定程度上也不能较好的完成航测任务。因此,对于那些比较大型的无人机来说,如何将其起降技术进行改进,对于那些小型无人机来说如何能够有效的提高它们的抗风性将会是现在所要解决的迫切问题,也是无人机能否较好使用的关键。
(2)传感器的有效控制以及在具体姿态上的控制技术,遥感设备所传输的大量数据的储存技术以及遥感设备在后台的一些处理技术等都是在现阶段乃至以后实际应用所要迫切解决的问题。
我国的无人机遥感技术在应用的范围上也比较广泛,比如:土地承包经营权确权登记工作、城镇的具体规划、新农村建设、矿山测量以及国家的国土资源调查等。无人机遥感技术在实践中得到了较好的检验,通过实践证明无人机遥感技术的可行性即应用广泛性。
实践证明,利用无人机航测技术拍摄技术拍摄的图片,无论是在清晰度上还是在分辨率是哪个都能够较好的满足以上的工作任务。在今年五月份我国运用多旋翼无人机来获取视频资料,而这项技术还处在探索和实践环节,并通过与央视的合作,通过多旋翼无人机技术来对新业务进行扩展,而这也是利用多个多旋翼无人机在较高海拔和气候状况复杂多变的环境下进行业务的测试,这样不仅使我国无人机技术水平得到较好的提升,而且也为无人机技术的服务领域和范围提供了技术支撑。在以后的应用中,可以将无人机技术运用到电力线路的检测上,从而达到简便、安全和效率的提升。
无人机技术还可以运用到森林的防火侦查以及在危险区域的地质勘查等环节,从而降低人为操作所造成的危险的发生。无人机应用还可以在空中的指挥救援、环境的遥感监测、地理国情的勘测以及数字城市的建设等。因此,无人机技术在现在的实际应用以及今后的应用前景上都是非常广阔的,而无人机技术现在还处在快速发展阶段,如何在今后将无人机技术进行创新及完善,并探索出一条适合无人机发展需要的作业流程也是现在人们所要迫切考虑的问题。
无人机遥感技术经过这些年的不断发展,现在已经成为在空中摄测领域的一项重要补充。无人机遥感技术通过获得高分辨率的影像数据为其主要任务,并且通过无人机自动平台并以高分辨率的数码相机为其传感器,通过其自身携带的各项设备来最终完成遥感数据传输任务。随着社会科技水平的不断完善,无人机遥感技术一定会得到较好的运用和发展。
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