第39卷第6期力学进展Vol.39No.6 2009年11月25日ADVANCES IN MECHANICS Nov.25,2009
近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题
崔尔杰?
中国航天空气动力技术研究院,北京100074
摘要本文概述了近空间飞行器的研究现状与发展趋势.讨论了低速与高速近空间飞行器面临的基础科学与关键技术问题,对近空间飞行器的未来发展,也作了一些简要的讨论.
关键词近空间飞行器,现状与发展,关键技术
1引言
近空间(near space)是指距地面20～100km的空域,由于其重要的开发应用价值而成为国际上非常热门的一个话题[1～12].
近空间领域,参照工程实际应用的可能性,按高度可分为3个层次:(1)低层近空间(20～30km),包括从对流层到平流层的一部分空域.(2)中层近空间(30～70km),包括平流层和中间层空域.(3)远层近空间(>70km),包括中间层和一部分热层空域.
近空间飞行器特指能在近空间作持续飞行并完成一定使命的飞行器,因此不包括只是穿越该区域飞行的飞行器.近空间飞行器按其飞行速度,可分为两类:(1)低速近空间飞行器,(2)高速近空间飞行器.
近空间飞行器有别于一般飞机和航天器,有其自身的显著特点.在近空间区域,虽然空气密度已经比较低,但仍有一部分气动升力和大气层中的氧可以利用,由于长时间飞行空气阻力尚不能完全忽略不计,因此,还难以完全实现离心力平衡重力的轨道力学原理飞行.
与传统飞机相比,低速近空间飞行器的优点是:(1)留空时间长,可持续工作.近空间飞行器的留空时间可以达到几天到几十天,目前正在研制的近空间平台预定留空时间长达6个月,规划中的后续平台预定留空时间可达1年以上.易于长期、不间断地获得情报和数据,及时地对紧急事件迅速做出响应.(2)覆盖范围广.近空间飞行器的飞行高度比传统飞机大,因此覆盖范围也比传统飞机更宽广.(3)生存能力强.由于气球或软式飞艇以及一些低速无人机的主要部件采用非金属材料制成,因此雷达反射截面很小,传统的雷达难以跟踪和发现.(4)制造和运行维护费用低,需要的保障人员少、后勤负担轻.当然,近空间飞行器也存在一些明显的缺点,与传统飞机相比,气球或软式飞艇充灌氦气的时间较长,费用高,体积庞大,机动性差,存放时需要占用很大的机库;在放飞、回收和通过平流层上升、下降过程中,容易受到风和湍流的影响等.
与卫星相比,由于近空间飞行器运行高度低,一般只是低轨卫星的(1/10)～(1/20),容易实现高分辨率对地观测,可有效弥补卫星观测局部盲点.对侦察、观测设备要求低,采用一般的数字相机,就可能获得与高精度卫星质量相当的照片;制造成本低,不需要复杂昂贵的发射设施,对地面支持设备要求也比较低,大部分部件和有效载荷可回收重复使用,因此效费比高.发射过程较为简单;有效载荷技术难度小,易于更新和维护.其缺点是:视野小,观察范围有限,还要受到相关国家领空权的限制.
高速近空间飞行器多采用升力体外形,以尽可能利用气动升力和采用空气动力和轨道力学相结合的原理,实现高速长距离持续飞行;以吸气式发动机为动力的近空间飞行器,在飞行过程中,还可以利用空气中的氧,以代替自身携带的氧化剂,在同样的起飞载荷状态下,提高有效装载能力和运行效率,是人们实现“空天往返”和追求“全球
收稿日期:2009-02-27,修回日期:2009-09-24?E-mail:ejcui@https://www.doczj.com/doc/489771812.html,
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题659
及时到达”理想目标的一种较为现实的选择.从作战使用角度看,近空间目前还是一片尚未充分开发的“空白”,各类空天攻防武器难以在该空域有效发挥作用,更加突显其开发利用价值.
近空间飞行器的用途是非常广阔的.
军事上可用于:情报搜集、通信保障、侦察监控,武器装备系统的远程战略投送,做到“全球即时到达”.近空间飞行器被认为对于增强陆、海、空、天、武器装备的无缝连接,扩展信息优势,提高联合作战能力,具有十分重要的应用潜力,并且有可能进一步发展成为空基作战武器.
民用方面主要可用于:环境变化和气象数据探测,交通及环境污染监控,洪水、火灾或地震等灾害监视和指挥救援,局域通信,数据传输中继,移动通信等,以及发展成为未来超高速空中交通运输平台.
2近空间环境
在物理上,根据大气层热力结构随高度分布可划分为:对流层、平流层、中间层、热层和散逸层等5个层次[2～4,13～17].
对流层高度随纬度与季节等因素变化.低纬度地区其高度大约为16～18km,高纬度地区高度只有8～9km.对流层中风速、风向经常变化;平均风速在2km附近达到第一个最大值,以后逐渐减小,20km以后又开始较快增长,在70km附近出现第二个最大值,风速可以达到60～70m/s.空气的压强、密度、温度、湿度也是变化的,风雨雷电等天气现象也发生在这一层.
平流层距地面高度大约为20～50km.由于大气密度是随高度逐渐减低的,到达32km高度,密度只有地面时的1/100左右,在50km处,密度已不足地面的1/1000.该层中大气基本没有上下对流,也没有雷电等天气现象,水平方向的环流风速均匀,一般为10～25m/s,冬季与夏季方向完全相反,冬季为西风、夏季为东风.在20～40km高度存在一个臭氧层,在30km左右,臭氧的密度达到最大浓度,其值可达1012/cm3,处于分子态,能吸收99%的紫外线;40km以上,几乎没有臭氧,使大量紫外线穿过而未被吸收,紫外线强度极高;大气在紫外线作用下开始电离,形成大量正、负离子和自由电子,其含量约为大气层平均含量的30倍.在平流层中,宇宙射线通量高,高能粒子辐射强度大.
中间层高度大约为50～80km,层中大气已经非常稀薄,在80km高度上,空气密度只有地面的五万分之一,层中大气总质量大约只占地球大气总质量的1/3000.80～800km为热层,在300km高度,气温可高达10000?C.800km以上为散逸层.
临近空间包括了平流层、中间层和热层下边界的一部分.
3低速近空间飞行器
新军事变革和军事思想的发展,使得在提高作战效果方面对低速近空间有着强烈的需求,同时相关技术的进步,为近空间平台发展提供了可能.目前,低速近空间飞行器已是美国联合作战概念的有机组成部分,其中心思想是将近空间作战能力融合到联合军事作战中,以获得持久性的指挥、控制、通信、情报、监视与侦察(command,con-trol,communication,computer,intelligence,surveil-lance,reconnaissance,C4ISR)能力.近年来在技术方面虽已取得很大进展,但仍有一些关键问题需要进一步研究解决,以不断扩展和增强其应用价值.
低速近空间飞行器类型主要有:气球、飞艇、无人机和太阳能飞机等.近年来的主要进展可归纳如下:
(1)近空间飞行器概念引入作战演习、逐步加深实用化研究[9,10,18,19].
2005年初,美国空军航天司令部向空军研究实验室下达了近空间军事应用研究任务,分别就近空间平台与有效载荷以及近空间平台投入战场使用后对指挥、控制和后勤的影响进行研究,并对近空间平台的军事应用价值与脆弱性进行评估.其研究结论是:近空间确实具有军事应用价值,除用作通信中继外,还有许多其他用途.
2005年2月,美军在内华达州内利斯空军基地秘密进行了“施里弗-3”太空战模拟演习,首次将近空间飞行器引入演习.这次演习的重点是探讨假想在2020年发生的反恐战争中,如何使用航天装备支援陆海空联合作战.“施里弗-3”还演习了空间系统防护.
2005年6月,美国空军航天司令部委托美国国防工业协会对近空间的任务应用、军用价值以及部署近空间系统所面临的技术挑战开展深入研究.美国国防部导弹防御局在高空飞艇计划中提出,要将平流层用于国土防空、战区监视以及在加装激光武器后用于弹道导弹防御.
美国国防部2005年8月,公布《2005年～2030年无人机系统路线图》,首次将无人飞艇列入无人
660力学进展2009年第39卷
飞行器系统范畴,其中包括:高空飞艇(high al-titude airship,HAA)和近空间机动飞行器(near space maneuvering vehicle,NSMV)两种近空间飞艇.
(2)大型高空飞艇和平流层信息平台研制取得重大进展[7,20～47].
美国、欧洲、俄罗斯、日本、韩国等都在大力发展.
美国:20世纪60年代以后,由于技术和安全等方面的原因,飞艇曾一度停止了发展.90年代以后,开始发展“哨兵”系列预警飞艇.1996年,美陆军开始执行“浮空器先进技术演示计划”.1999年10月,研制STI反恐飞艇,长61m,容积7200m3.2003年初,美空军施里弗基地和空间作战实验室开始实行“近空间机动飞艇计划”,第一个试验型叫做“攀登者”.2003年伊拉克战争之后,加紧“海象”巨型飞艇研制,可一次运送1800名士兵和500吨装备,航程可达11000km.2003年9月洛马公司得到国防部大型HAA研制合同,经费4000万美元,计划2006年交付第一架样机,作为美导弹防御系统的预警和信息平台.与此同时,美国导弹防御局“高空飞艇先进防御技术演示计划”(advanced con-cept technology demonstration,ACTD)启动.2004年,公布的“军事行动快速响应空间”(operationally responsive space,ORS)和“联合作战空间”(joint war?ghting space,JWS)线路图中包括了近空间发展计划内容.
2005年5月,美国Sanswire Networks公司开发的一种称为“平流层卫星”的近空间飞艇,按计划完成了原型机的演示验证,该飞艇可用于国家安全和其它军事目的.2005年11月在美国陆军空间和导弹防御司令部资助下研制的高空哨兵(HiSen-tinel)飞艇成功进入近空间,留空达5小时,成为继美国攀登者之后成功进入近空间的第二艘平流层飞艇.现在,美国从事近空间飞行平台研制的单位有几十家.主要有:Lockheed Martin(一家以军事电子产品研发为主的公司,在兼并了Loral公司后,进入浮空器开发领域);Sanswire Networks(Globe com-munications Cop.公司的一家子公司,开发平流层无线电通信平台Stratellite TM);Aeros(曾参与高空飞艇计划投标,失败后,2005年宣布将开始高空飞艇第二阶段研制计划)等.
俄罗斯:1992年成立的阿夫古力浮空器中心是一个现代化的研制实验基地.2003年研制出长度为34m,容积为1250m3的双座载人飞艇,可升空1500m;2006年又研制成功8座的.目前正在研制的高速长航时载人飞艇,长268m,载重180t,速度为170km/h,航程可达15000km.Rosaerosys-tems公司是从事系留气球和飞艇研制的专业单位,飞艇研究计划分两阶段:第一阶段是容积9000m3的试验艇,升空4000m;第二阶段,升空20000m.此外,阿夫古力浮空器中心还制订了一个叫做“金雕”的平流层飞艇方案,飞艇长250m直径50m,容积320000m3有效载荷可达1200kg,飞行高度为20～22km,两个这样的飞艇即可覆盖整个欧洲,可部分代替静止卫星,用于通信、观测和其它军事目的.
英国:ATG(advanced technologies group,)公司是从事平流层飞艇研发较早的单位,开发的Strat-star飞艇,已完成概念设计,2002年进行了验证艇低空试飞,现正与马来西亚合作研制平流层目标艇.该公司高空无人飞艇“天猫”(SkyCat)计划始于2002年,包括两种飞艇,其中SkyCat-1000型,可装载15辆英国的主战坦克,飞行高度20km; SkyCat-2000有效装载量可达200t,航速180km/h,航程可达11000km.
德国:Sanswire TAO公司研制链式多气囊平流层飞艇,预研工作在斯图加特大学进行,与国内外许多单位有合作.
日本:1998年成立了由邮政省和科技厅以及许多大学、企业单位参加的飞艇研发国家项目,计划用15个平流层平台覆盖全部国土面积.1998年JAXA开始平流层飞艇研究.2004年,试飞了一艘平流层试验飞艇,长68m,容积10500m3,飞高4000m,耗资2亿美元.
韩国:1998年,韩国由信息通信部支持完成飞艇平台可行性研究,开始大型飞艇的研制工作. 2003年试飞了一艘平流层试验飞艇,长50m,可在3000m高空停留3h.计划研制长200m的平流层飞艇,2007年试飞,2010年投入商业运营,投资约3000万美元.
飞艇未来发展趋势:
(1)大装载:法国AVEA计划载重200-500t;美国“海象”军用运输艇500～1000t;英国“天猫”-1000,起飞重量达1000t,能连续留空30d.
(2)超高空:以色列侦察飞艇飞高21km.美国“轨道攀登者”30～50km.2003年11月间,“攀登者”被放飞到30km高空进行试验,并在地面控制下返回.2004年6月,“攀登者”(ascender)巨型飞艇装载通信和监视设备进行试验.
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题661
(3)多用途、非常规、组合式、升/浮混合式:“黑暗空间站”组合式飞艇是由多个飞艇单元组成的巨型飞艇(最大长度可达3200m),空浮高度可达30km以上.美国国防部高级研究计划局(defence advanced research agency,DARPA)的近空间探测传感器飞艇计划(integrate sensor is struc-ture,ISIS).飞艇长150m,最大直径50m,体积300000m3,升限20000m.把巨大的艇体表面作为监视雷达天线窗口,解决内部空间小,无法安装大口径天线的矛盾.从而大幅度提高天线辐射能力,使其探测距离、分辨率、和多目标跟踪能力大大增强.这一平台能在空中滞留数月至数年.
(3)高空长航时无人机研制有重大技术突破并投入实用[19,48～53]
无人机包括无人侦察和作战飞机,是无人飞行器(unmanned air vehicle,UAV)中最重要的一类,此外还包括无人直升机和其它无人驾驶航空器.现代和未来战争非常重视和依赖获取信息和掌握制信息权,无人飞行器在这方面显示了巨大优势;无人飞行器可以完成许多有人驾驶飞机难以执行的极其困难而危险的任务,实施复杂作战环境下的空战和对地攻击作战,具有极大的军事应用潜力.
早在越南战争其间,美国就大量使用无人侦察机用于执行战地侦察、作战效果评估和电子干扰等.1982年叙利亚和以色列的贝卡谷地之战,以军用“侦察兵”等无人机诱使叙军雷达开机暴露目标,摧毁了叙方10余个“萨姆-6”地空导弹基地.海湾战争中,美国出动“先锋”无人侦察机500多架次,飞行1600多小时,进行战地侦察,炮火目标指示和毁伤评估,发挥了很大作用.1995年波黑战争和1999年科索沃战争以及海湾战争和阿富汗反恐作战中,美方分别使用了“先锋”无人侦察机、“微星”微型无人飞行器,“捕食者”以及尚处于研制阶段的“全球鹰”无人侦察机进行战地侦察,帮助寻找目标、引导攻击和进行毁伤评估,发挥了很大作用.
高空长航时无人机是一种能够在上万米高空长时间(十几小时至数十小时)持续飞行,进行空中侦察、监视的无人飞行器,可用于执行战役或战略侦察任务.因为它可以进入高空或深入敌方纵深,在收集目标区完整情报信息方面具有独特优势,近年来有很大发展,已研制成功多种型号并投入使用.
目前,世界上除美、俄之外,英、法、德、意、日、以色列、瑞典等国家,都非常重视无人飞行器的发展,已经和正在研制的无人飞行器有100多种,小型无人飞机的发展尤为迅速.据估计2005年,美国用于无人机投资已达20亿美元,到2015年,无人机数量将从现在的250架,增加到1400架左右.
美国著名军事专家劳伦汤姆逊曾断言:“没有比无人机更有意义的军事技术了.它将给军方带来无穷的效益.不但无需飞行冒险就能攻击敌方目标,而且,将比传统的战斗机更经济有效.”
20世纪60年代末70年代初,美国开始研制可执行多种电子侦察和干扰任务的无人机,70年代以后,注意力逐渐集中于长航时无人机的发展;进入80年代,美国研制了一系列中、小型无人机; 90年代是美国无人机迅速发展的新时期.这一时期代表性的无人飞行器主要有:“暗星”(Tier-3)、“捕食者”(predator)、大型的“全球鹰”(global hawk)和较小型的“影子”、“龙眼”等;其中,美国诺斯罗普·格鲁曼公司生产的RQ-4A/B“全球鹰”,是目前世界上最先进的无人机.RQ-4A飞行高度在20km 以上,续航时间为36h,航程可达5600km,并具有全天候适航能力;2005年以后开始生产RQ-4B改进型,任务载荷增加了50%,达到1350kg,机身长14.5m,翼展由原来的约35m增加到39.3m.
俄罗斯无人飞机的发展大致从20世纪50年代中开始.50年代中到70年代初,主要是研制战略无人机,但没有进入实用化;70年代至80年代初,转向研制亚声速战术和战役无人侦察机,主要型号有:图波列夫设计局的TY-141,TY-143和TY-243等;80年代以后,重点研制中小型无人侦察机,代表型号有:雅克福列夫设计局的DPLA-61(熊蜂-1)、熊蜂-1T等.90年代初,卡莫夫设计局研制成功卡-137,总重280kg,时速175km,最大升限5000m,航程530km,己于1993年首飞成功并少量装备部队.
以色列、英国、法国等在无人飞行器研制方面也取得很大进展.以色列的“侦察兵”、“先锋”、“苍鹭”,英国的“不死鸟”,法国的“玛尔特”(Mart)、“玛露拉”(Marula)都已投入使用,在实战中发挥了重要作用.
无人作战飞机的概念,从20世纪中叶开始受到人们的高度关注.目前提出的这类飞机方案大多属于高速飞行器范畴.
1996年美国空军科学顾问委员会在《新世纪展望》报告中指出:“无人作战飞机可能成为21世纪空中作战的主要力量”,并提出一种飞行
662力学进展2009年第39卷
Ma数为12～15的无人攻击机方案,飞行高度为26～38km,最大机动过载可达20g.美国空军大学在《2025空军》报告中提出一种“2025攻击星”无人攻击机方案,最大航程可达1200km.波音、格鲁门和洛克希德马丁等公司,在美国执行的一项无人作战飞行器研究计划中,分别提出了几种不同的无人战斗机方案,该项研究计划的目的之一是希望能通过这项研究来验证用无人战斗机取代有人战斗机的可能性.
目前,美国波音公司和诺斯罗普·格鲁曼公司正在研发X-45和X-47B无人作战飞机,其中X-45已在2005年8月成功进行了飞行试验,将发展后继型X-45C,该机长约12m,翼展15m,巡航飞行Ma数为0.8,可携带2100kg武器,飞高超过12000m.在欧洲,由法国牵头,瑞典、意大利、西班牙、希腊、瑞士等国参加,委托达索公司研制的“神经元”无人作战飞机,2003年启动,技术验证机可望于2010年首飞,该机长约10m,翼展11m,最大起飞重量5000kg,飞行速度约为Ma≈0.8.
(4)太阳能飞机进入飞行验证[54～56]
太阳能飞机是以太阳能作为推进能源的飞行器,其动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成.
20世纪80年代初,美国研制出“太阳挑战者”号太阳能飞机,1981年7月成功地由巴黎飞到英国,平均时速54km,航程290km.该机空重90kg,翼展14.3m,机翼和水平尾翼上表面共贴有16128片硅太阳能电池,在理想阳光照射下能输出3000W以上功率.但此时,太阳能飞机还处于试验研究阶段,它的有效载重和各项性能指标都还比较低.
以太阳能为动力的长航时无人机的研究,在这一时期也取得重大进展,在美国国家航空航天局的支持下,AeroVironment公司研制成功更先进的太阳能飞机——“太阳神”号(Helios).机身长2.4m,机翼伸展时达75m,整架飞机仅重590kg,用碳纤维合成物复合材料制造.装有65000片太阳能板,机身上装有14个螺旋桨,依靠机翼上的太阳能电池板产生推进动力.1999年在加州试飞成功后, 2001年运往夏威夷,在10个多小时飞行中,曾飞至22800m的目标高度.2003年6月26日,“太阳神”号在实验时突然遭遇强湍流,引起整个机翼诱发严重的俯仰振荡,导致结构破坏,在空中解体,坠毁在离夏威夷群岛附近太平洋水域中.
此后,瑞士的贝特朗皮卡德,提出要研制一种能替代失事的“太阳神”无人机的有人驾驶太阳能飞机,实现不着陆环球飞行计划,这就是他的“太阳动脉”计划(solar impulse).自2003年11月首次宣布开始实施后,第一架原型机已于2007年6月正式开始动工建造,预计将在2009年首次试飞, 2011年实现飞越大西洋、经停各大洲的环球试飞行.据介绍;该飞机翼展61m,机身重1500kg,平均航速每小时70km.飞机的动力来自于安装在机翼表面,面积达250m2的光伏太阳能电池板.
(5)制定近空间飞行器发展规划、确定稳健的发展道路[5～9,11～12]
2006美空军科学咨询委员会(air force scien-ti?c advisory board,AFSAB)发布“在近空间高度持久执行任务”研究项目的报告,提出了美空军近期(～2010年)、中期(～2020年)和远期(2020年以后)近空间飞行器的发展和选择建议.报告认为,在近期内,气球或飞艇还很难在近空间发挥实际作用.高空长航时无人机是近期利用近空间执行持久高空监视、情报搜集和通信中继等任务的最好选择,将成为低轨道侦察卫星可行的替代手段.报告建议:应针对某些可促使高空飞艇设计在未来不断成熟,以及可增强高空无人机甚至气球任务能力的技术,诸如高效太阳能电池、再生式燃料电池、轻质/高强度新材料、高空推进系统和高能量密度燃料等进行投资.
通过该报告,可以看出美军在近空间开发利用上的发展动向:立足现有无人机装备,以自由漂浮式高空气球为补充,积极探索运用高空飞艇和新型飞行器的可行性,在条件成熟时将其用于实战.这是一条稳健的发展之路.
4高速近空间飞行器[57～61]
按照国外流行的说法,近空间飞行器主要指气球、飞艇、无人机等一类的低速飞行器.美俄等国家长期以来,执行了多个高超声速飞行器研制计划,从它们的特征和飞行空域来看,实际上是属于近空间飞行器的范畴.
20世纪末,中国明确提出了高速近空间飞行器的概念,并开展一系列基础研究和论证,现在这种说法已逐渐为大家所接受.
高速近空间飞行器主要可分为两大类:以火箭为动力的高超声速飞行器(hypersonic rocket ve-hicles,HRV)和以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器(hypersonic air-breathing vehicles,HAV),如:高超声速巡航导弹、远程机动弹道导弹、高超声速
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题663
飞机、可重复使用的高超声速空天飞行器等.
20世纪60年代以来,以火箭为动力的高超声速航天飞行器(如:各类导弹、卫星、载人航天器、空间实验室、空间站和大型运载工具等),有了很大发展,目前技术已达到成熟.以吸气式发动机为动力的高超声速飞行器,受到广泛关注.从20世纪50年代末开始对超燃发动机的探索性研究,70年代后期,出现低潮,几经周折,到80年代后期、90年代初、中期,关键技术问题取得突破性进展,目前已进入飞行演示验证阶段.
从几个计划看美国高超声速飞行器发展:
1986年在超燃技术取得进展后,美国宣布执行“国家空天飞机”(national aero-space plane, NASP)计划,本来的意图是一步到位实现空天飞机的目标.但由于在高超声速马赫数范围内,作为动力系统的超燃发动机工程化应用技术储备不足,以及其他方面的技术难题,在短期内难以突破其技术关键,因此不得不于1995年下马.历经10年时间,花费30多亿美元.
NASP计划虽然不得不终止,其验证机X-30也没有被建造出来.但通过计划的执行,积累了大量技术数据,取得了宝贵的经验,使美国基本上掌握了Ma<8的超燃发动机关键技术,为后续发展打下了基础.
以后,美国空军开展了一个范围缩小的“高超声速系统技术项目”(hypersonic systems technology program,HySTP),重点是设计、制造一种马赫数10～15的超燃冲压推进系统,并进行一系列火箭发射的飞行试验,以解决国家空天飞机遗留的两个主要技术问题:边界层转捩现象和高超声速超燃发动机在真实大气环境下的运行.经过10年的努力,花了大约20亿美元后,高马赫数氢燃料超燃冲压发动机技术仍未完全突破
以后,美国对高超声速飞行器技术的发展进行了调整,确立了分阶段逐步发展的思路,降低了近期的发展目标,相继出台了一系列新的研究发展计划,如:美国宇航局的Hyper-X计划.20世纪90年代中期,美国宇航局提出“先进高超音速吸气式推进划”(Hyper-X),其目的是研究并演示可用于高超音速飞机和可重复使用天地往返系统的超燃冲压发动机技术.美国空军的HyTech计划,其近期目标是将碳氢燃料双模态超燃冲压发动机应用于Ma=(4～8)的高超声速导弹,远期目标是研制Ma=(8～10)的高超声速飞机.HyFly计划,2002年2月,美国DARPA和ONR联合建立,目标是发展Ma=6的高超声速巡航导弹.
DARPA和空军联合提出“猎鹰”(falcon)“兵力运用和从本土发射计划”.该计划将采用一种渐进式的技术开发方法,研发高超声速武器系统的通用技术,并进行演示验证.“falcon计划”超音速武器系统部分包括通用航空器(CAV)、增强型通用航空器(ECAV)和超音速巡航飞行器(HCV).
上述各种计划中,Hyper-Xs计划特别受到人们的关注,该计划分为两个阶段,第一阶段主要是发展以Ma=(5～10)的双模态超燃冲压发动机为动力的X-43试验飞行器.该计划验证机为X-43A,采用了按比例缩小的X-30的设计,以超燃发动机为动力.X-43A已进行了3次试飞,并在2004年11月最后一次飞行中达到了马赫数9.7的速度,创造了新的吸气式非火箭飞行器速度的世界记录.
X-43A还只是一个试验飞行器,进入实用还有很多问题,例如:超燃发动机的防热问题;采用更实用的碳氢化合物燃料问题;进一步提高推力和飞行Ma数也面临更多难题;作为一个飞行器在总体布局一体化设计等方面也还有许多问题有待解决.
美国人在对X-43A的总结中曾说过:“虽然超燃冲压发动机飞行演示方面已取得突破性进展,但仍有许多事情要做.燃烧时间必须由秒扩展到分,然后再扩展到小时.超燃冲压发动机的尺度和推力必须从亚尺度发动机演示器增长到能够推动实用性飞行器”,“在材料、热防护、生命支持、控制系统、人的因素和对于实用飞行器的其它要求方面,仍存在许多挑战.现在,超燃冲压发动机技术还需要广泛的实验和检验,此外,为准备飞行也还必须做大量工作”,“尽管为此已经花费了几十年时间,但它仍然还是一种年轻的技术,许多问题尚有待发现,一些意料不到的错误或缺陷仍会成为严重的障碍”.
在此之后NASA减缓了对高超声速的研究,没有提出大的研究项目,只提供了一点过渡资金进行基础性研究,暂停了X-43的飞行试验.NASA 未来的高超声速研究可能更加注重基础研究,包括材料、热防护结构、进气道、低速到高速的飞行模式转换,以及缩比尺寸验证机如何完全模拟真实尺寸的高超声速飞行器等.
其它几项计划的进展情况大致如下:
“falcon计划”,2005年,经国会听证后,DARPA 和空军按照国会的意向,将falcon计划中的CAV 重新命名为HTV(hypersonic technology vehicle),并
664力学进展2009年第39卷
去除了其中有关武器化应用的内容.但美国军方并未放弃其用于发展远程军用运输和轰炸飞机的目标.
第一架HTV-1,首先由火箭加速至Ma=19,之后,与火箭分离并开始在距离地面(30～45)km 的高空进行自主飞行.据估算,飞行过程中HTV-1的表面最高温度将达到约3000?C,而受到的压力将相当于航天飞机的25倍;第二架HTV-2,将在2009年进行试飞.主要目的是改进飞行器在结构和操控性方面存在的问题.此外,还将对高速飞行时的风险进行评估.HTV-2的最高飞行时速将接近马赫数22;第三架HTV-3,预计将在2009年以后实现首飞.与HTV-1和HTV-2不同的是,HTV-3的最高飞行速度将只有马赫数10.
通过“猎鹰”高超音速飞行器计划所获取的成果将被用于研制新一代的高速运输工具.而对美国军方来说,实施该项计划的目的则是为了开发具备全球轰炸能力的高超音速轰炸机.
以高超声速导弹为背景的高超声速飞行(HyFly)计划经过了几年的研究,2006年底进入全面的飞行试验阶段.目的是使导弹的飞行速度达到Ma=(4～6),发射距离达到(740～1100)km.波音公司已经和航空喷气公司用F-15E战斗机为载机,完成了助推火箭发动机的初步试验,以保证导弹达到冲压发动机开始工作所需的Ma=3.5的初始飞行速度.
近年来,HyTech计划也取得了显著进展.普惠公司为高超音速技术(HyTech)计划研制世界上第一台实用型碳氢燃料超燃冲压发动机的地面验证机GDE-1,其重量只有68kg,采用了标准的JP-7燃油.2002年9月～2003年6月,GDE-1先后实施了数十次Ma=4.5和Ma=6.5的地面试验,并产生了净推力,证明该发动机具备了在这些速度下高效燃烧和加速飞行器的能力,同时验证了在这两种速度下的热力特性和结构耐久性.
2004年1月,美国空军研究实验室(AFRL)选择了波音公司(负责机体)和普惠公司(负责发动机)的联合研制队伍,要求制造一架SED-WR乘波体飞行试验平台.2005年9月27日,美国空军正式批准将SED-WR命名为X-51A.
X-51A是一种乘波体外型,采用楔形头部、后部控制面和腹部进气道,验证机长4.26m,采用标准的镍合金制造,空重约635kg.2006年4月, GDE-2发动机完成了Ma=5.0条件下的地面验证机风洞试验.这使得X-51A朝着飞行试验又迈进了一步.7月27日,普惠公司宣布CDE-2在NASA 兰利研究中心完成了试验,获得了重要的超音速数据.GDE-2试验的成功,标志着超音速技术获得重要进展的里程碑.X-51A计划于2009年进行首次飞行试验,据估计,高超音速巡航导弹最快也要等到2025年左右才有可能装备.
2002年美国15个学会联名上书布什总统,提出美国国家空天发展计倡议(NAI).其目的是协调宇航局(NASA)与国防部(DOD)计划,统筹国家空天技术发展,并把它列为国家优先发展的地位.主要任务是:“为了确保美国在航空航天技术领域内的领先地位,将采用一种综合性的、以提高能力为中心的、动员全国力量的途径”.实现3个领域内的目标:高超声速:通过飞行验证,逐步提高飞行马赫数,在2012年前达到马赫12;进入空间:大幅度提高往返太空的能力和可靠性,同时降低成本费用;空间技术:充分发掘和利用太空潜能和保持美国在太空的领先优势地位.对于发展高超声速飞行器“NAI”建议分3步走:近期致力研发用于打击关键目标的超声速/高超声速巡航导弹;中期集中发展能够实现全球及时到达的高超声速轰炸机;远期目标则瞄准经济可承受和能及时进入太空的可重复使用的运载器.
俄罗斯在高超声速研究,特别是超燃冲压发动机研究方面有着传统的优势.前苏联早在1957年就开始进行了超燃冲压发动机研究.几十年来,俄罗斯中央空气流体动力研究院(ЦАГИ)、中央航空发动机研究院(ЦИАМ)、图拉耶夫联盟设计局、彩虹设计局、莫斯科航空学院等许多单位都开展了高超音速技术研究.由巴拉诺夫中央航空发动机研究院等几个单位共同进行超然冲压发动机研制的“冷”(ХОЛОД)计划,1991年11月首次在飞行试验中实现超燃工作模态.“鹰”(Орёл)计划目标是研制一种有翼的高超音速实验飞行器,从飞行器的发射方式,飞行轨道,马赫数及航程等方面,都显示了很高的水平,被认为是俄罗斯高超音速战略巡航导弹的雏形.
此外,俄罗斯发展的＂白杨-M＂导弹,据分析也是一种能够在近空间高度进行弹道机动的高超声速远程导弹,据监测这次飞行试验的美军方称,这枚导弹的飞行轨迹十分特殊,在与SS-25导弹分离后,即向下滑行,最后一段在大气层内高速滑翔轨迹的高度约为33km.这一高度低于美国末段“战区高空区域防御”(THAAD)系统拦截高度的下限.因此可以提高末段突防能力.
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题665
5基础科学与关键技术问题
5.1气球和飞艇的关键技术[1～4,20～21,24～26]
(1)囊体材料与结构.外蒙皮多采用轻质、柔韧、高强度、多层纤维,要求轻质、高强度/质量比,抗雨、雪、雷电、温差、压力等环境的侵蚀、不降解,高热阻和低温度变形效应,低氦气渗漏性(<2liter/d·atm·m2),高连结强度和抗滑移蠕变等.龙骨骨架(半硬式、硬式囊体)多采用轻质合金和碳纤维复合材料.目前,国内研制生产的囊体材料尚不能满足要求.
(2)动力推进和能量管理.飞艇主要动力系统是太阳能、燃料电池推动的电动机和燃油推动的发动机,以及组合式动力装置.要求动力系统质量轻、高效率、方便调节、高可靠性、强空间环境适应性、长使用寿命.作为推进用的低Re数、高效螺旋桨叶型和桨叶都有不同于通常航空螺旋桨的特点.
飞艇的飞行性能与飞行环境、任务要求以及能量的获取和供给方式有直接关系,要根据能源生产、传输和消耗情况,结合飞行任务、环境,及飞艇构造和运行条件等诸多因素,对能量分配使用和利用效率,进行评估和管理,保证能量产生与消耗间的动态平衡,获得最大的利用效果.
(3)平衡和控制.包括压力控制技术,姿态控制技术,推进动力控制技术,放飞、定点和回收控制技术,温度控制技术等.飞艇的控制具有不同于通常飞机和航天器的特点和难度:柔性体、大尺度、惯量大、机动性差、响应缓慢、时滞效应显著;从放飞到回收,外界环境参数变化较大;为适应外界环境温度变化和保持外形,需要经常充气、放气,质量和质心位置变动较大;舵面气动力较小,要通过囊体压力调节,改变浮力、控制质心相对于浮心的位置,调整飞艇的角度和姿态;因此,控制系统的参数选取、建模、分析和部件设计与运行都不是一件简单的事情.
(4)总体设计与优化技术.综合考虑气动性能、结构重量、运行稳定性、机动性、可操纵性、抗风性能以及太阳能电池板和动力/推进系统布局等,通过多学科、多目标优化方法,获得最佳总体设计结果.
5.2高空长航时无人机的关键技术[1,12,19,48,49]
(1)以提高升阻比和操稳特性为核心的空气动力学
包括先进气动布局、增升减阻措施、边界层流动控制、大攻角气动力、舵面铰链力矩和控制效率、动稳定导数计算等.由于无人飞行器雷诺数比较低,一般在105左右,出现许多与常规飞机高雷诺数流动显著不同的特征,因此要研究低雷诺数空气动力学问题.
(2)超轻质,高强韧材料与结构设计
减重是提高无人飞行器性能的关键问题之一,为此要发展超轻质、多功能材料以及新型结构形式和多学科优化设计理论和方法;研究超轻质材料特性及其力学行为,仿生材料结构和设计的新概念和新理论.结构柔性变大,固有振动频率显著降低,以颤振、抖振和结构弹性/控制系统耦合为核心的空气弹性问题变得非常严重.
(3)低速推进高效能源动力系统和能源管理
高效低速螺旋桨设计技术,包括最基础的叶型问题;各类发动机(活塞、涡桨、涡扇发动机等)的推重比、油耗、增压及长时间稳定工作问题;提高储能电池的比能量和太阳能电池的转换效率;高效储能问题;高能燃料电池等高效新能源的开发、利用和机载能源管理问题.
无人机在18000m以上高度飞行时,由于空气密度减小,外部空气对发动机的冷却能力大大减小.发电机、航空电子系统、通信系统和其它载荷也需要冷却,通常的解决方法是:(1)液冷(使用液体燃料或者液态空气)或(2)给航空电子系统和载荷舱增压,使它们工作在低海拔工作状态下.
(4)可靠性和自主控制
对于高空长航时无人机,可靠性是非常重要的.动力系统在决定无人机任务和总体可靠性上是最关键的.高空长航时任务需要无人机自主飞行控制.因此发展多余度航电系统以及相关软件是必须的.软件必须有自主识别能力,在组件或系统失效时提供反馈而不需人为干涉.在飞行的关键阶段——起飞着陆阶段能够自动控制是必须的.
(5)高性能、微小型、低功耗任务载荷研制
除导航控制系统,如GPS、主控板、磁航向仪、舵机等执行机构外,还包括各类光电、红外、SAR,生化物质传感器,数据采集/处理/传输系统,通信中继、各类电子干扰装置,机上电源,其重量应控制在总重量的30%以下,否则将给设计带来很大困难.目前国内元器件和设备重量、性能指标还不能达到要求,这方面的矛盾是非常突出的.
5.3太阳能飞机的关键技术[2～4,54～56]
除一般无人机必须考虑的:低Re数、高升阻
666力学进展2009年第39卷
比气动布局,低翼载飞行器稳定性和操纵性,轻质高强韧材料、结构一体化技术,小型轻质任务载荷等问题以外,有两个突出的问题分别是:太阳能电池及高效燃料电池技术及柔性结构的气动弹性问题.
太阳能电池是将太阳光能直接转换成电能的一种器件.自20世纪50年代,世界上第一块实用的硅太阳能电池问世以来,太阳能电池研制工作进展非常迅速.1958年,太阳能电池首次应用于空间,装备在美国先锋1号卫星上.1975年,美国科学家研制出第一块非晶硅太阳能电池;20世纪80年代初,太阳能电池开始规模化生产.目前,单晶硅和多晶硅太阳能电池的转换效率均已达到或超过了20%;非晶硅单结薄膜太阳能电池的光电转换效率也超过了10%.到21世纪初,化合物薄膜的铜铟镓硒和碲化镉太阳能电池的转换效率可以达到16%～18%.在各种类型的太阳能电池中,晶体硅太阳能电池仍然占据着较大份额,其生产技术已趋成熟,但由于高纯晶体硅生产能力和成本方面的因素,其发展受到一定制约.低成本、大面积化的薄膜太阳能电池的研发,引起人们的高度关注,特别是非晶硅和以太阳能薄膜电池(cul in ga se2,CIGS)和碲化镉为代表的化合物太阳能电池发展尤为迅速.
由于太阳能是一种低密度的能源,地面上的太阳能密度约为1kw/m2左右,在阳光充足时,每平方米每天也只能得到不足10kw·h的能量.此外,太阳能受一天中早、中、晚日照变化影响很大,夜间使用需要解决储能的问题.
总之,在太阳能电池的研发与使用中,材料、结构设计、制造工艺、降低制造成本、拓宽光谱响应、提高转换效率和储能等方面,还有许多需要深入研究解决的问题.
燃料电池是一种能在一定条件下使存储在其中的H2、天然气和煤气(主要是H2)与氧化剂(空气中的O2)发生化学反应,把化学能转换为电能的装置.燃料电池由阳极、阴极和电解质构成.燃料在含催化剂的阳极氧化,在阴极还原,产生电能驱动负载.工作时只要保持燃料供应,就能不断工作提供电能.它不但能量转换效率高(一般都在40%～50%)、寿命长、比功率高,而且对环境无污染.世界上许多国家都非常重视燃料电池开发.2003年,美国政府通过了为期5年的氢燃料电池研究的提案,计划投入经费高达17亿美元.欧盟在2005年至2015年期间,计划花费34亿美元用于氢能源研究.近年来,由于电极材料、总体重量、制造成本等方面的原因,人们对其短期内进入实用化的可能性提出质疑,因而减缓了研制进度.
太阳能飞机为了提高飞行性能和装载能力,采用了轻质结构材料和减重设计,使结构柔性变得很大,在气动载荷作用下,很容易产生大的变形和振动,气动弹性问题非常突出,美国“太阳神”号空中解体坠毁就是一个典型的例子.
需要进一步研究解决的问题主要有:大变形非线性动力学和气动力简化模型的完善;轻质、高强韧材料、先进复合材料的气动弹性分析、剪裁和多目标优化设计,低速飞行时气动弹性系统建模、非稳定运动形态和稳定性判定、颤振抑制以及气动弹性试验等问题.
5.4高超声速飞行器的关键技术[58～67]
这里只重点讨论吸气式高超声速近空间飞行器的相关问题.吸气式高超音速飞行涉及许多重大关键技术问题,但从美国的发展经验看,4个必须达到成熟化的关键性技术是:吸气式推进系统和飞行试验技术;材料、热防护系统和结构技术;飞行器的一体化设计和多学科设计优化技术;把地面试验与数字模拟相结合的分析综合技术.
在上述关键技术中,吸气式推进系统居于首位.对于各种技术目前的成熟程度美国制定了一些判别的标准.如NASA分为9级的“技术成熟性级别(technology readiness levels,TRL)”标准,见表1.
表1美国国家航空航天局制定的
“技术成熟性级别”标准
技术阶段TRL值检验/批准阶段实现阶段9
8
7
开发阶段演示阶段6
5
4
3
证明可行性阶段基础研究阶段2
1
利用这些标准可以对各技术领域美国的目前发展状况作出一些初步的判断,见表2.
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题667
表2高速/高超声速飞行技术支撑领域主要技术状态
主要技术领域技术组成成熟性级别
空气助燃式推进超燃冲压发动机燃烧室
燃料喷注器/火焰稳定器
流动通道一体化设计——烃类燃料
——氢燃料
发动机控制系统
推进系统/机体的一体化设计2.5(4～6) 2.5(4～6) 3(5)
2.5(4～5) 2.5(4～6) 2.5(3～)
发动机材料金属型燃烧室壁钣
有冷却的陶瓷基复合材料燃烧室壁钣
整流罩唇部
燃料喷注器
密封件
传感器3(3～7)
1.5(2～4)
2.5(3～6) 2.5(4～6) 2(3～4) 2.5(3～5)
机身材料铝合金超低温推进剂储箱
石墨-环氧复合材料超低温储箱
机身前缘
热防护系统
结构材料2.5(3～5) 1.5(3～4) 3(4～6) 2.5(3～6) 3(3～6)
一体化设计和多学科优化参数化几何学
自动化数据传递技术
自动化网格生成技术
完备的优化技术
网格计算技术
不确定性管理技术
高速/高超声速高保真度计算代码程序3(4～5) 3(4～5) 2.5(2～5) 2(3～4) 3.5(5) 1.5(2～3) 1.5(1～5)
地面试验/数值计算综合技术高焓地面试验设备
光学诊断技术
大涡模拟计算方法
热化学模型
3(5～6)
2.5(5～6)
2(4)
2(4～5)
注:对于当前的成熟性水平,同时使用了两种评级方法,一种是数字1～5的分级方法,另一种是NASA的数字1～9的TRL值(括号内数字).
从表2可以看出:对于美国的具体情况,几项关键技术:空气助燃式推进技术、发动机材料、机身材料、一体化飞行器设计技术和多学科设计优化工具、综合的地面试验技术和数字分析技术,其技术成熟程度大体处于TRL4～6级水平(开发后期和演示验证阶段)部分尚处在2～3,技术上还不成熟.
以超燃冲压发动机为动力的高超声速飞行器研制面临一系列技术上的难题.美国(包括俄罗斯等国家)为此付出了近半个世纪的艰苦努力,制定了多个不断变化的发展计划,几经起伏,最终探索出一条比较实际的、循序发展的道路.发展高科技工程必须要有基础研究的积累,在关键技术问题上取得突破,否则,可能导致失败的后果.
当前应当抓紧进行的主要研究和关键技术攻关工作包括:
(1)高温气体动力学[60,64,68～79]
高温真实气体效应是高超声速飞行器研制中必须考虑的一个重要问题.对于高温气体非平衡流动问题,已进行了大量的研究.对高温气流中化学反应速率的知识不足,特别是在振动自由度激发、分子离解、表面化学反应等各种因素耦合在一起的情况下,更是知之甚少.目前存在的主要问题是:高温气体热力学特性和化学反应速率常数以及化学反应模型的选取,还有一定的不确定性,这将导致头部激波脱体距离、物面边界层速度剖面、密度剖面和物面热流等重要参数预示上的偏差.
美国人在总结X-43A经验时曾提出要重点研究高超声速对下列问题的影响:边界层从层流转变为湍流的转捩问题,湍流边界层的流动和剪切层的流动,激波与边界层之间的相互作用,燃料喷
668力学进展2009年第39卷
注入气流、燃料与空气的混合、燃料与空气之间的化学反应,机身与推进系统一体化设计的飞行器性能和可运行范围.
对于上述这些问题的研究,都应当充分利用和发挥现代光学诊断技术和高速数值计算技术所具有的优势.
地面模拟试验设施.目前在美国仅仅存在为数不多的几个可用于高超音速飞行研究的高焓试验设施,而且这些设施在试验范围上还都受到种种限制.各类脉冲型风洞的最高焓值范围可以高达对应马赫数20的飞行速度,但都是短持续时间(1～10ms)的试验设施.试验时间可以相对较长的一些设施,都是污浊(不清洁)空气的风洞,在这些风洞的自由气流内含有燃烧产物,而且它们的最高焓值范围仅限于对应马赫数8以下的飞行速度.与高焓值状态相伴随出现的一些新的流动变量,例如分子振动自由度的激发、各种分子和离子的浓度等,都可以用现代光学诊断技术进行测量,但目前这些技术仅仅在极有限的情况下,在高焓值的地面试验设施上得到应用.能够提供更长试验时间(即从几毫秒提高到几秒量级)的高焓地面试验设施和能够提供更高诊断能力的地面试验设施都是必不可少的.为了能够满足高超音速飞行系统研制开发所提出的要求,可能还需要建设新的地面试验设施.
(2)超燃基础和新概念推进研究[80～86]
在能够促使吸气式高超音速飞行实现的各种关键技术中,推进技术占据首要的位置.对于超燃冲压发动机的研制来说,存在着许多具有挑战性的技术难题,包括:在整个宽广的运行速度范围内(特别是在马赫数超过8的情况下)超燃冲压发动机内部流动,燃烧稳定性与过程优化,地面试验和精细流场诊断、飞行试验以及数字模拟技术;质量轻、耐高温的发动机材料和有效的热管理技术;研究新的发动机技术,以及验证飞行速度大于马赫数8情况下的发动机性能;研究发动机/飞行器一体化设计方法(包括进气道/发动机/尾喷管组合;综合气动力与防热一体化;高升阻比与操稳特性的协调;气动特性与结构完整性设计;气动外形与有效载荷容积要求;多学科多目标(multidis-ciplinary design optimization,MDO)总体优化等.),实现可实际运行的、具有高性能的一体化设计的飞行器方案;如何从低速推进模式转变成高速推进模式的问题,特别是在采用可变几何形状的发动机的情况下,如何实现工况转换的问题.
1991年～1998年间,俄罗斯分别与法国,美国,德国等合作进行了超燃冲压发动机的验证性飞行实验.提出了一系列关键问题.从美俄的经验教训来看,这些基础性的问题不解决,超燃发动机的研制是不会取得成功的,因此在这方面还需下很大功夫.
各种组合式和新概念动力装置研究.现有的动力装置,不论是火箭或超燃冲压发动机,对于在40～70km高度,持续、机动飞行的高超声速飞行器都是不理想的.要积极探索各种组合式和新型动力装置(如:脉冲爆轰驱动、激光/等离子推进、核动力推进等)研究其作用原理和实用化问题在这方面如能取得突破,将为未来自主创新和跨越发展争取到主动.
(3)新型防热、隔热原理、材料与结构[72,87～97]
现有飞行器热防护系统大都是针对战略弹头的,特点是:简单外形、短时间、很高的加热率.采用的主要办法是烧蚀热防护．新一代空天飞行器热防护问题具有不同的特点:复杂的升力体外形、中低热流和长时间加热.为了获得良好的气动特性,一般需采用保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护技术,还要解决长时间持续飞行的内部隔热问题.已经建立的宏观热防护理论已不能满足要求,要发展新的热流预示方法;非烧蚀热防护技术;防热结构的一体化设计技术;结构在力／热综合作用下的动态响应特性和破坏机制等.各种防热、隔热原理,包括:被动式(热沉、隔热、表面辐射)、半被动式(热管传导+辐射)和主动式(发汗、冷却膜、冷气流对流),都是值得深入探讨的问题.
在发动机防热材料技术方面焦点集中在:采用主动式冷却方式的燃烧室壁板材料,以及超低温推进剂贮箱的材料.需要更加坚固耐用的被动式冷却的或者主动式冷却的(即需要使用冷却剂进行冷却的)热防护系统;燃烧室部分必须采用主动式冷却方式.虽然到目前为止已经对许多种不同的熱防护系统的候选设计方案进行了广泛的试验研究,但是还没有找到一个可以完全满足多种运行要求的解决办法.
(4)变参数、快速响应、强鲁棒性、高效控制系统设计[12,98～100]
近空间飞行器为了追求高的升阻比和优异的机动性能,一般外形都比较复杂,飞行过程中速度和空域变化范围也很大.飞行器在不同速度下,自身的气动特性(升阻比、稳定性和操纵性)也会发
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题669
生很大变化,这就为飞行控制增加了新的困难.高机动性要求快速响应的控制系统和大的控制力作用,以产生大过载.
近空间飞行器控制问题研究的重点是,面对飞行器所具有的多变量、时变参数、强鲁棒性、高度非线性、纵横向交叉耦合、气动弹性效应显著等挑战性难题,研究系统的动力学建模、控制律设计及稳定性分析方法,尤其是长时间巡航飞行,严酷力、热载荷环境下的伺服机构的设计问题以及高机动状态下的精确控制问题等.
高空大气密度稀薄,气动舵面的控制效率显著下降,已不能满足要求,因此要借助于喷流反作用控制(reaction jet control system,RCS)和推力矢量控制(美国的X-31验证机、F-22和俄罗斯的Su-37上都采用了这一先进技术).多个喷流反作用控制单元与气动操纵面以及推力矢量(甚至包括调整质心位置等其他方法)相结合形成的复合控制系统,成为对近空间飞行器实施有效控制的重要手段.
俄罗斯首次在R-73先进红外格斗近距空空导弹上应用推力矢量与气动力综合的复合控制技术.在尾喷口四周加装4片偏转舵面实现推力矢量控制,并与空气动力控制相结合,使导弹的控制通道由传统的双通道控制变为5通道控制,即2个喷流偏转舵控制通道、2个空气动力舵面控制通道和1个副翼控制通道,从而使导弹在主动段上的最大机动过载达到60g.证明了这种方法的有效性.
复合控制系统涉及大量的关键技术问题,如:复合控制系统工作模式优化设计与仿真建模,控制发动机点火逻辑与控制周期的设计,侧向喷流直接力作用和喷流与主流场的气动干扰效应建模与分析计算,控制系统工作频率与舵系统带宽与弹性弹体频率的匹配,复合控制系统的风洞与地面模拟试验等.
(5)高超声速飞行器的空气弹性问题[101～108]
现代高超声速飞行器有着比较宽阔的飞行包线,飞行高度和Ma数的变化范围很大,为了增加机动航程,多采取复杂的高升阻比构形.由于对结构重量有着严格的限制,因此大量使用超轻质、高强韧材料,使机/弹体柔性程度加大.高速飞行时气动加热现象非常突出,控制系统的作用也日益重要,这些因素所造成的高超声速空气弹性问题与传统的亚、跨、超声速相比,不管是在研究、试验或理论计算分析方法上都有很大不同.“空气/伺服/热弹性”耦合因素变得非常显著,高超声速空气弹性成为不可忽略的重要研究课题,相关技术尚未成熟.
根据国内外工程实践经验,需要开展研究的高超声速空气弹性问题主要有:(1)壁板颤振,(2)高超声速翼面/舵面气动弹性特性,(3)热气动弹性现象,(4)全机颤振,(5)弹性-推进系统耦合现象, (6)弹性-飞行控制耦合问题,(7)自由分子流气动弹性特性等.具体研究内容包括:高速飞行气动加热,热响应、热变形、热模态、热气动弹性的分析预测,运动和弹性振动引发的气动非阻尼效应;快速变化飞行环境的气动弹性系统建模和动力学特性分析;复杂升力体外型的抖振与随机激励响应;气动伺服弹性系统建模、分析、综合和系统优化问题等.
(6)多学科设计优化
高超音速飞行器必将是由几个高度一体化设计的系统组成的,需要进行多学科设计优化处理,以便获得能够满足所有设计约束条件的、坚实可靠的飞行器设计方案.飞行器的形状将决定飞行器下列的诸多特性:飞行器的结构形式;与机身一体化设计的熱防护系统的类型和其所用的材料;飞行控制系统;飞行力学特性和飞行轨迹等.反过来,飞行器的飞行轨迹又会决定飞行器所受到的气动加热、载荷,影响到飞行器的气动弹性力学特性、飞行器的性能和飞行器的重量.气动和隐身也是相互交叉耦合的.为了进行多学科设计优化所必不可少的几种能力,目前还都处于不成熟的状态.
(7)智能变形飞行器技术[109～113]
近空间飞行器从地面或运载平台上起飞,穿越大气层飞行,执行各种任务使命,其飞行环境(高度、飞行马赫数等)变化很大;固定外形的飞行器很难适应如此广泛的环境参数变化,始终保持优良的使用性能.因此要采用智能变形飞行器技术(morphing aircraft technology,MAT).随着空气动力、智能材料和控制技术的发展,这种设想正逐步变成现实.
智能变形包括两层含义:对变形进行智能控制和以智能材料与结构为基础实现变形.需要重点解决的关键技术问题有:可变形飞行器气动性能预测和气动布局研究,可变形飞行器总体与设计优化,变形过程及变形前后的飞行稳定性与操纵特性,可变形飞行器的飞行控制技术,智能材料与结构的应用技术.
(8)地面试验与数模拟综合技术[12,58,59,62,63,71]
670力学进展2009年第39卷
把地面试验与数值模拟和理论分析综合在一起的技术,是另一个必须达到成熟化的、具有关键性意义的、能够使得高超音速飞行技术得以实现的技术领域.当飞行马赫数从3增大到8或者8以上时,在一个飞行器的研制开发计划中必须得到模拟的参数数目,会随着马赫数的增大而大幅度地增加.
利用高速计算机进行的数值计算技术,尽管在许多针对低马赫数流动的应用中取得了很大的成功,但是,在高超声速情况下,数值计算技术在目前仍然主要被用作地面试验的补充手段,以它来弥补试验设施方面存在的种种限制.
通过把高超声速高焓试验设施的试验技术和数值模拟技术两者平衡地结合在一起的手段,就可以很好地确定风洞自由流的特性状态,而且能够发现和研究清楚一些新的和重要的效应,这些成果将有助于飞行器设计工具的研发工作.
6结束语
近空间飞行器是应对未来战争、突破导弹防御系统、能对敌方构成现实威慑力量的重要武器系统,也是发展未来跨大气层飞行和天地往返,实现极高速远程交通,做到“全球即时到达”的可能途径,具有极其重要的军事和民用价值.近空间飞行器研发面临着一系列的关键技术难题,我们在这方面的技术储备和研究基础以及研制条件和能力还比较差.
我们应当从美国和其它国家的曲折发展道路和不断遭遇的种种困难中,认真总结经验、吸取教训,结合中国具体情况,统筹国家空天技术发展,并把它列为国家优先发展的地位;对现有技术能力和发展潜力,做出全面、切实的评估,制订符合中国国情的发展近空间飞行器的正确道路.明确目标、凝聚重点、合理组织和利用国内的资源,高度重视、增大投入、统筹规划、协调发展、特别要加强基础研究,这样就有可能在比较短的时间取得显著进展.
参考文献
1崔尔杰.近空间飞行器——关键技术问题与发展建议.见:临近空间飞行器的发展趋势和重大基础科学问题研讨会文集,北京,2006年4月17－18日
2北京航空航天学会.2006年中国浮空器学术年会论文集.合肥,2006年10月
3中国科学院光电研究院气球中心.2007年中国浮空器大会论文集.北京:航空工业出版社,2007年10月
4中国航天科技集团068基地.2008年中国浮空器大会论文集.长沙,2008年11月
5曹秀云.近空间飞行器成为各国近期研究的热点(上).
中国航天,2006,6:32～35
6曹秀云.近空间飞行器成为各国近期研究的热点(下).
中国航天,2006,7:30～32
7姚伟,李勇,王文隽等.美国平流层飞艇发展计划和研制进展.航天器工程,2008,17(2):69～75
8Hampton Stephens.Near-Space.Air Force Magazine, 2005,88(7):36～40
9佟舟.美国空军关注临近空间作战.国际航空,2006,5: 60～62
10陈有容.全面透视美军“施里弗-3”太空战模拟演习.https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/mil/2005-02/23/content 2606978.htm,[2009-11-3]
11段锋.临近空间飞行器现状与发展.航空科学技术, 2007,6:22～25
12崔尔杰.近空间飞行器研究的新进展.见:国家自然科学基金重大研究计划2007年学术交流会报告文集,北京,2008
13US Department of Transport Federal Aviation Adminis-tration.FAA-P-8110-2Airship Design Criteria,1987
14中国民用航空总局.AC-21-09飞艇适航标准,1997
15Gri?n D K,Giorgio P.Feasibility study of geostationary stratospheric light-than-air platform.Fluids2000,Den-ver,2000
16Eward C Robinson et al.Models of the near space geo-physical environment.PL-TR-97-2089Environmental Re-search Paper No.1207,1997
17Palmen E,Newton C W.Atmospheric Circulation Sys-tem:Their Structure and Physical Interpretation.New York:Academic Press,1969
18中国航空信息网.美国军用无人飞艇的发展与应用.
https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/20070924/n252321442.shtml, [2009-11-3]
19吕庆风.美国无人机路线图的启示.航空制造技术, 2006,12:38～43
20甘晓华,郭颖.飞艇技术概论.北京:国防工业出版社, 2005
21库利G A,吉勒特,ＪD.飞艇技术.王生译.北京:科学出版社,2008
22Netherclift O J.Airships Yesterday and Tomorrow.Eng-land:The Air-Ship Association Ltd.,1993
23Colozza A J.Initial feasibility assessment of a high al-titude long endurance airship.NASA CR-2003-212724, 2003
24童志鹏.平流层信息平台.科技导报,1999,3:8～10 25王明建,黄新生.平流层飞艇平台的发展及关键技术分析.兵工自动化,2007,26(8):58～60
26李智斌,李果,李勇.近空间浮空飞艇飞行控制研究现状及问题.控制工程,2006,5:11～19
27Toshitaka T,Takashi A.E?ects of meteorological condition on the operation of a stratospheric platform.In:The3rd
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题671
Stratospheric Platform System Workshop.Tokyo Japan, 2001
28Munk M M.Aerodynamics of airships.NACA-TR-184, 1936
29Thompson J.Design of small airship.AIAA Paper85-0827,1985
30Onda M.Design and application of a stratospheric long-endurance LTA platform.AIAA Paper2001-5266,2001 31Lambert D E.Development architectures for high altitude airship.AIAA Paper2003-6781,2003
32Colozza A,Dolce J L.High altitude long endurance air-ships for coastal surveillance.NASA-TM-2005-213427, 2005
33Elfes A,Bueno S S,Bergerman M,et al.A semi-autonomous robotic airship for environmental monitoring missions.In:Proc.IEEE Conf.Robotics&Automation.
Leuven,Belgium,1998
34Sasa S S.Stratospheric platform program in Japan and ground-to-stratosphere?ight test.In:9th UAVNet Meet-ing.Amsterdam,2004
35Kim D M,Lee Y G.Korea stratospheric airship program and current results.AIAA Paper2003-6782,2003
36Nayler A.Airship activity and development world-wide-2003.AIAA Paper2003-6727,2003
37Kanikdale T,Marathe A,Pant R.Multi-disciplinary op-timization of airship envelope shape.AIAA Paper2004-4411,2004
38欧阳晋,屈卫东,席裕庚.平流层验证飞艇的建模与分析.上海交通大学学报,2003,37(6):956～960
39王海峰,宋笔锋,王海平.高空飞艇定点控制关键技术及解决途径.飞行力学,2005,23(4):5～8
40欧阳晋,屈卫东,席裕庚.平流层平台的发展及其自主控制关键技术.工业仪表与自动化装置,2004,1: 64～67
41李智斌,张芸香,倪茂林.平流层飞艇控制与推进技术.
航天控制,2007,25(1):21～25
42Lutz T,Wagner S.Drag reduction and shape optimiza-tion of airship bodies.Journal of Aircraft,1998,35(3): 345～351
43Gomes V B S,Ramos G J J.Airship dynamic modeling for autonomous operation.In:Proc.IEEE Conf.Robotics &Automation.Leuven:IEEE,1998.3462-3467
44Mueller J B,Paluszek M A.Development of an aerody-namic model and control law design for a high altitude airship?ights.AIAA Paper2004-6479,2004
45Schmidt D K.Dynamic modeling of control and station-keeping guidance of a large high altitude near space air-ship.AIAA Paper2006-6781,2006
46Li Y W,Nabon M.Modeling and simulation of airship dynamics.Journal of Guidance Control and Dynamics, 2007,30(6):1691～1700
47Bessert N,Frederich O.Nonlinear airship aeroelasticity.
Journal of Fluid and Structures,2005,21:731～74248计秀敏.无人机的发展趋势及其关键技术.http:// https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/News/12316.htm.2002-11-18
49胡晓煜.国外高空长航时无人机动力技术的发展.燃气涡轮试验与研究.2006,19(4):56～60
50龚天宁.无人机的过去、现在和将来.http://mil.fjii.
com/2007-03-12/30971.htm.2007-03-12
51爱问知识人网.美国捕食者无人机、全球鹰无人机有何特点优点？https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/b/8589471.html?
from=relate.2007-03-24
52中国航空工业发展研究中心.美国无人机研制近况.
https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/News/5518.htm.2009-08-18
53中国航空信息网.美国无人机系统开发的最新进展.
https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/zh cn/critical/25/20051105/ 128211212.html.2005-11-05
54Boucher R J.Sunrise,the world’s?rst solar powered air-ship.Journal of Aircraft,1985,22(10):840～846
55Colella N J,Wenneker G S.Path?nder and the de-velopment of solar rechargeable aircraft.https://www.
https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/etr/pdfs/0794.1.pdf.1994-07
56Thomas E.Noll et al.Investigation of the helios proto-type aircraft mishap.NASA Langley Research Center.
Jan2004
57中国国防科技信息中心.美军开始实施”兵力运用与从本土发射”计划.https://www.doczj.com/doc/489771812.html,/cetin2/ servlet/cetin/action/HtmlDocumentAction?baseid=1& docno=203621.2003-01-21
58Hunt J L,Laruelle G,Wagner A.Systems challenges for hypersonic vehicles.In:Future Aerospace Technology in the Service of the Alliance.AGARD-CP-6000,1997
59Walker S H,Sherk C J.The DARPA/AF falcon pro-gram:the hypersonic technology vehicle#2(HTV2)?ight demonstration phase.AIAA Paper2008-2539,2008
60Houchin R F.The hypersonic revolution,case studies in the history of hypersonic technology,vol.II:from scram-jet to the national aerospace plane.In:Hallion R ed.
Ohio:Aeronautical Systems Division,Wright-Patterson Air Force Base,1987
61Moses P L,et al.NASA hypersonic?ight demonstrators—overview,status,and future plans.Acta Astronautica, 2004,55(3～4):619～630
62Laurie A Marshall et al.Overview with results and lessons learned of the X-43A mach10?ight.AIAA Paper2005-3336,2005
63温杰.X-51验证机.兵器知识,2007,3:46～53
64Morelli E A,Derry S D,Smith M S.Aerodynamic param-eter estimation for X-43A from?ight data.AIAA Paper 2005-5927,2005
65Orton G F,Scuderi L F,Sanger P W,et al.Hypersonic aircraft and transatmospheric vehicles.In:Noor A K, Venneri S L,eds.Future Aeronautical and Space Systems.
Washington,DC:American Institute of Aeronautics and Astronautics,1997
66Blankson I M.Air-breathing hypersonic waveriders:a sur-vey of research needs.In:Anderson JD,Lewis MJ,Corda
672力学进展2009年第39卷
J,et al,eds.Proceedings of the First International Wa-verider Symposium,University of Maryland,College Park, MD,October1990
67Orton G F,Scuderi L F.A hypersonic cruiser concept for the21st century.SAE Paper985525,September1998
68Tsien H S.Similarity laws of hypersonic?ows.J Math Phys,1946,25:24–51
69Lees L.Hypersonic?ow.In:Proceedings of the Fifth International Aeronautical Conference.Los Angeles.In-stitute of the Aeronautical Sciences,New York,1955.
241～276
70AGARD Fluid Dynamics Panel.Aerodynamics of hyper-sonic lifting vehicles.AGARD-CP-428,Bristol,1987
71Bertin J J,Cummings R M.Fifty years of hyperson-ics:where we’ve been,where we’re going.Progress in Aerospace Sciences,2003,39(6-7):511～536
72Bertin J J.Hypersonic Aerothermodynamics.Washington DC:American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1994
73Hirschel E H.Viscous e?ects.Space Course.Germany: Aachen,February1991.12-1～12-35
74Bertin JJ,Graumann BW,Goodrich WD.High velocity and real-gas e?ects on weak two-dimensional shock inter-action patterns.J Space Rockets.1975,12(3):155～161 75Gazley C.Boundary-layer stability and transition in sub-sonic and supersonic?ow.Journal of Aeronautical Sci-ences,1953,20:19～28
76Reshotko E.Boundary-layer stability and transition.
Annu Rev Fluid Mech,1976,8:311～49
77Beckwith IE,Bertram MH.A survey of NASA Langley studies on high-speed transition and the quiet tunnel.
NASA TM X-2566,July1972
78Bouslog SA,An MY,Hartmann LN,et al.Review of boundary layer transition?ight data on the space shuttle orbiter.AIAA Paper91-0741,1991
79Bertin J J,Graumann B W,Goodrich WD.Aerothermo-dynamic aspects of shock-interference patterns for shuttle during entry.J Spacecr Rockets,1973,10(9):545～546 80McClinton C R,Voland R T,Holland S D,et al.Wind-tunnel testing,?ight scaling and?ight validation with Hyper-X.AIAA Paper98-2866,1998
81Engelund W C.Hyper-X aerodynamics:the X-43A airframe-integrated scramjet propulsion?ight-test exper-iments.J Spacecraft&Rockets,2001,38(6):801～802
82Billig F S.Propulsion systems from takeo?to high-speed ?ight.In:Murthy S N B,Curran E T,eds.High-speed ?ight.Propulsion Systems.Washington,DC:American Institute of Aeronautics and Astronautics,1991
83Thomas J L,Dwoyer D L,Kumar https://www.doczj.com/doc/489771812.html,putational ?uid dynamics for hypersonic airbreathing aircraft.In: Desideri J A,Glowinski R,Periaux J,eds.Hypersonic Flows for Reentry Problems,vol.I.Berlin:Springer,1991 84Curran E T,Heiser W H,Pratt D T.Fluid phenomena in scramjet combustion systems.Annu Rev Fluid Mech,
1996,28:323～360
85Gregory T J,Petersen R H,Wyss J A.Performance tradeo?s and research problems for hypersonic transports.
Journal of Aircraft,1965,2(4):266～271
86Bogar T J,Alberico J F,Johnson D B,et al.Dual-fuel lifting body con?guration development.AIAA Paper96-4592,1996
87Curry D M.Thermal protection systems manned space-craft?ight experience.In:Current Technology for Ther-mal Protection Systems.NASA CP-3157,1992
88Kelly H N,Blosser M L.Active cooling from the sixties to NASP.In:Current Technology for Thermal Protection Systems.NASA CP-3157,1992
89Goldstein H.Reusable thermal protection system development—a prospective.In:Current Technology for Thermal Protection Systems,NASA CP-3157,1992
90Fahrenholtz W G,Hilmas G E.NSF-AFOSR joint work-shop on future ultra-high temperature materials.NSF Report DMR-0403004,2004
91Upadhya K,Yang J M,Ho?mann W P.Materials for ultra-high temperature structural applications.American Ce-ramic Society Bulletin,1997,76(12):51～56
92Levine S R,Opila E J,Halbig M C,et al.Evaluation of ultra-hightemperature ceramics for aeropropulsion use.
Journal of the European Ceramic Society,2002,22(14,
15):2757～2767
93Blosser M L.Investigation of fundamental modeling and thermal performance lssues for a metallic thermal protec-tion system design.AIAA Paper2002-0503,2002
94Daryabeigi K.E?ective thermal conductivity of high temperature insulations for reusable launch vehicles.
NASA/TM-1999-208972,1999
95Daryabeigi K.Thermal analysis and design of multi-layer insulation for re-entry aerodynamic heating.AIAA Paper 2001-2834,2001
96Reddy J N,Chin C D.Thermomechanical analysis of func-tionally graded cylinders and plates.Journal of Thermal Stresses,1998,21(6):593～626
97中国力学学会.庆祝中国力学学会成立50周年大会暨中国力学学会学术大会论文集.北京,2007
98Margason R J.Fifty years of jet in cross?ow research.
AGARD-CP-534,1993.1～41
99Kennedy K,Walker B,Mikelsen C.Jet interaction e?ect on a missile with aerodynamic control surface.AIAA Pa-per99-0807,1999
100Brandeis J,Gill J,Brandeis J,et al.,Experimental inves-tigation of super and hypersonic jet interaction on con?g-urations with lifting surface.AIAA Paper97-3723,1997 101崔尔杰,李潜,刘子强.高速飞行器空气弹性力学——几个值得关注的新热点.见:第九届全国空气弹性学术交流会邀请报告,成都,2005年8月
102McNamara J J,Friedmann P P,Powell K G,et al.,Three-dimensional aeroelastic and aerothermoelastic behavior in hypersonic?ow.AIAA Paper2005-2175,2005
第6期崔尔杰:近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题673
103Spain C,Zeiler T A,Bullock E,et al.A?utter inves-tigation of all-moveable NASP-like wings at hypersonic speeds.AIAA Paper93-1315,1993
104Mei C,Abdel-Modagaly K,Chen R,Review of nonlinear pannel?utter at supersonic and hypersonic speeds.Ap-plied Mechanics Review,1999,52(10):321～332
105COLE S R,et al.Supersonic Aeroelastic instability re-sults for a NASP-like wing model,AIAA Paper93-1369-CP,1993
106McNamara J J,Friedmann P P,et al.Aeroelastic and aerothermoelastic vehicle Behavior in hypersonic?ow, AIAA Paper2005-3305,2005
107Heeg Jennifer,Zeiler Thomas A,Pototzky,et al.
Aerothermoelastic analysis of a NASP demonstrator model,AIAA Paper93-1366-CP,1993
108Guruswamy G P,Navier-Stokes computations on swept-
tapered wings,including?exibility.Journal of Aircraft, 1992,29(4):588～597
109崔尔杰,杨基明,白鹏.智能变形飞行器的发展道路.
航空制造技术,2007,8:38～41
110Kudva N.Overview of the DARPA smart wing project.
Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2004,15(4):261～268
111Rodriguez A R.Morphing Aircraft Technology Survey.
AIAA Paper2007-1258,2007
112McGowan A R,et al.,Recent results from NASA’s mor-phing project.In:9th International Symposium on Smart Structure and Materials,SanDiego,California, 2002.SPIE Paper No.4698-11,2002
113Cooper J E.Smart aircraft morphing technologies.In: Eurocores S3T Kick-o?Meeting,Strasbourg,Sept2006
RESEARCH STATUTES,DEVELOPMENT TRENDS AND KEY TECHNICAL PROBLEMS OF NEAR SPACE FLYING
VEHICLES
CUI Erjie?
China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing100074,China
Abstract A brief summary is given in this paper on the research status and new developments of near space ?ying vehicles.Some key technical problems in both low speed and high speed cases are discussed,followed by a brief description of future development trends.
Keywords near space,?ying vehicles,status and development,key technical problem ?E-mail:ejcui@https://www.doczj.com/doc/489771812.html,
图书馆空间设计研究 发表时间：2018-01-02T14:52:34.340Z 来源：《建筑知识》2017年24期作者：陈华新赵文华张梦雅秦佑红刘菲[导读] 本方案选择将对于木材质的理解与荷兰风格派的设计理念相结合，旨在创造出适合人的行为尺度的建筑。 （山东建筑大学山东济南 250101）【摘要】图书馆，顾名思义，是一个搜集、整理、收藏图书资料以供人阅览、参考的机构。本方案选择将对于木材质的理解与荷兰风格派的设计理念相结合，旨在创造出适合人的行为尺度的建筑。从建筑的形式、要素、实用性、功能性等各方面出发做了充分考量，以建造这样一个图书馆空间：一个一层平面的建筑，打破墙体，消除内外空间的隔阂，大量通透的玻璃将光线直接引入室内，形成一种积极的暗示（一种适宜人阅读的环境）。图书馆的各个功能空间被划分成矩形平面，且建筑不可刻意追求象征意义，不刻意追求视觉需要及建筑的高度，而是一种俯伏于地面上的建筑，建筑的本意便是让人容身，使人使用、居住的舒服。【关键词】木质；荷兰风格派；人的尺度；俯伏【中图分类号】TU-024 【文献标识码】A 【文章编号】1002-8544（2017）24-0009-02 1.课题研究背景及现状分析 社会历史是不断向前发展的，而知识的传承毫无疑问在人类的发展历程中占据了核心地位。大学生是社会发展的最重要的储备力量，如何促进大学生的知识储备、形成正确的人生观价值观则首当其冲。中国教育新闻网曾发布过一组调查新闻显示：大学生大部分时间花在了社交网络上，而日常阅读则是少之又少。图书馆以其悠久的历史不断传承、发展，其建筑形制也历经历史、战火灾难的洗礼几经沧桑延续至今。图书馆有不同的类型划分，我国则按照管理体制、馆藏文献范围、用户群、图书载体等的不同划分为不同的标准类型。通过现有的图书设计案例的分析发现中国高校图书馆目前主要存在着以下几个问题：（1）图书馆的建筑特点缺乏个性的表现，我国图书馆历史由来已久，但现代意义上的图书馆一词于19世纪末从日本传入我国。我国现代图书馆的发展起步也较晚，对图书馆的设计重视不足，通常只是满足了图书馆设计所必须的要求而对光线、空间、人的尺度感受往往忽视。 （2）图书馆的功能定位在一定程度上决定了读书群体的阅读方向性，高校中为了考试而读书的现象不容忽视。 （3）图书馆模块式建筑设计，导致了在荷载上取值、造价比较高，进深、室内空间比较大，容易显得单调和枯燥。由于采取全人工采光，所以导致通风照明等能源消耗过大，且建筑设计造型显得比较单调，缺乏个性化设计思路。 （4）缺乏人性化设计，大部分校图书馆信息落后跟不上社会发展脚步，馆藏图书陈旧，就直接导致了满足不了学生对读书的需求。 校图书馆蕴含了巨大的文化价值：平等性的文化诉求得到了充分的抒发，不论老师、学生、校内各种教职员工人人都有获得入馆学习交流的权利；引导学生在形成健全人格、人生观、价值观之外，缩小信息不均的差距，促进学生在高校生活中可进一步有机会发展自己的潜在能力；可作为高校的文化符号或文化形象而存在，所以我们不能将其忽视。 2.基地选址 图书馆的位置选址在山东建筑大学，在山东建筑大学东北门入口处路北，与火车餐厅相连，南面为教学楼，往西则是学生餐厅、学生宿舍，北面则是偌大的体育场。 （1）东西向的博学路是校内人流量最大的一条路之一，它将学生宿舍、餐厅、教学楼连接在一起，而将图书馆位置选址在此则充分考虑了宿舍-餐厅-图书馆三点一线，可避免学生行路的时间，提高学习生活的效率。 （2）建筑的南面为向阳部分，光照充足，适合人学习、阅读，这将对功能区域的划分起到决定性作用。对建筑的流线、光影、人口密度的考量对建筑基地的选址以及整体方案设计起着至关重要的作用。光与影是展示建筑空间、表现造型艺术、美化建筑环境的重要手段。通过研究光影与建筑造型的关系，巧妙的运用光影可以获得意境不凡的建筑艺术效果。勒?柯布西耶曾说建筑艺术的要素是：墙与空间，光与影。由此可见光影对于空间的重要性。 本方案从建筑的功能、体量、表皮、时间、空间、光、色彩、质感等方面都做了深入考量，并依据荷兰风格派蒙德里安的黄金分割原理对空间进行划分。建筑是作为环境的一部分而存在的，故将灰空间作为联系室内室外的一个过渡空间把室内室外有机联系在一起。在建筑体上或大或小的玻璃窗，这些玻璃窗保证了光线的引入，在形式上也连贯起来。 3.图书馆建筑空间分析 本方案设计灵感源于荷兰风格派，坚持正交体系在建筑中的运用。利用垂直和水平线等作为设计元素的表现手法，破除个体隔阂，使室内室外相互融合成为统一连续的整体。建筑要坚持功能合理重视与现有环境的关系，美感在于合情合理耐得住长久的体验，而非一时激动的反响，所以建筑要表现的适宜、优雅，不能过于突兀。 3.1 建筑材质分析 （1）在本次设计中大量运用了玻璃以及木材，因为图书馆是个阅读空间，对光线有着极高的要求，而大量运用人工照明的话成本会增加，故在建筑体上设置了大量玻璃门窗。玻璃门窗用于建筑的历史非常久远，甚至难以考据，而1951年的纽约利华大厦对于玻璃的运用，使得玻璃此后迅速成为高层建筑首选的墙体材料。玻璃作为建筑材料同时具备四大特点：透明、高强、轻质、耐久，而其他墙体材料则很少兼具这些特点。 （2）本次设计大量运用木质材料，很大程度上是由于木制的材料在使用时更能唤起人的亲切感，更能达到建筑设计的初衷——一个平易近人，平等性的呼吁。其次，图书馆空间会大量的运用书格，木制材料在兼备功能的同时达到了形式美感的要求。 建筑外观也直接运用了木格这一形式起到了装饰作用，并且室内室外达到高度的和谐和统一。虽然只是水平垂直的线条组成的建筑外观形式，但有序的、大量的重复排列形成了一种形式感、秩序感。建筑的平面轮廓或凸出或凹进打破了四方盒子的呆板形象，大门入口处的长长走廊以及次入口出的可作为展厅的灰空间都将室内室外有机联系起来，为学生阅读、交流提供了一个绝佳的阳光饱满的静谧空间。 建筑占地面积为1200㎡左右，室内高度为8m，除了必要的学习区、展厅、阶梯教室、咖啡区、服务总台、卫生间，其二层是一条长长的2m宽的过道，可俯瞰整个建筑空间的内部（主要起游览、参观作用）。室内十字形的交通路线，合理准确的将各个空间有机联系在一起，建筑的功能性发挥到最大化。
区域空间结构演进理论研究综述 赵国锋1，段禄峰2 （1.西京学院西安 710123；2.西安邮电学院产业经济研究所西安710061） 摘要:“空间”是人类进行社会经济活动的场所，是任何公共生活形式和权利动作的载体。 经济发展推动区域空间结构的演进与成长。通过对区域空间演进理论的梳理，了解区域空间结构演变的规律、机制与手段，进而采取切实有效的措施，促进人口、资源与环境的可持续 发展。 关键词：区域；空间；理论 中图分类号：文献标识码：A 文章编号： The Review to Evolution Theory of regional Space Structure ZHao Guofeng1, DUAN Lufeng2 （1. XiJing University, Xi’an, 710123 China; 2. Institution of Industrial Economics, Xi’an Institute of Post and Telecommunications, Xi’an, 710061 China) Abstract: Space is the place for social and economic activities, and also the carrier for any form of public life and right movement. Basing on the theory of regional space evolution, we can understand the rule, mechanism and method of regional space structure. The evolution and growth of regional space structure is promoted by economy development. We can promote the sustainable development of population, resource, environment by some effective measures. Key words: region; space; theory 收稿日期：2011-5-21 基金项目：陕西省教育厅项目（11JK0053） 作者简介：赵国锋（1975—〕，男，陕西宝鸡人，西京学院思想政治教育部讲师，硕士，研究方向：城市与区域经济管理，科学技术与经济。
《现代飞机装配技术》知识点总结 南京航空航天大学 第一章 1、飞行器数字化和传统制造的最大区别特点 (1改模拟量传递为数字量传递。 (2把串行工作模式变为并行工作模式。 带来的必然结果是缩短产品研制周期,提高产品质量,降低研制成本。 2、 MBD 的定义,其数据集应包括的内容,采用的技术意义。 MBD 技术定义 :用集成的三维实体模型来完整表达产品定义信息,详细规定了三维实体模型中产品定义、公差标注准则和工艺信息的表达方法。 数据集包括的内容 :相关设计数据、实体模型、零件坐标系统、三维标注尺寸、公差和注释工程注释、材料要求、其它定义数据及要求。 技术意义:1. 改双数据源定义为单源定义,定义数据统一 2. 提高了工程质量 3. 减少了零件设计准备时间 4.电子化的存储和传递 , 协调性好 5.减少成本 6.易于向下兼容 (派生出平面信息 3、国外飞机数字化技术发展的三个主要历程: 部件数字样机阶段 1986—— 1992 全机数字样机阶段 1990—— 1995 数字化生产方式阶段 1996—— 2003 4、飞机结构的特点
零件多、尺寸大、刚度小、外形复杂、结构复杂、精度要求高、其装配具有与一般机械产品不同的技术和特点。 5、什么是飞机装配,发展历程? 根据尺寸协调原则, 将飞机零件或组件按照设计和技术要求进行组合、连接形成更高一级的装配件或整机的过程。 自动化装配 6、飞机数字化制造的三个主要内容 CAD 、 CAM 、 CAPP 第二章 1、产品数字建模的发展过程中提出的产品信息模型有哪三种概念? 面向几何的产品信息模型 (geometry- oriented product model 面向特征的产品信息模型 (feature- oriented product model 集成产品信息模型 IPIM(integrated product information model 2、物料清单(BOM 的定义,企业三种主要的 BOM 表, EBOM 、 PBOM 、MBOM BOM 定义 :又称为产品结构表或产品结构树;在 ERP 系统中,物料一词有着广泛的含义,它是所有与生产有关的物料的统称。 EBOM 设计确定零部件的关系 PBOM 工艺工艺规划、加工归属计划分工表 MBOM 制造主要按照装配顺序流程来确定
2017年无人机发展现状及发展前景分析 研究报告
小型无人机行业最近可谓热潮涌动，极飞、亿航等多家无人机初创企业在还未有成熟产品的情况下就获得了数千万美元的融资。无人机这一小众行业之所以能够进入大众视野，还是得益于大疆创新的出现。在国内电子企业普遍还处在代工与组装的劳动力密集模式中时，大疆创新已经悄然成为全球小型无人机市场的绝对龙头，2014年营收近30亿元，市场份额近70%。大疆的引领与示范作用不可谓不强，国内迅速兴起了一股无人机创业与投资的热潮。 套用大疆创新创始人汪滔的话：“人类对于飞行的梦想与生俱来。”小型无人机的真正发展时间不超过10年，从有成熟产品到现在不过4年，而1年以前相关产品还相当粗糙、没有完整的安全保护和数据记录设备。无人机的发展速度大大超出人们的预期，越来越多之前不曾设想过的领域已经开始出现无人机的应用。我们看好这一快速成长行业未来的发展，同时也将持续关注这一领域中相关的投资机会。
小型无人机发展现状分析 民用小型无人机迎来爆发期：市场规模快速成长，国外巨头纷纷布局 所谓无人机，即不载人的飞行器。按照技术来划分，无人飞行器可分为无人固定翼、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人飞艇、无人伞翼机、扑翼式微型无人机等六大类，而前三类应用最为广泛，其中无人多旋翼飞行器又由于其结构简单、价格相对低廉的特点，应用场景迅速拓展、发展前景最受关注。 多旋翼小型无人机经历了一段漫长的发展历史。 多旋翼无人飞行器尽管机械结构简单、成本相对较低，但飞行时不太稳定、很难控制，容易因侧翻而坠机，所以需要自动控制器和导
航系统来控制飞行姿态。但过去由于导航系统体积庞大、重达数十斤，难以应用在小型飞行器上，所以很长一段时间内，多旋翼无人机都没有取得大的发展。直到20世纪90年代以后，得益于MEMS技术的发展，重量仅为几克的导航系统才被研制出来。配合逐步成熟的控制算法，多旋翼无人机的研究和使用成为热点。 2006年至2015年，国内外的民用小型无人机公司如雨后春笋般出现。2015年，法国的Parrot公司发布了世界上第一款真正受到大众关注的四旋翼无人机AR.Drone，它不仅控制简单、可实现悬停，还可以通过WiFi将所搭载相机拍摄到的图像传送到手机上。 AR.Drone轻便灵活、操作便捷，最终大获成功。在AR.Drone的引领下，全球范围内掀起了一股将多旋翼商业化的热潮，多旋翼飞行器进入快速发展期。目前，中国的DJI（大疆创新）、美国的3DRobotics、法国的Parrot成为这一市场的龙头企业。
1、研究意义： 随着我国国民经济和城市化建设的飞速发展,大型商业综合体在当今商业创新模式的潮流和城市空间有机化、复合化的趋势下应运而生，数量日益增多，体量越来越大。这类公众聚集场所一般具有功能繁多、空间种类丰富、人流量大、火荷载大等特点,一旦发生火灾,容易导致重、特大人员伤亡和直接经济损失。近年来大型商业建筑火灾造成的人员伤亡事件屡有发生。国外的发展经验表明,当一个国家的人均GDP达到1000-3000美元时,社会将会处于一个灾难事故多发阶段,这表明我国当前及今后较长的一个时期,火灾安全形势依然十分严峻。 飞速发展的大型商业建筑，使用功能日趋复杂、集约，这给大型商业综合体的安全疏散设计带来了十分严峻的挑战。安全疏散，就是在发生火灾时，在允许的疏散时间范围中，使遭受火灾危害的人或贵重物资在楼内火灾未危及其安全之前，借助于各种疏散设施，有组织、安全、准确、迅速地撤离到安全区域。 大型综合性商业建筑的使用功能高度集中，现行规范都无法对其建筑形态和业态分布做出明确的规定,基于以往经验及科研成果制订出来的建筑防火设计规范难以适应新的需要，实践中经常遇到大量现行规范适应范围无法涵盖或规范条文无法适应建筑物设计形式的尴尬局面。现代大型商业综合体建筑的设计往往突破了现行规范,因此在一些经济发达的地区,也将性能化的防火设计理念引入到了设计之中,它已成为未来防火设计发展的趋势。 商业街建筑由于其独特性,有关消防设计也有别于一般的商业建筑。比如,商业街是否作为一个整体建筑考虑其消安全疏散设计,是否应限制商业街建筑的层数,长度和宽度,步行街是否考虑作为人员疏散安全区域及其条件等等这些问题都有待于进一步的调研及深入分析。 同时，由于这类建筑火灾危险性特别大，人员密度大，疏散困难等原因，研究大型商业建筑火灾下人员疏散的安全性，以最大限度的防止火灾发生和减少火灾造成的损失，就具有十分重要的意义。由于我国火灾基础研究的滞后在制定国家消防技术规范时存在一些弊端和不合理之处。这些弊端给复杂的商业建筑空间设计带来很多的局限性，因此要使大型商业建筑有效的快速发展这就需要我们找到新的途径和新的思路来保障建筑的安全疏散。 大型商业综合体的人员安全疏散设计应该综合相关多方因素全面考虑。处方式建筑防火安全疏散设计理念适应不了现代建筑的发展趋势，我们需要借鉴心理学等理论，研究发生火灾后，大型商场内人员在这样的环境中的空间认知能力和行为模式；从空间组织设计的角度出发，结合建筑性能化防火设计的理论全面的进行防火安全疏散设计的研究。这有助于科学合理的进行大型商场的建筑防火设计，当灾害来临时为人们提供一个可靠的安全疏散系统，同时又利于人们充分的使用空间的目标；同时，该课题的研究为促进大型商场发展作出努力，使得大型建筑在城市发展的新形式下可持续的发展。 大型商业综合体中防火分区面积往往超出了规范中对防火分区面积的限制,疏散出口的数量以及布置方式等问题随之产生，这些问题都有待进一步深入研究。本文从大型商业综合体的自身特性入手，运用建筑学、消防安全学和行为心理学等领域的相关知识，对火灾下大型商业综合体内人员疏散的安全性能进行了研究和分析，总结出大型商业综合体人员安全疏散的难点和重点问题，最后针对这些问题提出了一些优化策略和方法，并分析了应用部分方法的实际工程案例。为大型商业综合体的人员安全疏散设计提供参考。 2、国内外研究现状： （1）国外研究现状 国外发达国家对于大型商业综合体的设计，除了能依据本国的规范进行设计的之外,超出规范规定内容的往往利用了性能化的防火设计。欧美发达国家在这项研究中处于领先的地位,已开发出了很多计算及模拟软件。如FDS、SIMULEX和STEPS等等。 上世纪八十年代,己有一些国家颁布了专门的性能化防火设计规范。所以发展至今,已形成了相对完善的体系。国外的设计者在做一些大型的商业建筑时,都会采用性能化的防火设计。1971年,美国的通用事务管理局形成了《建筑火灾安全判据》。20世纪80年代,在美国实施了一个国家级的火灾风险评估项目,其结果形成了FRAMWORKS模型。1988年美国防火
飞机数字化装配技术发展现状 摘要：通过对国内外飞机数字化装配技术发展的现状和发展的趋势进行分析与 总结，对比了国内外飞机数字化装配技术发展的差距，介绍了飞机数字化装配技 术发展的关键技术，提出了国内航空制造企业掌握和突破飞机数字化装配关键技 术的思路。 关键词：飞机；数字化；装配技术；发展与应用 一、飞机数字化装配主要应用技术 1.1多系统集成控制技术 当前在操作飞机数字化装配的过程中通过控制系统能够发挥出其最大的作用，但是在实际的操作和应用中，有很多环节和关键点并没有实现联合作用，例如在 飞机中所采用的工艺数据、计划数据和测量、地理数据等都没有综合应用，导致 相互之间的关系彼此独立，这对于全面分析和改进数字化技术不利，因此在对装 配过程进行控制和管理中，要通过有效的集成化技术和综合技术实现对各项数据 的整合和分析，保证飞机数字化装配技术能够拥有独特的特点，根据飞机各接口 标准，保证设备的误差得到进一步控制。 1.2自动化精确制孔技术 在飞机装配过程中，对机械设备要通过衔接连接应用，对其整体设备实现加 固的目标，也就是说通过制孔的方式实现机械连接。从当前我国的飞机装配过程 研究来看，大多采用手工制孔的方式，这种方式相对比较传统，很难获得更高的 精确程度，在孔位以及孔径的确定中存在一定的误差问题，这导致制造中各项工 作质量得不到提升，更是对飞机设备的准确程度形成一定影响，另外装配时间相 对比较长，造成产品稳定性降低，对飞机装配质量造成了很大影响，因此对此技 术进行精确化发展至关重要。 1.3高效长寿命连接技术 飞机结构发展和建设中通过长寿命的连接技术对飞机是否能够提升自身的抗 疲劳能力有很大关联，对于增加使用时长有非常明显的作用，飞机的耐久性和可 靠性应用也得到明显提升。高校长寿命的连接技术主要从密封连接以及对于钛合 金材料的方向上进行综合考虑，我国传统的连接方式主要是采用铆接以及液压的 方式，但这种方式容易对装配设备造成损失，因此需要从铆接联合螺接的方式来 进行，另外通过连接中采用铆钉、高锁螺栓的材料，根据飞机结构的装配特点进 行针对性的开发长寿命连接单元。 1.4大尺寸精密测量技术 在装配工作中通过精密准确的测量工作能够实现对其工作的保障作用，也是 在数字化装配过程中一项重要的工作条件和基础。飞机装配中无论是从技术的采 用还是测量工作的应用上都有非常严格的要求，而在飞机产品装配过程中，需要 采用精密测量技术实现对产品的装配，其中GPS以及激光跟踪测量方法能够实现 更加准确的测量，因此需要根据飞机产品特点进行大尺度精密测量单元的开发。 二、国内外飞机装配技术现状 2.1由于我国对飞机装配技术的研究时间不长，一些应用还不够成熟。而且 我国对飞机装配技术的资金投入也不到位，导致飞机装配技术的配套不够完善， 在某些方面缺乏技术支持。一些飞机的装配制造甚至还是手工作业，严重影响了
大跨空间结构的发展——回顾与展望 来源：中国论文下载中心[ 06-03-20 08:42:00 ] 作者：沈世钊编辑：studa9ngns 摘要：大跨空间结构是目前发展最快的结构类型。大跨度建筑及作为其核心的空间结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一。本文就空间网格结构和张力结构两大类介绍了国内外（但主要是国外）空间结构的发展现状和前景。对这一领域几个重要理论问题，包括空间结构的形态分析理论、大跨柔性属盖的动力风效应、网壳结构的稳定性和抗震性能等问题的研究提出了看法。 关键词：空间结构回顾展望 一、概述 在这实际的三维世界里，任何结构物本质上都是空间性质的，只不过出于简化设计和建造的目的，人们在许多场合把它们分解成一片片平面结构来进行构造和计算。与此同时，无法进行简单分解的真正意义上的空间体系也始终没有停止其自身的发展，而且日益显示出一般平面结构无法比拟的丰富多彩和创造潜力，体现出大自然的美丽和神奇。空间结构的卓越工作性能不仅仅表现在三维受力，而且还由于它们通过合理的曲面形体来有效抵抗外荷载的作用。当跨度增大时，空间结构就愈能显示出它们优异的技术经济性能。事实上，当跨度达到一定程度后，一般平面结构往往已难于成为合理的选择。从国内外工程实践来看，大跨度建筑多数采用各种形式的空间结构体系。 近二十余年来，各种类型的大跨空间结构在美、日、欧等发达国家发展很快。建筑物的跨度和规模越来越大，目前，尺度达150m以上的超大规模建筑已非个别；结构形式丰富多彩，采用了许多新材料和新技术，发展了许多新的空间结构形式。例如1975年建成的美国新奥尔良“超级穹顶”（Superdome），直径207m，长期被认为是世界上最大的球面网壳；现在这一地位已被1993年建成夏径为222m的日本福冈体育馆所取代，但后者更著名的特点是它的可开合性：它的球形屋盖由三块可旋转的扇形网壳组成，扇形沿圆周导轨移动，体育馆即可呈全封闭、开启1／3或开启2／3等不同状态。1983年建成的加拿大卡尔加里体育馆采用双曲抛物面索网屋盖，其圆形平面直径135m，它是为1988年冬季奥运会修建的，外形极为美观，迄今仍是世界上最大的索网结构。70年代以来，由于结构使用织物材料的改进，膜结构或索-膜结构（用索加强的膜结构）获得了发展，美国建造了许多规模很大的气承式索-膜结构；1988年东京建成的“后乐园”棒球馆，也采用这种结构技术尤为先进， （Geogia 其近似圆形平面的直径为204m；美国亚特兰大为1996年奥运会修建的“佐治亚穹顶”Dome，1992年建成）采用新颖的整体张拉式索一膜结构，其准椭圆形平面的轮廓尺寸达192mX241m。许多宏伟而富有特色的大跨度建筑已成为当地的象征性标志和著名的人文景观。 由于经济和文化发展的需要，人们还在不断追求覆盖更大的空间，例如有人设想将整个街区、整个广场、甚至整个山谷覆盖起来形成一个可人工控制气候的人聚环境或休闲环境；为了发掘和保护古代陵墓和重要古迹，也有人设想采用超大跨度结构物将其覆盖起来形成封闭的环境。目前某些发达国家正在进行尺度为300m以上的超大跨度空间结构的设计方案探讨。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/489771812.html, 飞机数字化装配技术发展与应用 作者：赵鹏 来源：《科学与信息化》2017年第33期 摘要数字化技术的应用是飞机研制发展史上的一次重大飞跃。数字化装配技术由数字化装配工艺技术、柔性工装技术、激光检测与补偿技术、数字化钻铆技术、数字化数据管理以及集成技术等组成，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术。本文就飞机数字化装配技术发展与应用进行了讨论。 关键词飞机；数字化装配技术；发展；应用 1 数字化装配 数字化装配是现代航空制造企业装配技术的发展方向。从20世纪90年代开始，国外的波音、空客等先进航空制造企业陆续开发和应用了三维虚拟制造软件，多以飞机装配典型结构为应用对象，建立飞机装配的数字化设计制造模式和数字化协调技术体系，利用网络技术及数字化技术，建立工艺设计流程，实现3D装配工艺设计及验证、仿真，实现车间、工厂布局数字化及仿真，实现现场工人操作的可视化等[1]。 2 飞机数字化装配技术国内发展现状 国内的飞机装配，虽然在局部上也采用了较为先进的技术，如采用catia技术进行了包括建立型架标准件库和优化型架及参数设计，对工装、工具和产品的装配过程进行了三维仿真等，开始采用激光测量+数控驱动的定位方式，部分机型还采用了自动钻铆技术等，但总体上与发达国家相比还存在较大差距，具体表现在：①飞机设计制造仍主要采用串行模式，工装、工艺设计与产品设计脱节，制造模式未真正实现到并行模式的转换，导致飞机装配协调困难、返工率高；②尚未实现人机交互的装配仿真以及装配路径的优化；③仍然采用以专用工装为主的刚性定位装配方式，导致飞机制造成本居高不下；④数字化装配应用规模有限，尚未实现一个完整型号真正意义上的全面数字化[2]。 3 飞机数字化装配技术应用 3.1 数字化定位技术 以数字化为基础的定位技术包括数字测量定位技术、特征定位技术、柔性定位技术等。数字测量定位技术是指针对飞机产品的结构特点、定位要求，借助数字化测量设备或系统进行飞机零部件的定位；特征定位技术利用数字化定义、数控加工的具有配合关系的配合面、装配孔或工艺凸台、工艺孔等设计或工艺特征，实现零件之间的相互定位，保证装配的一致性和高装配质量；柔性定位技术是指通过采用柔性工装满足不同产品的定位需要。随着飞机装配质量越来越高的要求，数字化定位技术已经成为飞机零部件高效、高精度定位的重要保障。
扑翼式飞行器的发展与展望 从古至今，人们从没有放弃过对翱翔梦的追求。不仅在许多的古书名著中都有长着翅膀的角色形象，人们也一直在用实际行动尝试着各种飞行的可能。昆虫和鸟类的超强飞行能力逐渐引起了人们的关注，早在中国的汉代时期、欧洲的中世纪就有人模拟鸟类进行飞行活动的记载。随着科技的快速发展，以及飞行器在军事上和民用上的广泛应用前景，扑翼式飞行器已经成为当今的研究热点。 1扑翼式飞行器的发展史 1.1 扑翼式飞行器的早期发展 历史上记载了许多人们对飞行的各种尝试方法，《墨子?鲁问》中记载，鲁班制造的木鸟可以飞行三天；古代中国甚至有人将大鸟的羽毛贴在身上试图飞起来，但最终都失败了。人们逐渐认识到想要飞行必须加上合适的机械装置。 15世纪70年代，著名发明家莱昂纳多?达芬奇设计出一种由飞行员自己提供动力的飞行器，并称之为“扑翼飞机”。“扑翼飞机”模仿鸟儿、蝙蝠和恐龙时代的翼龙，具有多个翅膀。达芬奇认为扑翼机具备推力和提升力。之后人们仿照它进行了很多尝试，有的可以上下蹦跳几下，有的摔成碎片，结果都失败了。 1874年，法国生物学家马雷用连续拍摄的方式初步掌握了鸟类复杂的飞行扑翼动作，以当时的技术水平，这种高难度的动作是无法实现的，与此同时热气球的出现，就使早起人们对制造飞行器尝试告一段落，研究开始转向了其他领域。 1.2扑翼式飞行器国内外的研究现状 随着仿生技术、空气动力学和微加工技术的日益发展，加之军事和民用的广泛应用前景，扑翼式飞行器再次成为了国内外科学领域研究的热点。1997年，DAPRA投入3500万美元，开始了为期四年的MAV的研究计划。加州理工学院、多伦多大学、佐治亚技术研究所、佛罗里达大学、Vanderbilt大学等单位研制了不同结构的扑翼MAV，翼展一般在15cm左右，多采用电池提供能源，飞行时间约在几分钟到十几分钟。加州大学伯克利分校研制的“机器苍蝇”扑翼MAV 总重约为43mg，直径为5mm～10mm，采用太阳能电池和压电驱动。 西北工业大学研制的扑翼MAV采用聚合物锂电池和微型电机驱动，可实现扑翼15Hz～20Hz左右的频率上下拍动，翼展超过15cm。 2扑翼式飞行器的优势及可行性 按照飞行原理的不同划分，MAV可分为固定翼、旋翼和扑翼三种。同其他形式的微型飞行器相比，扑翼式飞行器可以通过自身机翼扇动产生的上下大气压差来飞行。它具有尺寸小、噪音弱、灵活性强、隐蔽性好的特点。 通过分析昆虫各个部分的结构，选用合理的驱动装置，并由电池或其他化学物质提供能源，仿照昆虫结构，同时辅以MEMS设备和装配技术，便可以加工制造出扑翼式微型飞行器。 3关键技术 3.1 空气动力学问题 微型飞行器不同于普通飞机，它的雷诺数大约在104左右，空气的粘性阻力相对比较大，并且扑翼式飞行器是以模仿鸟和昆虫类扑翅运动为基础，但是昆虫和鸟类的翅膀是平面薄体结构，而非机翼的流线型。我们应充分研究这种非传统
1.1航天工程系统组成:发射场、运载器、航天器系统、地面应用系统、运载与航天器测控网 1.2航天器设计:解决每一个环节的具体设计，关键内容：航天任务分析与轨道设计、航天器构形设计、服务与支持分系统的具体设计 1.3航天器系统设计的层次关系及各组成部分作用: 有效载荷分系统：航天器上直接完成特定任务的仪器、设备和核心部分； 航天器结构平台：整个航天器的结构体 服务和支持系统：有效载荷正常工作的必要条件。 ①结构分系统：提供其他系统的安装空间；满足各设备安装方位，精度要求；确保设备安全；满足刚度，强度，热防护要求，确保完整性；提供其他特定功能 ②电源分系统：向航天器各系统供电 ③测控与通信系统：对航天器进行跟踪，测轨，定位，遥控，通信； ④热控系统：对内外能量管理和控制，实现航天器上废热朝外部空间的排散，满足在飞行各阶段，星船各阶段、仪器设备、舱内壁及结构所要求的温度条件； ⑤姿态与轨道控制系统： 姿态控制：姿态稳定，姿态机动； 轨道控制：用于保持或改变航天器的运行轨道，包括轨道确定（导航）和轨道控制（制导）两方面，使航天器遵循正确的航线飞行⑥推进系统：向地球静轨道转移时的近地点与远地点点火；低轨道转移时，低轨到高轨的提升与离轨再入控制； 星际航行向第二宇宙速度的加速过程；在轨运行 ⑦数据管理系统：将航天器遥控管理等综合在微机系统中 ⑧环境控制与生命保障：维持密闭舱内大气环境，保证航天员生命安全； 1.4航天器设计的特点 (1) 运载器有效载荷引发的设计特点：慎用质量和追求轻质量的特点追求小尺寸和巧安排的设计特点； (2) 适应外层空间环境引发的设计特点：创造必要的、可模拟真实环境进行航天器部件、设备、分系统和整体航天器检测、试验和验收的条件，使模拟真实环境的检测、试验和验收成为可能； (3) 特殊的一次使用性引发的设计特点：不存在维修、替换或补给，系统可靠性要求很高； (4) 单件生产引发的设计特点：每颗卫星都具有其特殊性
未来住宅公共空间设计趋势及对策研究 发表时间：2019-05-08T09:58:46.520Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年1期作者：罗丹芝曾海玲 [导读] 当前，我国住宅市场面临着众多的矛盾，如房价走高与住宅利用率较低的矛盾，资源环境制约与居住便利性要求提高的矛盾，为了解决这些矛盾，就需要对未来住宅公共空间设计的趋势进行研究。本文先围绕未来住宅公共空间设计趋势进行简要的分析，并对其应对策略进行探讨。 罗丹芝曾海玲 筑博设计股份有限公司佛山分公司广东佛山 528253 摘要：当前，我国住宅市场面临着众多的矛盾，如房价走高与住宅利用率较低的矛盾，资源环境制约与居住便利性要求提高的矛盾，为了解决这些矛盾，就需要对未来住宅公共空间设计的趋势进行研究。本文先围绕未来住宅公共空间设计趋势进行简要的分析，并对其应对策略进行探讨。 关键词：住宅设计；公共空间；设计趋势；应对对策 前言 在1978年，中国理论界提出了住房商品化，然后再到1981年，广州以及深圳试点商品房开发，历经几十年的发展，我国人民的住房需求有了较大的改善。与此同时，也产生了许多新的问题，如房价持续走高与住宅利用率降低的矛盾，人口聚集与住宅稀缺程度提高的矛盾。基于此，围绕未来住宅公共空间设计趋势以及对策进行研究具有重要的意义。 1、住宅市场现状分析 在对住宅空间设计趋势进行研究之前，我们需要对我国目前的住宅市场所存在的矛盾进行深入的剖析： （1）在我国住宅市场中，存在着人口持续聚集和资源稀缺程度提高的趋势。在我国一些大城市中，拥有更多的教育、医疗等方面的资源，而且拥有更多的就业机会，所以每年都可以吸引许多的就业人员。另外，土地资源变得越来越稀缺了，许多大城市的土地已经演变为寸土寸金的局面，国家政府部门出台了相应的土地供给政策，这导致土地之上的房屋供给增长难以跟上市场发展的需求，两者之间存在着较深的矛盾【1】。 （2）现如今，各城市的房价逐渐攀升，而住宅利用率却非常的低，这两者之间的矛盾也愈演愈烈。当前，随着房价的持续上涨，人们的购房压力逐渐加大，而且对于许多的消费者而言，购房仅仅是为了拥有一个住所，有很多人没有用到厨房，甚至没有用到客厅。但是，在购房之时，这些功能区域基本上是一体的。 （3）当前，在我国住宅市场中，存在着情感交流需要与公共空间稀缺的矛盾。随着人民生活水平的提升，人们的温饱问题得到了解决，这使得他们对自己的精神需求有了更高的要求。大家渴望与邻居之间进行交往，渴望得到朋友。然而，在商品住房的设计中，很好考虑公共空间，除了过道、电梯等区域，邻里之间的公共交流空间非常少。 在这些矛盾的聚集下，住宅市场会发生许多的变化，如公共空间由以往的可有可无变成人人都需要的必需品。单一住宅的平均面积会有所下降，而资源的利用率就会得到提升，并且住宅的功能区会发生变化，变得越来越细。因此，在未来的发展中，住宅公共空间必然会逐渐的扩大，这必将成为一种趋势【2】。 2、住宅公共空间的设计趋势分析 在住宅公共空间的设计过程中，需要对目标家庭细分进行考虑，并对其住宅市场的特殊性进行考虑。由于住宅具有天然的私密性，比办公商用等要求更高，所以对细分市场的选择尤为重要。在未来住宅的设计规划中，公共空间的扩大化趋势也会从某些细分市场领域开始启动。住宅的需求与许多方面有关，例如与家庭的结构密切相关。现如今，中国家庭结构呈现出以下几大特点：（1）规模小型化、（2）类型多元化、（3）结构核心化。因此，在住宅公共空间设计过程中，需要对家庭的结构进行深入的研究。一人户、二人户的家庭比例持续提高，与此同时，一对夫妻的核心家庭比例逐渐提升。另外，“空巢家庭”、“单亲家庭”等类型也有了较大的提升，“四二一”式家庭结构也非常的常见。在住宅公共空间的设计上，应当对住宅整体的家庭定位进行考虑，因为家庭的结构如果不同，那么他们的住宅需求也会有所差异。 其次，对于不同的家庭结构类型，在住宅设计中，可以设置多样化的户型以供购房者选择。例如，如果是一对夫妻的核心家庭，而夫妻两人具有职业，那么他们对厨房、客厅以及餐厅的需求会显著降低，并且还有较大的可能接受公共食堂的这种形式。在对目标销售人群进行定位时，如果是目标对象是一个以年轻白领夫妻家庭为主，那么就住宅设计中可以减少厨房、客厅等公共空间面积。与此同时，可以设置商务会谈空间，或者是设置休闲娱乐空间。如果目标销售人群是“四二一”式家庭，那么他们就迫切需要一个更大的公共聚集空间，所以在设计过程中，可以采取星型分布的方式，在三个住户的中间构建一个公共客厅。这样一来，不仅能够满足每户家庭的私密性，而且也能够增加双方交流互动的空间【3】。 3、公共空间扩大趋势下的配套政策建议 住宅公共空间的扩大化虽然可以解决住宅市场中的一些矛盾，但是也会产生许多的新问题。如，公共空间的管理维护问题，公共空间的产权及交易问题等，都会阻碍公共空间设计的效果。而要解决这些问题，就需要有配套政策的支持。 首先，可以先从某些领域着手，推动公共空间扩大的尝试。如，针对城市廉租房的建设，可以对资源的集约化进行考虑，对公共空间的设计予以更多的考虑。在满足住户需求的背景下，尽可能的降低建设成本。此外，也可以鼓励开发一些针对特定目标人群的项目。例如，鼓励养老机构或者其他机构在老年人公寓的建设上进行研究，使住宅公共空间的设计能够满足老年人群体的特点以及需求。又比如，可以鼓励开发青年公寓，在私密空间的设计中，以卧室和卫浴为主，然后再配上不同功能定位的公共空间，如健身房或者会客室等等。通过对试点进行有针对性的探索，逐渐积累住宅开发以及设计的经验，为后期的规划设计打下坚实的基础。 其次，国家需要发挥自己的职能，在立法层面上着手，对住宅公共空间的建设以及产权等问题进行明确。由于住宅公共空间具有公共性的特点，如果管理不到位，或者职责不明确，那么就会产生管理缺失的问题，会成为无人负责的三不管地带。另外，在管理到位的情况
我国村落空间结构研究的内容、发展历程及其评述 左臣1,王军2岳邦瑞2 1.西安建筑科技大学艺术学院陕西西安710055 2.西安建筑科技大学建筑学院陕西西安710055 摘要：论文首先界定村落空间结构的概念，即在以农业生产为主导地域范围内的居民定居点，因其自然环境、人文社会、经济产业诸类要素间的稳定状态而在空间层面表现出的形态和组成关系。继而梳理村落空间结构相关研究内容，分三大类：现状研究、演化研究、优化重组研究。认为村落空间结构研究与社会发展关系密切，未来对于村落空间结构优化重组研究将成为重点与难点。最终提出3点村落空间结构研究展望：1、积极关注村落空间结构演化与优化重组类研究；2、将村落看作为复杂巨系统，引入系统论观点分析村落空间结构各要素间相互关系；3、加强村落空间结构定量化研究和实证研究。 关键词：村落；乡村聚落；空间结构；文献综述 中图分类号：TU972+.2文献标识码：A文章编号： 1、村落空间结构的概念、内涵界定 1.1村落空间结构概念 村落空间结构在建筑学科和地理学科中通常指村落空间的物质形态、组成关系。1994年范少言发表《乡村聚落空间结构的演变机制》论文，文中对村落和村落空间结构做了定义，认为村落空间结构指农业地域中居民点的组织构成和变化移动的特点，以及村庄分布、农业土地利用和网络组织构成的空间形态及其构成要素间的数量关系。2009年罗雅丽发表《村镇空间结构理论研究综述》论文，将村镇空间结构定义为村镇地域范围内各空间经济单元间具有相对稳定而又包含变化的空间分布和等级规模关系。 村落空间结构具有广泛内涵与外延概念。狭义概念：村落内部空间结构包括村落形态和构成要素的相互作用，村落空间结构按组织规则将村落形态和各子系统连接，整合为村落复合系统。广义村落空间结构：除村落内部空间结构外，还包括村落体系间空间结构和村落社会、产业空间结构等内涵。 本文认为村落空间结构指：以农业生产为主导地域范围的定居点，因自然环境、人文社
INDUSTRY SURVEY 54 航空制造技术·2011 年第 19 期 飞机自动化装配技术及设备应用调查报告 飞机自动化装配技术是现代军民用飞机保证结构长寿命、提高装配质量和效率、实现快速批量生产、满足尽早向用户交付飞机产品需求的关键飞机制造技术，也是先进飞机装配技术的发展趋势。飞机结构装配过程复杂，今后需要开展面向飞机装配的设计技术研究，在设计对接形式时要充分考虑自动对接装配的要求，特别是测量点的布置；其次是要实现大部件自动对接系统的装备化、标准化、模块化和系列化设计，以便推广应用。 本调查以“飞机自动化装配技术及设备应用”为主题，主要调查对象涉及飞机自动化装配设备厂商、航空企业用户和科研机构。其中，飞机自动化装配设备厂商包括德国宝捷自动化有限公司、意大利柯马公司、捷姆科、KUKA、海克斯康、AIT、德国施耐德公司等；航空企业用户包括成都飞机工业（集团）有限责任公司、西安飞机国际航空制造股份有限公司、沈阳飞机工业（集团）有限公司、昌河飞机工业（集团）有限责任公司等；科研机构包括北京航空制造工程研究所、北京航空航天大学、南京航空航天大学等。 本刊记者 良 辰 调查对象本次调查以飞机自动化装配设备厂商、航空企业用户和科研机构为主要对象，分析了飞机自动化装配技术及设备应用的现状与发展趋势。调查对象的分布如图1所示。飞机装配的特点飞机装配是根据尺寸协调原则，将飞机零件或组件按照设计要求进行组合、连接形成更高一级的装配件或整机的过程。在飞机制造尤其是大飞机的制造过程中，飞机的部件尺寸大、零件数目多、精度要求高、协调 过程多、工作量大，这就对其装配提出了很大的挑战。飞机装配按规模可分为组件装配、部件装配和总装。其中，大部件装配（部装）阶段的主要工作是机身 段装配、机翼装配和尾翼装配。机身 段装配主要是机身壁板或蒙皮与桁条的定位和连接、壁板与框的连接、桁以及机身上半部分与下半部分的对接、机身与地板的定位和连接。机翼装配主要包括机翼大梁的装配、机翼壁板与桁条的装配、肋与大梁的装 配、壁板与骨架的定位和连接。尾翼装配则与机翼装配类似。部装使用的主要工艺装备有自动钻铆机、自动钻孔设备、测量设备、自动托架、柔性工装等，部件装配的自动制孔可以大大提高产品质量和效率，减轻劳动强度。机体对接（总装）阶段主要工作有机身段的对接、机翼与机身的对接、水平和垂直尾翼与机身的对接、起落架的安装、发动机的安装等。总装使用的主要工艺装备有柔性定位器、激光跟踪仪（或IGPS）、自动钻孔 Survey Report of Aircraft Automatic Assembly Technology and Equipment Application
现代飞行器可靠性分析研究现状 摘要文章介绍了飞行器可靠性研究过程中应该注意的问题，说明了数据的采集与处理过程，并阐述了稳定性方案等内容。模拟机的可靠性需要保证数据可靠，对工作环境和运行状态均有要求。 关键词飞行器；可靠性；稳定性；维修方案 飞行器的可靠性越来越受到技术人员的关注。传统修护过程主要是定期进行模拟机的安全检查，发现问题后进行补修，可能造成装备在多次重复的装拆过程中自身发生破损。对模拟机的安全评价和运行可靠性评价是重要的过程[1]，提高维修方案的时效性，不断对比模拟机运行的状况与实际的维护成本需要进行科学的可靠性分析方法，而不能进行简单的维护修复。这样使得模拟机的破坏率增加，影响了正常工作。文章介绍了飞行器可靠性研究时需要注意的基本问题，然后针对数据的采集和处理进行说明，最后阐述了可靠性设计方案。 1 飞行器可靠性研究应注意的问题 飞行器的可靠性是指在模拟机在产品规定的时间里，可以完成特定的功能，并保证功能完整性的能力。可靠性设计的基本内容包括工作环境和条件、规定时间、指定的功能等。环境条件是指模拟机使用环境状况包括温度、气压以及适度等参数，在一定的相对湿度、气压等工作环境中，相同规格的模拟机应该具有相同的使用寿命和可靠性。但是不同的工况条件，即使模拟机规格相同，可靠性也可能存在加大偏差。规定时间是指模拟机完成指定任务的时间，随着飞行器工作循环次数的增加、工作环境的变化、时间和任务量的增加，其发生故障的概率就增加，可靠性下降。一般而言，飞行器在出场时都附有一定的技术指标，而且在使用前需要进行机器的校核检验，对可靠性进行合理评估。飞行器出现故障时需要彻底调查导弹等飞行器的功能和性能界限，有利于故障的排查。 在对飞行器进行可靠性分析时需要采用适当的方法。在对实际工程进行数据的采集与分析的基础上对分析的结果进行判断，为进行飞行器的可靠性分析，需要明确模拟机的可靠性评价指标，然后在数据分析的基础上对各个指标进行综合评价打分，通过加权求和可以获得总的可靠度得分。飞行器的评价指标应包括机队的可靠性、整机的可靠性、部件装备的可靠性等多个指标因素。模拟机可靠性评价的结果应该是保持模拟机可靠性的总体方案，为下一阶段可靠性方案的实施进行合理规划做出指导说明，形成后续的可靠性管理体系。 2 数据可靠性收集与处理 飞行器可靠性分析需要在一定的指标作用下，充分收集数据，并深入研究数据内部规律，挖掘数据的变化趋势，为可靠性分析提供有意义的数据原本[2]。在数据的采集过程中需要建立具有数据收集、分析、后处理和反馈功能的总体系统，并针对每个环节进行有效的动态参数追踪与控制。数据的采集系统需要协调