航天科技论文
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航天科技论文篇一
浅谈航天系统工程管理
摘要航天型号的研究、设计、试验、生产是一组复杂的组织管理过程，本文从工程管理角度阐述了航天系统工程的管理特点和发展方向。
关键词 航天系统 工程管理
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
前言航天系统是由航天器、航天运输系统、航天器发射设施、航天测控系统、用户设备(系统)以及其他保障设备组成的完成特定航天任务的工程系统。航天系统的特点是规模庞大、技术复杂、质量可靠性要求高、耗资大、研制周期长、社会和经济效益显著。一些典型的航天系统,如中国神舟十号飞船、美国航天飞机工程等都是现代典型的大工程系统。
如今，航天的作用已经远远超出科学技术领域，对国家和国际的政治、经济、军事与社会生活都产生广泛而深远的影响。因此，为了适应航天技术的发展，航天工程管理必须上水平，真正成为航天发展的助推剂，而不是绊脚石。
所谓工程管理，就是要确保在时间(进度)、成本(经费)、质量(性能)三项限制条件下，实现工程目标。工程管理是一种特别适用于那些重大、关系复杂、时间紧迫、资源有限的一次性任务的管理方法。工程管理水平的高低同样制约着航天发展的速度和质量。
一、国外航天工程管理发展
国外航天型号工程管理始于20世纪40年代的“网络计划技术”。例如“曼哈顿”计划，它使美国于1944年5月研制成功了世界第一颗原子弹。1957年美国海军为追赶前苏联导弹的优势而开展了“北极星”导弹计划，他们采用了PERT(计划协调技术)方法管理该工程，即以时间为基础使整个研制过程形象地显示出来，条理分明，目标明确，能集中力量搞好关键路线。同时，在研制过程中，还采用数理统计的方法和先进的计算机手段，从大量非肯定的环节中找出带有普遍性的规律，及时地修改计划，合理安排人力和物力，节省了成本、提高了研制效率，使“北极星”导弹研制计划周期缩短了20%～25%，并为航天工程管理提供了系统工程方法。20世纪70年代，兰德公司等机构又研究出网络评审技术(GERT)，它在“阿波罗”计划中成功地用于分析宇宙飞船及其发展过程，取得很大成效。此后，这种“网络计划技术”被广泛应用于航空航天、核工业、电子、建筑等行业。经过50多年来的应用与研究，航天工程管理得到了长足的发展。
二、我国航天工程管理现状和特点
中国航天系统产品是指火箭，卫星，载人飞船，导弹等，也称为航天型号。该系统产品是由系统工程从需求出发，综合多种专业技术，通过分析、综合、试验和评价等反复改进而获得的。一个航天型号的研究、设计、试验、生产是一个复杂的组织管理过程，必须考虑到从概念研究到部署使用全寿命周期活动的目标和要求;必须综合利用多种学科和专业技术，包括已有和必须事先攻关的前沿技术;必须按计划组织成千上万名科研人员和管理人员在几年甚至十几年的研制过程中协同工作;必须保持在整个研制过程中技术、经费和进度等的协调进展。通过反复实践和摸索，中国航天工程得出一个结论，系统工程方法是组织管理这些航天型号系统研制工作的唯一选择。
我国航天型号研制应用工程管理方法是从20世纪60年代初开始的。华罗庚教授将这种观念在中国普及推广，称作统筹方法(现在通常称为“网络计划技术”)。然而，过去我们对工程管理的应用，仅仅是将PERT(计划协调技术)或CPM(关键线路法)技术应用到航天型号工程的研制计划制定过程中，并没有按工程的特点，建立工程组织，对型号工程实行工程管理，也没有应用工程管理的技术来计划、控制型号研制任务的进度、质量及成本。这使得我国航天型号工程任务在管理上与发达国家的航天企业有了一定差距。
在国外对系统工程讨论和实践的同时，中国航天科技工业通过研制、管理等实践同样获得了对这种系统方法的认识。从早期自主设计的型号开始，中国航天的科技和管理人员就在进行着系统工程方法的探索和研究，并总结了一套具有中国特色、符合科学规律的工作规范，为中国航天系统工程方法的发展奠定了基础。1978年钱学森在文汇报上发表的文章《组织管理的技术-系统工程》，钱学森认为，研制这样一个复杂系统所面临的问题是：“怎样把比较笼统的初始研制要求逐步地变为成千上万个研制任务参加者的具体工作，以及怎样把这些工作最终综合成为一个技术上合理、经济上合算、研制周期短、能协调运转的实际系统，并使这个系统成为它所从属的更大系统的有效组成部分。”这是对中国航天创建和发展时期系统工程实践的总结和理论上的升华。
为了适应航天系统工程的特点而形成的我国航天系统工程方法，它具有以下主要特点：
1. 建立总设计师制度和总体设计机构对航天系统进行系统设计和管理。航天系统和组成它的各大系统通常都设有总设计师和总体设计机构──总体设计部。总体设计部是按航天系统总体要求组织起来的科学家、工程师的常设集体，是工程系统的总体论证和设计机构，其基本任务是从用户任务的需求和上层的系统要求出发，在预算、进度和其他限制条件下，设计一个整体性能优化的系统。总体的系统工程工作，面对高水平的使用或技术要求，各种限制条件甚至苛刻的使用环境，参差不齐的技术基础，复杂的界面关系，利用原有的经验，发挥聪明才智，最终产生满足要求、整体性能优化的系统，实现的是整体功能优于各分系统功能之和，即“1+1〉2”。它既是航天系统研制的参与者，又是研制活动的组织管理者，是其他单位或机构所不能代替的。
2. 利用管理信息系统对航天系统进行科学的系统管理。航天管理信息系统是在50年代已有信息系统基础上发展起来的，在60年代由电子计算机管理的高度自动化的航天工程管理信息系统达到了相当完善的程度，成为一种整体化管理信息系统，同时指挥着成千上万人的活动。
3. 采用系统仿真技术对航天系统进行系统分析和评价。从航天系统的初始概念设计到系统研制和使用，不同形式的仿真得到了广泛应用，以实现事前的工程分析、可靠性分析和技术经济综合评价等。
4. 航天系统工程的质量体系和制度不断健全。中国航天系统工程始终将可靠性和安全性放在重要位置，始终坚持质量第一的方针。系统质量观念不仅局限于型号产品的质量，它是把满足国家要求和用户需求作为质量目标，将研制质量、产品质量和服务质量融为一体。经过多年的发展，在总结经验和教训的基础上，中国航天工程的系统质量观念和制度得到了不断的加强和完善，形成了一套有中国航天特色的质量管理制度和方法，有力地保障了中国航天事业的顺利发展。
现在，随着技术和管理人员知识结构的变化、现代信息技术的发展、先进管理方法的出现，在航天型号管理中，我们既要总结继承以往40多年的有效经验，又要借助现代工程管理的理论和方法，进一步完善对航天型号任务的组织和管理。这个过程中，创新意识和创新精神是必不可少的。
航天技术创新对于航天的发展至关重要，如航天工程的大型试验费用巨大，这也是在现有技术条件下，为满足工程的可靠性和安全性而必须进行的。若目前计算仿真分析技术能够突破现有的技术瓶颈，计算模拟仿真的精度足以替代各种大型试验，那么航天工程的经济成本和时间成本会大大降低，航天工程给我们带来的费效比会更大，这是显性的进步。同时，航天工程管理方法的创新和实践，同样会给航天工程的成本、质量、进度带来隐性的进步，往往隐性的进步用一些物理量或指标转换一下，其效果或结果并不低于显性的进步，国外很多案例无不印证了这一隐形成本的价值。
综合上述，中国航天工程管理应坚持从系统工程的角度出发，继续总结和发扬过去的宝贵经验和传统，从技术和管理两个方面着手，创新满足现实高可靠、长寿命等要求的技术和高效、先进的管理方法，走出一条有中国特色航天之路。
结语
今天中国的航天技术发展举世瞩目，中国已从航天大国的行列大踏步向航天强国跨越。同时，国民经济建设、科技进步和国家安全对航天型号在技术水平上、质量上、数量上也提出了更高的要求。为了保持航天的持续发展，有必要进一步完善和改进管理方法，以提高工作效率，缩短研制周期、合理利用资源，降低研制成本、满足性能指标，确保产品质量，早日实现中华民族的航天梦。
航天科技论文篇二
航空航天热防护技术发展概述
摘要:本文简要介绍航空航天领域热防护技术的发展概况，重点介绍碳/碳复合材料、多孔纤维陶瓷材料、陶瓷基复合材料、热涂层技术、隔热材料、轻质烧蚀材料等，并对热防护技术的发展趋势作简要评述。
关键词:热防护技术; 碳泡沫材料; 多孔纤维陶瓷; 陶瓷基复合材料;热障涂层 ;隔热材料; 轻质烧蚀材料
前言
在航空航天领域，航天飞行器以高马赫数穿越稠密大气层飞行，飞行器表面会产生严重的气动加热，容易产生热损伤。因此热防护技术是航空航天领域至关重要的关键技术之一。
在航空航天领域，热防护主要采用防隔热材料的方式。下面简要介绍目前比较前沿的几种防隔热材料，轻质烧蚀材料、碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、无机纤维隔热材料等的发展现状与应用。
1热防护材料发展概况
烧蚀类热防护材料发张历史较长，应用较广泛，如以纤维为增强填充材料的纤维增强酚醛材料和以酚醛树脂为粘合剂的热防护复合材料。目前应用最广泛的是纤维增强酚醛材料[1]。传统的烧蚀热防护是以牺牲热防护材料质量来换取防热的效果，无法应对当今航天器外形不变的要求，于是提出了非烧蚀材料的概念。非烧蚀材料是一种可以重复利用的新型热防护材料。对于该种材料来说，提高极限使用温度和高温性能、提高表明抗辐射、抗氧化能力、防隔热一体化和能量疏导耗散机制的结合是目前研究的热点和重点[2]。
因此下面将先简单介绍一下轻质烧蚀材料，然后重点介绍几种非热烧蚀材料，如碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、无机纤维隔热材料以及热涂层技术。
2 轻质烧蚀材料[3]
2.1 基体材料。基体是烧蚀材料的主要组成部分,不仅能将材料中的各种组分结合成型，其性能好坏还直接影响整体结构性能。轻质烧蚀材料的基体材料一般包括弹性体和树脂基体两大类。
弹性体基体主要是各种橡胶及其混合物。硅橡胶具有延展率高、耐烧蚀和抗高温燃气冲刷的性能优点。但是，硅橡胶有密度较高、机械强度低和界面粘性差等缺点，因此应用受到一定限制。为此，研究人员对硅橡胶进行了大量的改性研究，其中改性的发展方向之一是共混改性,使烧蚀后碳层更加致密、坚固，提高了烧蚀性能。
树脂基体烧蚀材料一般具有高芳基化、高分子质量、高C/O比、高交联密度，高残碳率等特点，是一类性能优异的烧蚀材料。目前较为成熟的树脂基体主要有硅树脂、酚醛树脂以及新型的聚芳基乙炔树脂等。
2.2 填料。作为烧蚀材料另一重要组成部分，填料主要起着提高烧蚀材料的机械性能、降低绝热层的导热系数、提高隔热效率、增强碳化层耐高温燃气冲刷性能和降低烧蚀率等作用。
3碳泡沫材料
碳泡沫主要有两种形态：一种是韧带网络型泡沫，另一种是微球型碳泡沫。
3.1韧带网络型泡沫。韧带网络型碳泡沫是一种石墨增强韧带网络型泡沫材料。该泡沫以沥青或聚合物等作为先驱体,通过石墨化和高温炭化处理,将无定形碳转化为多孔石墨韧带微结构,形成网状泡沫韧带,其性能与结构优于现有的碳/碳复合材料[1]。该种碳泡沫材料具有以下特点：一是泡沫和韧带是任意排列于三维空间，因此具有各向同性的力学性能;二是韧带具有纤维结构的性能特征。并且这种碳泡沫材料的热导率大约是铜的6倍，是一种良好的导热泡沫材料。
3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高残碳树脂或中间相沥青为先驱体，先制成几何尺寸为微米的纳米级的空心微球，再用适当的树脂作粘合剂将其注模成型，在氮气和氩气的气氛中经1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球结构的碳泡沫，当将其从室温高速加热到3100℃时，这种材料仍然具有良好的力学性能，导热率较低，且由于微球大多是开孔的，力学性能欠佳。但用甲阶酚醛树脂为原型，通过微胶囊法先制备出酚醛树脂空心微球，注模成型，再经过碳化和石墨化处理，所制得的碳泡沫材料中的微球均是闭孔的，隔热性能和力学性能更为理想。
4多孔纤维陶瓷
多孔陶瓷具有化学性质稳定、比表面积大、耐热能力强、密度较低、刚度高、热导率低等优点,并且在力学、化学、热学、光学、电学等方面具有独特的性能,目前在分离过滤、换热、载体、蓄热、吸声隔音、隔热、曝气、电极、传感器、生物植入等诸多方面都有着广泛的应用。在航空航天领域也不例外,如热防护系统中应用多孔陶瓷热障材料,在飞行器外壳隔热、发汗冷却构件、燃气轮机高温合金部件表面热防护等方面,可起到低金属表面温度、提高燃气工作温度、改善燃气效率、延长热端部件使用寿命的重要作用。
多孔纤维陶瓷具有各向异性的导热性能，有很多应用。作为热防护材料的陶瓷热障，因其导热的各向异性，在厚度方向上热导率较小，在垂直于厚度方向上的热导率较大，能够起到隔热和均布表面温度的效果,根据文献[4]中的计算和实验表明，多孔纤维陶瓷材料在一个方向的热导率是另一个方向的3倍左右，因此在厚度方向可以有效隔热的同时，还可以在表面方向上均布温度场，能非常有效的防止局部高温的出现。
5 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是在陶瓷集体中引入第二相材料所构成的的多相复合材料。在陶瓷中加入纤维能大幅度提高材料的强度、改善陶瓷材料脆的缺点，并提高使用温度。因此陶瓷基复合材料不仅具有陶瓷耐高温、抗氧化、耐磨、耐腐蚀的优点，同时由于纤维的引入，时其具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，克服一般陶瓷材料脆性大、可靠性差的致命弱点[5]。
克服陶瓷脆性的方法主要包括连续纤维增韧、想变增韧、微裂纹增韧以及晶须晶片增韧等。其中连续纤维增韧碳化硅基复合材料是目前最受关注的陶瓷基复合材料。
连续纤维增强陶瓷基复合材料具有高比强、高比模、高可靠性、耐高温等优点，已经成为军事、航天、能源等领域理想的高温结构材料。主要应用于发动机燃烧室、喉衬、喷管等热结构件以及飞行器机翼前缘、控制面、机身迎风面、鼻锥等防热构件。
6 无机纤维隔热材料
隔热材料分为刚性隔热材料和柔性隔热材料，其中刚性隔热材料的研究已经基本成熟，这里主要介绍柔性隔热材料。
近几年比较受关注的新型隔热材料有：纳米隔热材料和功能梯度材料。
纳米隔热材料由于其独特的微结构特征赋予了材料极其优异的隔热性能 。 艾姆斯研究中心、马赛尔空间飞行中心和肯尼迪空间中心分别开展了纳米隔热材料的研究工作。在1999年时纳米隔热材料的研究就已经达到了相当成熟的阶段。 在实用化方面，纳米隔热材料已经成功应用于火星探测器的个别温度敏感部件及星云捕获器上。此外德国、瑞典、以色列、日本等国也开展了新型纳米隔热材料的研究工作。目前已经报道的常温常压下纳米隔热材料最低的热导率为0.013 W/ (m・k)，比静止空气的低一半。有资料报道的纳米隔热材料的使用温度一般都小于500 ℃，机械强度比较差。进一步提高纳米隔热材料的使用温度及其它综合性能将是今后研究工作的重点。
功能梯度材料的是由日本学者平井敏雄等在20世纪80年代首先提出的,他们最初打算将该材料应用于航天飞机的热防护系统和发动机的热端部件。功能梯度材料一种其构成材料的要素组成和结构沿厚度方向由一侧向另一侧呈连续变化,从而使材料的性能也呈梯度变化的新型材料。功能梯度材料在解决航空航天材料耐热性、长寿命、隔热性和强韧性等特性时显示了十分巨大的应用潜力。在导热系数达到设计要求的前提下，它能克服多层热防护材料之间的层间缺陷和小块材料之间连接困难的不足。这应该是会成为未来航空航天热防护系统新一代的隔热材料。
7 热障涂层技术
当今航空发动机的主要发展方向之一是提高发动机涡轮前进口温度，以此来提高发动机的热效率。但随着涡轮前进口温度的提高，发动机热端部件所经受的燃气温度和燃气压力不断提高。从上世纪40年代到上世纪末，航空发动机的工作温度快速上升，燃气温度已超过 1650 ℃。预计很快将达到1930℃。这样高的温度已经大大超过现有合金的极限工作温度，因此，必须采用相应的措施。
一方面，可以向上面提到的一样继续研制新型高温材料，提高高温合金的耐热性能;另一方面，采用先进的冷却技术，如叶片冷却气膜设计及制造工艺的改进。在过去的50多年中，隔热材料对提高发动机工作温度已经做出了很大贡献。但是在当前使用的发动机的工作温度下，燃气温度已超过镍基合金的熔点，基体材料本身以及发动机结构设计的改进使高温合金甚至单晶高温合金几乎已达到其耐热极限，因此要想通过合金材料大幅度提高热端部件、尤其是叶片的工作温度已经极端困难。70 年代先进气膜冷却技术也因为高性能发动机的发展，发动机中可用冷气流量越来越少，依靠气膜冷却技术进一步提高降温效果已没有太大的空间。在这种情况下，为了满足先进航空发动机对材料更苛刻的性能要求，热障涂层技术得到了广泛的应用和发展。
热障涂层是有导热性较差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底层组成的防热系统，可以明显降低基体温度，具有硬度高、高化学稳定性等优点，能够防止高温腐蚀、延长热端部件的使用寿命，提高发动机功率和减少燃油消耗。
热障涂层的制备技术主要有：常规等离子喷涂、高能等离子喷涂、低压等离子喷涂、电子束物理气相沉积等[6]。
目前，已获实际工程应用的双层结构热障涂层的材料体系主要由4个材料基元组成：高温合金基体、陶瓷层、基体与涂层间的金属粘结层及在陶瓷涂层与过渡层之间形成的热生长氧化层(以氧化铝为主要物质成分)。其中，合金基体主要承受机械载荷;陶瓷涂层是隔热材料;粘结层在涂层受热和冷却过程中能缓解基体与陶瓷层的热不匹配。在热循环载荷作用下，各材料基元间遵循动力学原理相互作用，以动态平衡方式控制整体材料的热力学性能和使用寿命。
8结束语
在航空航天领域，热防护是重要研究课题之一，随着新一代航天器的研发，对热防护提出了越来越高的要求。在研究传统防热材料的同时，许多新型材料相继被人们关注。上面提到的碳泡沫材料、多孔纤维陶瓷、陶瓷基复合材料、隔热材料、轻质烧蚀材料都是非常有前景的防热材料，在未来的航空航天领域中将继续发挥越来越大的作用。同时，冷却和热涂层技术也将会不断完善已面对新的要求。
参考文献
[1] 石振海,李克智,李贺军,田卓.航天器热防护材料研究现状与发展趋势【J】.材料导报，2007，21(8)：15-18.
[2] 胡继东，左小彪，冯志海.航天器热防护材料的发展概述【J】.航天返回与遥感，2011，32(3)：88-92.
[3] 吴晓宏，陆小龙，李涛，易忠.轻质烧蚀材料研究综述【J】.航天器环境工程，2011，28(4)：313-317.
[4] 景小龙，郝晓丽，方萍等.多孔纤维陶瓷的各向异性热导率研究【J】.江苏航空，2010，增刊：155-157.
[5] 文生琼，何爱杰.陶瓷基复合材料在航空发动机热端部件上的应用【J】.技术综述，2009，增刊：4-7.
[6] 牟仁德，陆锋，何利民，贺世美，黄光宏.热障涂层技术在航空发动机上的应用与发展【J】.热喷涂技术，2009，1(1)：53-66.
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