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1、2015年第60卷第12期：1085~1094《中国科学》杂志社专栏评述www.scichina.comcsb.scichina.comSCIENCECHINAPRESS第508次学术讨论会•新型航天器中的力学问题新型航天器发展对力学学科的挑战于登云中国航天科技集团公司,北京100048E-mail:yudyun@sina.com2014-12-23收稿,2015-02-28接受,2015-03-24网络版发表摘要航天工程研制与力学学科发展关系紧密,相互促进.分析新型航天器研制所面临的工程关键词难题及其对力学学科提出的新挑战,并对这些力学问题加以研究与工程转
2、化,对促进我国航天新型航天器科技的快速发展具有重要作用.本文针对重型运载火箭、大型空间飞行器、可重复使用运载器及工程难题临近空间高超声速飞行器4类典型新型航天器,在分析其主要技术特点和工程研制难题的基础力学挑战上,总结归纳出对力学学科问题的挑战,提出了当前及未来在力学领域内需要重点关注的热点问题及相关建议,以促进新型航天器与力学基础学科的共同发展.回顾人类追求飞天梦想的发展历程,航天科技这类新型航天器所面临的服役环境更为苛刻,需要与力学相互依赖、相互促进、相辅相成.一方面,航的结构效率和可靠性更高,抵抗极端空间环境的能天科技的发展,如航天器的设计、研制、试验
3、、发射、力更强,姿态和型面控制精度更精确,且最大可能满飞行和返回全过程均涉及到各类力学问题,极大地足长寿命和低成本要求,从而给结构动力学、高温固促进了相关力学学科理论和方法的进步;另一方面,体力学、高超声速空气动力学、计算力学、多学科交力学是支撑航天技术发展的重要基础学科,随着研叉等领域带来新的应用挑战.只有突破和解决这些究手段和解决问题的能力增强、范围加宽、方法完善,问题,才能适应新时代航天器的发展特点与趋势,进为众多航天工程技术问题的解决、航天科技的快速发一步通过自主创新的方式研制和发展新型航天器.展做出了重要贡献.航天科技与力学学科的这种相1新型航天器
4、技术特点与研制难点互支撑关系,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,随着航天科技的快速发展,为满足越来越多样所发展的力学理论为航天科技的发展奠定了理论基化的任务需求,一系列新型航天器应运而生.这些新础,而且航天科技的发展又进一步推动了固体力学、型航天器或者是基于现有航天器技术演变,或者是流体力学、计算力学、试验力学及其交叉学科的发展一种全新的设计概念.本文重点对重型运载火箭、大与进步.实际上,航天领域所取得举世瞩目的里程碑型变结构空间飞行器、可重复使用运载器及临近空间式成就,如V2火箭、地球卫星、航天飞机、登月航高超
5、声速飞行器4类典型新型航天器进行阐述.天器、空间站等,无不明显地体现出力学助推航天发1.1重型运载火箭展、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、载为了满足未来深空探测、载人登月/登陆火星等人航天、天地往返和卫星应用等任务,国内外提出和重大工程的需求,世界主要航天国家争相发展发展了一系列有别于传统的新型航天器概念和技术.LEO(lowearthorbit)运载能力达百吨级以上的重型运引用格式:于登云.新型航天器发展对力学学科的挑战.科学通报,2015,60:1085–1094YuDY.Mechanicalchallengesinadva
6、ncedspacecraftdevelopment(inChinese).ChinSciBull,2015,60:1085–1094,doi:10.1360/N972014-013822015年4月第60卷第12期[1]载火箭.与常用运载火箭相比,以图1所示航天系(3)力学特性分析与试验验证难.由于重型运载统为代表的重型运载火箭在充分继承现有技术的基火箭结构尺寸大,建设与之相匹配的大型地面试验[2,3]础上,具有如下特点:(1)结构尺寸大.常用运载设施投资规模大、技术难度高、综合效益低,因此必火箭的芯级直径一般在3~5m,总长30~60m;而重须解决大型复杂
7、结构力学特性分析和采用部段级试型火箭的芯级直径在10m左右,总长在百米左右.验实现整箭模态参数等技术难题,以实现重型运载(2)起飞重量大.常用运载火箭的起飞重量通常在几火箭力学特性的精确分析和试验验证的有效性.百吨,起飞推力也是数百吨;而重型运载火箭的起飞(4)大型结构刚-柔-液耦合分析难.由于重型运重量大多在2000吨(1吨=1000kg)以上,起飞推力则载火箭尺寸大、燃料多、载荷高,在飞行过程中箭体在2500吨以上.(3)力学环境复杂.重型运载火箭由将经受复杂的力学环境作用,必须解决刚-柔-液耦合气动载荷、过载、噪声、振动、冲击形成的综合载荷特性分析难题
8、,为箭体姿态控制、级间分离、整流罩量级有较大提升,一
