航天领域（共9篇）
航天领域 篇1
经过改进后创造效益3.2亿元
【本刊讯】工信部近日在上海举行的“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项《航天复杂结构件高档数控加工示范工程》验收会暨成果推介会上, 示范应用了11台国产高档数控机床, 这是我国航天高端制造领域首次批量应用国产数控机床, 其中大连机床集团为示范工程提供了精密卧式加工中心、精密立式加工中心、精密车削加工中心等9种不同型号的设备。
航天产品由高性能、高可靠性、高精度零部件组成, 具有“结构复杂、弱刚度、高精度、材料难加工”等特点。在加工航天精密结构件领域, 此前基本依赖进口设备。2011年7月, 大连机床集团研发的9台高档数控机床入围“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项, 并与大连理工大学等单位加入了由上海航天设备制造总厂牵头成立的“航天制造装备产业技术创新联盟”。
本次入选示范工程, 意味着大连机床不仅在航天制造领域站稳脚跟, 还对关键领域的国产化进程起到了带头示范推动作用。
以大连机床集团为代表的国产装备进入航天领域, 经改进后创造效益3.2亿元, 节省外汇6000万元, 增加航天企业产值1000万元/年。
航天领域 篇2
课 程 论 文
课程名称
21世纪高新技术
题目名称 纳米技术在航天领域中的应用 学生学院 管理学院 专业班级 电子商务1班 学 号
3113004743
学生姓名 陈昌桐 指导教师 曹晓国
2015年
11月 3日
摘要
本文初步介绍纳米技术、纳米材料及其结构在航天领域中的应用，综述了纳米卫星、纳米碳管、纳米面料、纳米流体等航天领域的应用，重点介绍纳米材料在航天器的结构材料和功能材料方面的应用。可以预料，纳米技术的应用在航天领域有着相当广阔的前景。
关键词
纳米技术；纳米材料；航天；纳米卫星；
正文
引
言
纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质，可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料，以满足传统材料所不能达到的要求，尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。
一、纳米技术的介绍
纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
二、航天技术的简介
航天科学技术是20世纪兴起的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取基础科学和其他应用科学领域的最新成就，高度综合了工程技术的最新成果，并引领许多学科专业的发展，甚至促成某些专业的形成。它是20世纪以来发展最为迅速、对人类生活影响最大的科学技术之一。进入21世纪，航天科学技术继续保持高科技的重要地位，在推动原始创新，促进学科交叉与学科融合方面扮演着重要角色。
三、纳米技术对航天业的影响
首先是为航天业从宏观向微观发展提供了可能。专用微型集成器将取代现有航天器和运载火箭上使用的有关系统，最终将在航天系统引发一场技术革命，导致微型卫星乃至“纳米卫星”的问世。
其次是纳米技术的使用，将对原有的航天业的制造方法、实验手段、研究方式带来巨大冲击，怎样才能将纳米技术引入到航天领域的制造方法、实验手段和研究方式中呢?
纳米技术在航天领域中的应用
一、纳米卫星
纳米卫星，又叫“纳星”，通常指重量小于10公斤、具有实际应用价值的卫星。纳米卫星的概念最早由美国宇航公司于1993年提出，未来重量可以实现降低到0.1公斤以下。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核芯片作为星载设备，可使卫星的体积和重量大大减小。由于它的部件都集成在芯片上，故也称为“芯片级卫星”。用一枚小型运载火箭一次可以发射数百枚到上千枚的这种卫星，从而使航天器的发射费用从目前的每磅一万美元降至约 200 美元。
1995年，美国开始研制纳米卫星。这种卫星比麻雀略为大些，所用元器件全部为纳米材料制成。由于纳米卫星性能好，可靠性强，故它在通信领域、军事领域、对地观测、科学研究等方面有广泛的应用前景。
为降低发射费用，纳米卫星常采用一箭多星的发射方式进行发射，目前已经发射的包括：俄罗斯的SPUTNIK-2卫星、美国的AUSat卫星和PICOSAT卫星，以及英国的SNAP-1卫星等。
纳米卫星的功能多样。QuakeSat卫星可以使用磁力计对高空的低频磁场等进行研究，用以对地震进行分析预测。日本东京大学的XI-IV纳米卫星就使用CMOS相机对地球和太阳影像进行拍照，英国萨瑞公司的SNAP-1型卫星可对其它卫星拍照，用以判断在轨航天器的完好状态和工作能力。nCube卫星可以接收船只的广播AIS信号，提供船只的方位、位置等信息，确保船舶航行安全。此外，纳米卫星组成的卫星网络在应急通信领域也具有巨大的潜在优势。
目前在国际纳米卫星研究领域，美国处于技术领先地位。2002年12月，美国“奋进”号航天飞机就发射了两颗只有2磅重的纳米卫星。从2003年开始，美国空军和国防高级研究计划局开始研发新一代低成本军用纳米卫星，并于近几年相继交付。
二、纳米碳管———太空缆绳
碳纳米管由日本科学家于1991年研究发现，是由Sp2杂化碳原子排列成的石墨片层卷曲而成，具有纳米级一维管状结构的纳米碳材料。理论预测和实验结果均表明：CNT具有超高的强度、模量和韧性，其弹性模量高达1 TPa，拉伸强度超过100 GPa，断裂伸长率达到15%-30%。
纳米碳管具有强度高、质量轻、性能稳定、柔软灵活、导热性好、表面积大及许多奇异的电子性质等特点。单个纳米碳管的直径只 1.4nm，5万个纳米碳管并排在一起仅相当于一根头发丝的直径。它可能成为未来理想的超级纤维。纳米碳管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用其做成的太空缆绳，与钢或其他特质不同的关键是它能支持住自身的质量而不会断掉。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能方法，也许将成为人类移居外星球的最理想方法。
2013年，中国清华大学魏飞教授团队成功制备出单根长度达半米以上的碳纳米管，创造了新世界纪录，对于碳纳米管的生长而言，其高温生长过程中催化剂的失活是一个不可逆的规律，从而限制了碳纳米管的长度；因此尽可能地提高其催化剂活性概率是进一步提高碳纳米管长度的唯一途径。
三、纳米军服面料和纳米纤维
利用特殊的纳米技术对传统的材料进行处理，形成相互交错混杂的具有互特性的二维纳米相区，使原来无法兼容的特性通过它低度的相互协同作用表现出来，从而生产出功能强大的新型军用服面料。这种新型军服具有抗紫外线、吸收红外线、抗老化和热老化，以及减轻、保暖、隔热的作用。由于纳米材料具有小尺寸效应及宏观量子效应，将大幅度地提高材料的弹性、强度、耐磨性和稳定性。二维协同纳米技术的运用，使军服不但防油、防水、抗菌、抗污，清洁起来也极其简便，穿着也柔软舒适，更加适应野战条件下的要求。此类军服所需面料，在理论上已得到证实，现正加紧应用研究。在这一领域我国处于世界先进水平行列。
四、纳米流体流动强化传热
航天器中安装有借助于液体工质单相对流换热实现热控制的泵驱动液体回路系统实现舱内温度指标的控制。液体回路系统的质量及功耗在压力舱内占有较大比例，而新型航天器(如大型航天器、无人自主深空探测器、小卫星和纳米卫星等)的研制需求日益迫切，航天器的电子器件及设备的功率日趋增大，对航天器热控制技术和液体回路系统提出了更新更高的要求，加上航天器所处的空间电子器件散热困难。传统的纯液体工质和常规的散热措施难以满足热负荷日益增长的航天器热控系统的需要。目前，航天器液体回路系统采用的传热工质是一种冰点低、比热大、粘度小、无毒的化合物，具有适合在航天器中使用的独特优点，但由于它的导热系数极低，很难满足航天器不断增长的高强度、高负荷传热的要求。
纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中添加纳米级金属或金属氧化物粒子，形成一类新的传热工质。已进行的研究表明，在水、乙二醇等常规液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数和对流换热系数，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。实验研究已证明，纳米流体强化传热技术应用于航天器热控系统是可行的。
五、纳米材料在航天器材料上的应用(一)纳米材料在航天器功能材料上的应用
(1)金属及金属基复合材料
晶粒细化是目前唯一的一种既可以提高金属强度，又可以提高韧性的方法，而且也是提高金属材料强度最有效的方法之一。在纳米金属材料中普遍存在着细晶强化效应，即材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是把超微细陶瓷粉末引入金属基体(如向铝、铜、银、钢、铁等合金中引入SiC、Si3N4、TiN)均匀分散于合金中，例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钦、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中，可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。
纳米晶合金打破了常规合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论，对于小尺寸晶粒，纳米合金变质剂的高表面活性可以使晶粒以较快速度合并，使晶粒尺寸增大和晶粒与晶粒合并的驱动力同时减小。在合金中形成晶须结构，明显提高合金硬度及韧性。
研究发现，在航天领域使用较多的金属材料Al、Ti，采用纳米材料增强后，其强度有较大提高，同时重量有较大降低，有望在航天舱体结构材料上得到应用。
(2)聚合物基复合材料
纳米粒子加入聚合物基体后，可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能。举例说明，在酚醛树脂中加入5 %左右的某纳米粉，除层剪强度无显著提高外，玻璃钢的拉伸强度、弯曲强度、弹性模量等力学性能均有显著提高，并且线烧蚀率显著下降。北京玻璃钢研究院的研究表明，将某些纳米粒子掺入树脂体系，对玻璃钢的耐烧蚀性能大大提高。这些研究对于提高导弹武器酚醛防热烧蚀材料性能、改善武器系统工作环境、提高武器系统突防能力有着深远影响。像纳米氮化铝应用于环氧树脂，玻璃化转变温度提高，弹性模量达到极大值。将纳米氮化铝添加到环氧树脂中制得的复合材料，在结构上完全不同于添加粗晶的氮化铝-环氧树脂基复合材料：粗晶氮化铝一般作为补强剂加入，其主要分布在高分子材料的链间，而纳米氮化铝由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积使其表现出极强的活性，同时，尚有一部分纳米氮化铝颗粒分布在高分子链的空隙中。与粗晶氮化铝相比，纳米氮化铝具有很高的流动性，可使环氧树脂的强度、韧性及延展性均大幅提高。
(3)工程塑料及其它复合材料
纳米材料与工程塑料复合既能提高工程塑料的固有性能，又可赋予其高导电性、高阻隔性及优良的光学性能等。因此，把纳米材料应用于工程塑料的改性，可进一步拓宽工程塑料的应用范围。
工程塑料与纳米粒子复合材料就是采用纳米粒子对有一定脆性的工程塑料增韧是改善工程塑料韧性和强度等力学性能的一种行之有效的方法。只要纳米粒子与基体树脂结合良好，纳米粒子也可承受拉伸应力，增韧、增强作用明显。少量纳米氮化钦粉体用于改性热塑性工程塑料时，可起到结晶成核剂的作用。而大量纳米氮化钦颗粒弥散于PET中，可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。
另外的像还有工程塑料与纳米磁性金属及其氮化物复合材料，纳米磁性材料具有单磁畴结构，其磁化率、矫顽力很高，饱和磁矩和磁损耗较低，而且它的磁化过程完全由旋转磁化进行，所以可用作永磁记忆材料，以显著提高信噪比，改善图形质量，有望在卫星记忆材料上得到应用。国外已制造出性能优于NdFeB 的具有高矫顽力的纳米 NdFeB 材料。日本于 1988 年研制成功的纳米软磁材料“Finemet”，具有铁基非晶材料优异的高频特性，有可能在航天仪表上得到应用。
而工程塑料与纳米磁性金属复合材料则具有特殊的光电功能(对电磁波有特殊的吸收作用)和优良的磁性能及导电性，可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域。
比如用偶联剂进行表面处理后的纳米碳化硅，在添加量为10%左右时，可大大改善和提高PI聚酞亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特种塑料的性能，全面提高材料的耐磨、导热、绝缘、抗拉伸、耐冲击、耐高温等性能。
(4)陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体，与各种纳米材料复合制得的材料。陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、强度和硬度高、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能，而其致命的弱点是具有较强的脆性，在应力作用下，会产生裂纹，甚至断裂导致材料失效。而纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形，在高温下有类似金属的超塑性。研究发现，将纳米粒子分散到陶瓷基体中，可以极大提高材料的断裂强度和断裂韧性，明显改变耐高温性，并提高材料硬度、弹性模量和抗热震及抗高温蠕变性，其强度和韧性约提高 2～4 倍。
新型陶瓷材料具有优异的高温强度、耐磨性、耐热性和耐蚀性，是固体发动机碳 / 碳喷管和燃烧室之间的热结构绝热连接件的理想材料，还可用于喷管出口锥有关部件。把纳米粉末引入陶瓷基体中制成颗粒增强复合材料可极大地提高材料的强度、韧性和高温性能，使之成为很有前途的高温结构材料，有可能用于未来的热机和航天热防护。
陶瓷基复合材料己实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。例如，纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀，以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中。(二)纳米材料在航天器功能材料上的应用
(1)导电、导磁、导热、隔热、耐烧蚀、防热等功能材料
纳米TiN具有优良的导电性能，在Al2O3基体中加入纳米TiN颗粒可以有效降低其电阻率，随着纳米TiN加入量的增加，复合材料的电阻率逐渐降低，当加入量达到20vol%以后，复合材料的电阻率趋于稳定。由于纳米材料自身的特点，纳米TiN-Al2O3复合材料具有更好的导电性能，特别在低添加量时，效果尤为明显。
超高导热纳米AlN复合的硅胶具有良好的导热性，良好的电绝缘性，较宽的电绝缘性使用温度（工作温度-60℃～-200℃），较低的稠度和良好的施工性能。如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质。纳米导热膏是填充IC或三极管与散热片之间的空隙，增大它们之间的接触面积，达到更好的散热效果。
纳米AlN粉体可以大幅度提高塑料的导热率。通过实验产品以5~10%的比例添加到塑料中，可以使塑料的导热率从原来的0.3提高到5。导热率提高了16倍多。相比较目前市场上的导热填料（氧化铝或氧化镁等）具有添加量低，对制品的机械性能有提高作用，导热效果提高更明显等特点。目前相关应用厂家已经大规模采购纳米氮化铝粉体，新型的纳米导热塑料将投放市场。
纳米AlN粉体与硅匹配性能好，在橡胶中容易分散，在不影响橡胶的机械性能的前提下（实验证明对橡胶的机械性能还有提高作用）可大幅度提升硅橡胶的导热率，在添加过程中不像氧化物等会使其黏度上升很快，添加量很小（根据导热要求一般在5%左右就可以使导热率提高50%-70%），现广泛应用与军事，航空以及信息工程中。
飞行器在大气中高速飞行时，由于气动加热飞行器表面与空气发生剧烈的摩擦，产生大量的热量，使飞行器表面温度急剧上升。随着科技的发展，采用纳米改性的玻璃钢材料能显著提高材料的热防护性能，在未来航天领域具有广阔的应用前景。
在导弹、火箭的发动机喷管上防热材料普遍采用碳-酚醛、高硅氧-酚醛。热防护材料中的树脂体系和含碳量决定了碳层的质量，进而影响其耐烧蚀性能。石墨及C-C复合材料是制造固体火箭发动机喷管的理想烧蚀材料，但石墨及C-C复合材料在使用中暴露出一个严重不足就是氧化侵蚀。在 500 ℃以上就可以被氧化，生成CO2、CO，使材料强度降低。通过在材料中加入非氧化物陶瓷纳米颗粒，使非氧化陶瓷纳米颗粒氧化成膜来实现碳材料自愈合抗氧化。
此外，纳米材料在航天领域还有很多的应用，如采用纳米材料对光电吸收能力强的特点可制作高效光热、光电转换材料，可高效地将太阳能转换成热、电能，在卫星、宇宙飞船、航天飞机的太阳能发电板上可以喷涂一层特殊的纳米材料，用于增强其光电转换能力；在火箭发动机壳体上喷涂一层防静电纳米涂料，可以有效的提高火箭工作的可靠性。(2)涂层材料
纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化能力。研究表明，用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉作为金属表面上的复合涂层可以获得超强耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为0.06-0.1，同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性等。在液体火箭发动机关键零组件中应用纳米技术，大大拓展了这些零件的使用范围。如在重载、高DN值轴承表面上采用纳米级材料粉末涂层，可提高其寿命和可靠性。
在动密封和其他具有相对运动的摩擦副面喷镀上一层纳米级金属或非金属粉末就能极大地提高它们的抗磨损、耐高温和防腐蚀性；采用纳米磁性材料，探索发动机新型密封结构，可使发动机密封发生根本性改变等。这些技术在80年代研制的发动机上已得到应用，效果良好。将纳米技术应用在液浮轴承中，会使轴承的寿命和可靠性成百倍提高。涡轮盘是发动机中最关键的零件，它是在高温、高压、高速条件下工作，失效率很高。如果采用纳米级粉末冶金制造，将大幅度提高涡轮盘的强度和耐高温性能。推力室的内壁冷却和抗高温是发动机的关键技术，经常因为推力室的冷却和抗高温问题而降低发动机的性能，如果采用纳米级金属粉末涂镀在推力室内壁上，就可以解决这个问题。
用纳米SiC、ZrC、TiC、TiN、B4C粉还可以作为模具、切削刀具、汽轮机叶片、涡轮转子以及汽缸内壁涂层，耐热涂层，散热表面涂层，防腐涂层及吸波涂层等。(3)特种密封材料
发动机出现故障最多的是各种密封的失效，密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素，利用纳米材料制成密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末将会极大的改善其密封性。纳米粒子加入橡胶能极大地改善其力学性能。纳米AlN粒子与橡胶复合可以提高其介电性和耐磨性。添加纳米SiN的新型橡胶不但具有优越的力学性能，还可以根据需要设计具有特殊性能的新型橡胶，这种新型材料中的纳米SiN不仅具有补强作用，而且具有常规橡胶不具备的一些功能特性，例如通过控制纳米SiN的颗粒尺寸可以制备对不同波段光敏感不同的橡胶，既可抗紫外线辐射，又可反射红外；也可利用纳米SiN制成电绝缘性能优异的橡胶。纳米级金刚石粉可用来增强橡胶、塑料、树脂。目前橡胶所用的增强剂多半为纳米级炭黑，若改用SiN能使其拉伸强度提高1-4倍，并改善其耐磨性和密封性。(4)固体火箭推进剂
固体火箭推进剂主要由固体氧化剂和可燃物组成。固体火箭推进剂的燃烧速度取决于氧化剂与可燃物的反应速度，它们之间的反应速度的大小主要取决于固体氧化剂和可燃物接触面积的大小以及催化剂的催化效果。纳米材料由于粒径小、比表面积大、表面原子多、晶粒的微观结构复杂并且存在各种点阵缺陷，因此具有高的表面活性。正因为如此，用纳米催化剂取代火箭推进剂中的普通催化剂成为国内外研究的热点。近年来，国外研究了加入纳米铝粉以及金属/聚合物纳米层压材料片状粉末添加剂改性的纳米火炸药、推进剂和固体燃料。试验研究表明，在火炸药、推进剂和固体燃料配方中加入上述纳米粉末具有加快燃烧速度，改善燃烧效率，提高性能以及防止凝结有害金属微滴等优点。
将纳米金属粉添加到火箭固体推进剂中，可以显著改进推进剂的燃烧性能。20 世纪 90年代美国的 Argonide 公司生产了商品牌号为Alex的纳米铝粉，用Alex纳米铝粉铝化端羟基聚异丁烯，其燃烧速度是微米铝粉(20～35μm)的2倍，燃烧速率是微米铝粉的 40～60 倍，没有铝微滴凝结现象，从而避免了加入微米铝粉会凝结铝微滴造成降低燃烧效率、影响火箭飞行特性以及增加热红外信号等重大缺点。
未来展望
纳米技术是在20世纪90年代初才逐步发展起来的一门主导性的新兴科学技术，它将与信息技术和生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，并可能引导下一场工业革命。随着纳米技术以及大规模工业化生产进程的发展，纳米材料在国民经济各领域越来越得到广泛应用。由于保密原因，纳米材料在军事、航空、航天等特殊领域的应用报道还较少。从纳米材料的特性出发，结合航天产品的发展趋势和特点，可以看出纳米材料在航天领域具有较大的应用前景。
纳米科学技术正处于重大突破的前夜，它取得的一系列成果，引起了关心未来世界发展的科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展。纳米技术无论是在理论上还是在实际使用过程中，还存在很多问题，需要我们进一步的探索和改进。我们相信，随着纳米科技的发展，纳米材料在航天领域将得到越来越多的应用，纳米技术将为促进我国的航天事业的发展做出重大贡献。
参考文献
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航天领域 篇3
Flex Ray总线是为了满足汽车网络发展支持容错和安全相关应用的汽车协议, 具有网络的确定性、同步性、可靠性、高带宽以及容错性等特点, 能够满足高速控制的通信需要。
随着航天系统应用的数据量越来越大, 对处理速度、传输速率及实时响应的要求越来越高。而传统的CAN网络传输带宽低和速率的不足已经无法满足现在日益复杂的数据网络, CAN总线技术也将逐渐被Flex Ray总线取代。本文主要对Flex Ray总线在航天军工领域中的应用进行详细论述。
2 Flex Ray总线特点
Flex Ray总线和CAN总线一样, 是一种串行数据通讯协议。其主要通信介质为双绞线、同轴电缆等。Flex Ray总线每个通信信道上的数据速率最大可达到10Mbps, 总数据传输速率可达到20Mbps, 而CAN网络最高速率极限为1Mbps, 可以看出Flex Ray总线提供比CAN总线更大的网络带宽。
Flexray总线较CAN总线具有很多CAN总线所达不到的特点, Flexray在冗余通信中可以通过硬件复制网络配置并进行进度监测, 同时, flexray可以通过内部寄存器来对总线进行灵活的配置, 并和CAN总线一样, 支持各种拓扑结构, 如总线型、星型和混合拓扑等。开发人员可以根据不同的需求对总线进行配置。
在数据传输过程中, Flex Ray具备同步数据传输和异步数据传输, 能满足不同系统的通信需求。在通信过程中, Flex Ray为每个通信周期提供静态通信段和动态通信段。其中, 静态通信段提供有界延迟, 用固定时间触发 (fixed-time-trigger) 的方法来传输信息;而动态通信段则有助于满足在系统运行时间内出现的不同带宽需求, 使用灵活的时间触发的方法来传输信息。
Flex Ray总线网络不仅可以和CAN网络一样进行单信道系统运行, 而且还能够以一个双信道系统来运行。双信道系统可以通过冗余网络传输数据, 这也是提高系统可靠性的一项重要性能。
3 工程应用实例及实现
本文以Freescale公司的MC9S12XF512作为Flexray总线的通信控制器, NXP公司的TJA1080为总线驱动器, 并结合Xilinx的FPGA构建以FPGA+Flex Ray的方式为主干网, 运用FPGA灵活性设计的特点以及MC9S12XF512的灵活性编程, 实现了Flexray总线在军工领域的应用。FPGA与MC9S12XF512之间采用SPI总线方式通信, 速率可达20Mbps, 能够满足航天大数据量的需求, 系统之间的接口如下:
其中Rx D、Tx D、Rx EN、Tx EN为通信控制器与总线驱动器之间的接收发送及请求数据总线信号。
3.1 Flex Ray节点的设计与实现
MC9S12XF512是MC9S12XF系列的一款32位性能和效率都很出色的16位微控制器, 它基于高性能S12X内核, 以16位寻址范围零等待的速率访问外设和外部存储器。具有高速串行通信的FLex Ray模块, 速率达到10Mbit/s。Flex Ray网络节点结构如下图所示, 包含总线控制器、总线收发器以及两个收发通道。如图2所示。
其中, Flex Ray总线通信节点的通信过程如下:
发送数据:由FPGA提供通过SPI总线接口提供数据帧, 通过Flex Ray通信控制器向总线驱动器发送数据帧, 再由总线驱动器下传到数据收发通道上。
接收数据:数据由收发通道送达总线驱动器TJA1080, 总线驱动器向通信控制器以中断的方式发出接收数据请求信号, 将数据存入通信控制器的数据缓存中, 再由通信控制器通过SPI总线将接收到的数据上传给FPGA, 由FPGA去解析数据。
3.2 硬件构成
Flex Ray总线控制器基于S12X构架, 以16位总线寻址范围访问外围设备及存储空间, 具有灵活的操作以及中断处理方法, 支持单通道和双通道通信, 具有32个配置消息缓存, 每个消息缓存可配置为接收、单缓存器发送及双缓存器发送模式。每个消息缓存数据长度可配置为0到254字节。
TJA1080是NXP公司的一款兼容Flex Ray电气物理层协议2.1版本的Flex Ray总线收发器, 它主要是为通信系统从1Mbit/s到10Mbit/s而准备, 为协议控制器与Flex Ray网络物理层总线之间提供了一个可靠的接口。同时, TJA1080能够通过有效的配置来实现星型收发器和节点收发器, 它以差分传输方式到各网络节点, 并以差分接收方式到Flex Ray控制器, 增强了数据传输的抗干扰能力。在TJA1080收发数据过程中, 还增加了监测系统中的错误和状态信息等功能。MC9S12XF512与TJA1080之间接口连接如下图3所示。
BDM为在线调试和下载程序提供了一个接口。信号线上的BKGD信号连接至单片机MC9S12XF512的同名管脚, 该引脚用来向单片机下载应用程序和在线调试。接口原理图如图4所示。其中BKGD引脚默认设置为3脚, 可以根据不同厂家的BDM下载器来设置图4中J6上的跳线将BKGD设置在引脚1上。
4 软件设计
基于MC9S12XF512单片机应用程序, 主要完成Flexray总线功能, 包括系统时钟配置、锁相环配置、外围设备初始化与配置、内存分配与初始化、Flexray收发模块初始化以及中断向量表等功能。软件调试工具主要用Code Warrior集成环境进行编程, 同时使用BDM在线调试器进行软件下载与调试。软件流程如图5所示。
5 结束语
本文通过对Flex Ray总线结构功能分析, 构建以FPGA+MCU的方式进行Flexray总线通信。系统采用freescale单片机MC9S12XF512作为通信控制器, 并结合NXP公司的TJA1080为总线驱动器的典型方式构建系统方案, 采用双通道 (通道A和通道B) 同时通信, 两个通道实现冗余备份, 满足了系统容错功能的需求。在航天领域系统复杂的网络结构背景下, Flex Ray总线技术正将逐步取代CAN网络, 实现数据的高速可靠传输。
摘要：针对航天领域的CAN总线技术, 本文提出一种新的FlexRay总线通信方式, 并介绍了一种基于FPGA+FlexRay架构的处理模式, 同时描述了FlexRay总线的特点和工作原理, 从协议上分析了FlexRay总线在航天领域应用的可行性, 从芯片选用、原理设计、接口实现以及软件设计等方面阐述了FlexRay总线在我国航天领域的应用。
关键词：FPGA,FlexRay总线,航天领域,通信
参考文献
[1]MC9S12XF512 Reference Manual.Rev.1.19 18-May-2010.
[2]TJA1080 Flex Ray transceiver.Rev.02—12 July 2007.
[3]Flex Ray Communications System Protocol Specification Version2.1.
[4]王锴, 王宏, 徐皑冬.下一代车载网络Flex Ray及其应用研究[J].计算机工程与应用.2008.
航天领域 篇4
摘要:对主要的一些先进高分子材料，包括橡胶、工程塑料、胶黏剂及密封剂等在航天工业领域的应用现状进行了评述。
关键词:高分子材料；橡胶；工程塑料；胶黏剂；密封剂；航天；应用 Abstract:Thepresentsituationoftheapplicationofthemajoradvancedpolymermaterialsinthefieldofaerospaceindustryarereviewed，Includingelastomer,engineeringplastics，adhensive，sealant.Keywords:Polymer;Elastomer;Engineeringplastics;Coating;Adhesive;Sealant;Aerospace；Application
前言
新材料是航天技术发展的重要物资基础，一代新型航天产品的诞生往往建立在一大批先进新型材料研制成功的基础上，同时也可以带动许多新材料项目的快速启动和应用。新中国成立以来，以两弹一星为代表的航天产品的研制促进了我国许多关键新材料项目的启动和开展。改革开放以来，随着我国国民经济的迅速发展和经济实力的增强，载人航天、探月工程等重点工程的开展需要众多新材料的支撑，也带动了我国许多关键新材料研制取得突破。
高分子材料是我国航天工业赖以支撑的重要配套材料，主要包括橡胶、工程塑料、胶黏剂及密封剂等，本文概要介绍了先进高分子材料在我国航天产品上的应用现状。
1.橡胶
橡胶一种作为理想的密封及阻尼材料，得到人们的重视。我国航天工业建立伊始，为了满足当时的迫切需求，我国开展了大量特种橡胶材料的研制攻关工作；随着我国工业的发展，高性能橡胶材料及应用技术也取得了长足进步。在国民经济中应用的橡胶制品数量庞大，品种繁多；在航天领域使用的橡胶主要有天然橡胶、氯丁橡胶、丁苯橡胶、丁腈橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶、氟橡胶等。本文主要选择羧基亚硝基氟橡胶、硅橡胶、乙丙橡胶作介绍。1.1羧基亚硝基氟橡胶
羧基亚硝基氟橡胶（CNR）是从20世纪50年代发展起来的一种氟弹性体，由于其独特的耐强氧化剂和耐低温性能，引起了国内外宇航工业界的广泛关注，美国、英国和前苏联多家公司和大学都开展过相关研究。1963年，美国3M公司合成了具有羧基侧链的亚硝基三元共聚物翌年，随后又发现γ－亚硝基全氟丁酸为硫化点单体的羧基亚硝基氟橡胶，随后羧基亚硝基氟橡胶开始在运载火箭和阿波罗飞船的N2O4贮箱、输送系统、飞行器内壁及高压氧箱上得到应。
羧基亚硝基氟橡胶，包括2类：二元类——四氟乙烯与三氟亚硝基甲烷共聚弹性体、三元类——引进第三单体亚硝基全氟丁酸。羧基亚硝基氟橡胶分子主链一半为—C—C—键，另一半为—N—O—键，且与碳原子相连的皆为氟原子，因此具有很好的化学稳定性；主链大量的氮氧链节赋予橡胶优异的耐低温性能，玻璃化转变温度为－45℃；CNR氟含量高，又不含C—H键，高温裂解时放出的气体能熄灭火焰，因此即使在纯氧中也不会燃烧；由于CNR主链中N—O键的键能较低，易高温裂解，其耐热性不如一般氟橡胶，长期使用最高温度为180～200℃。CNR主要用于低温环境下各种有机和无机溶剂特别是强氧化剂系统的密封，还可作为固体推进剂燃料的粘合剂及耐化学介质的不燃涂层等。
作为火箭发动机的推进剂，N2O4由于其贮存稳定性好、综合性能优良获得了广泛应用，目前仍然应用于我国的运载火箭和卫星等。由于N2O4具有强烈的氧化性，迄今为止国内外研制成功与其相容的橡胶密封材料只有羧基亚硝基氟橡和氟醚橡胶。近年来，为了满足我国运载火箭新的需求，研制了新型羧基亚硝基氟橡胶及其胶料7113，其硫化胶性能见表1。[1]
表1新型羧基亚硝基氟橡胶硫化胶在液态N2O4介质中力学性能及质量变化
介质中浸泡时间（d）
0 7 15 30 90 180 拉伸强度（MPa）10 10 9.5 9.3 10
扯断伸长率（%）561 601 604 542 572 600
扯断永久变形
（%）22 28 28 30 38 35
质量变化率（%）/ 6.45 5.48 3.9 6.27 7.12
硬度值（ShoreA）
69 69 70 65 66
试验结果表明，研制的新型羧基亚硝基氟橡胶硫化胶具有良好的物理机械性能、耐N2O4介质性能和耐高低温性能。其密封件通过了-40℃、常温、50℃和250℃的密封模拟实验、N2O4介质浸泡6个月密封模拟试验和加速老化试验等一系列考核验证，可作为耐N2O4介质的密封材料使用。1.2硅橡胶
硅橡胶是指主链以Si-O单元为主，以甲基及少量乙烯基等有机基团为侧基的一类线性聚合物，兼具无机材料和有机材料的性能。根据硅原子上所连接的侧基不同，可分为二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶、乙基硅橡胶及亚苯基硅橡胶等。
航天材料及工艺研究所研制的硅橡胶密封材料具有突出的耐热和耐寒性能，长期使用温度为-60℃～250℃，短期使用可以超过300℃，可以耐瞬间超过3000K的高温烧蚀，耐臭氧、耐日照、耐霉菌、耐海水等性能优异。按照密封介质和密封材料的基本性能，航天工业用硅橡胶密封材料可分为4类，如表2所示。[2] 1.3乙丙橡胶[4]
乙丙橡胶是橡胶制品工业中一种极为重要的原材料。乙丙橡胶又可分为二元乙丙、三元乙丙。乙丙橡胶系以单烯烃乙烯、丙烯共聚成二元乙丙橡胶；以乙烯、丙烯及少量非共轭双烯为单体共聚而制得三元乙丙橡胶。乙丙橡胶分子主链上，乙烯和丙烯单体呈无规则排列，失去了聚乙烯或聚丙烯结构规整性，从而成为弹性体。由于三元乙丙橡胶二烯烃位于侧链上，因此三元乙丙橡胶不但可以用硫磺硫化，同时还保持了二元乙丙橡胶的各种特性。由于二元乙丙橡胶分子不含双键，不能用硫黄硫化，因而限制了它的应用。在乙丙橡胶商品牌号中，二元乙丙橡胶只占总数的10％左右，而三元乙丙橡胶占90%。
乙丙橡胶由于具有耐热、耐化学介质、耐水、耐臭氧及电绝缘等性能优异，并且密度小，可在-60℃～120℃下长期工作，在航天工业材料中，适于制造在空气、磷酸酯液压油、火箭发动机肼类燃料系统使用的密封制品、胶管、胶板和胶囊等，以及固体火箭发动机衬层材料、电线电缆等。
表2航天工业用硅橡胶密封材料主要牌号及用途
分类 普通级硅橡胶
航天用主要硅橡胶密封材料牌号
用途 6101、6108、6109、用于火箭箭体管路，作用是密封大
6144 气、海水、雨水、高温燃气。6103、6103-
1、6107
火箭及飞船壳体、宇航员供
氧系统等。卫星及飞船壳体，耐空间辐 射、真空、高低温交变。用于火箭箭体，作用是防静电、电
磁屏蔽等。高性能硅橡胶
空间级硅橡胶 导电硅橡胶
6701～6710系列 6111、6112 2.工程塑料
特种工程塑料是相对于尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)、聚甲醛(POM)、聚酯(PET、PBT)以及改性聚苯醚(PPO)等常见工程塑料而言，综合性能更好且具有特殊用途的一大类工程塑料。自上个世纪60年代聚酰亚胺(PI)发展应用以来，高性能特种高分子的研究、开发及应用就获得了快速发展，先后发展出聚芳醚砜(PAES)，聚苯硫醚(PPS)，聚醚酮及其聚芳醚腈等高性能特种工程塑料。本文主要选择聚醚酮酮、聚苯硫醚作介绍。2.1聚醚酮酮[3]
聚醚酮酮(PEKK)是特种工程塑料聚芳醚酮(PEAK)系列之一，PEAK是一类亚苯基环通过醚键和羰基连接而成的聚合物，按分子链中醚键、酮基与苯环连接次序和比例的不同，可。形成许多不同的聚合物聚醚酮酮是继聚醚醚酮之后开发的又一特殊结构型热塑性树脂，具有优异的机械性能、耐溶剂抗化学腐蚀性能、耐热性、抗辐射和阻燃性等，特别适用作高性能复合材料的基体树脂和超级工程塑料。
世界各大宇航公司和飞机制造商都在寻找性能可靠、适应性强、加工简便、对破坏性事故有强大抵御能力的复合材料。而聚芳醚酮作为最早在航空航天领域获得应用的热塑性材料，现在已成为航空航天材料中不可缺少的一部分。PEKK具有较强的抗辐射能力，可以用作飞机、卫星等特使材料的包覆材料;其优异的机械性能可制成飞机耐热的各种连接器、耐候抗蠕变的天线罩;用PEKK为基体的碳纤维和玻璃纤维增强复合材料可以用于飞机和飞船的机舱、门把手、操纵杆以及直升飞机尾翼等。其优异的阻燃性能，燃烧时的发烟量和有毒气体的释放量少，常被用来制造飞机的内部零件;还可用来制造火箭的电池槽、螺栓、螺母和火箭发动机的内部零件。2.2聚苯硫醚（PPS）
PPS是20世纪60年代末美国首先开发出来的一种综合性能良好的耐高温热塑性工程塑料，其产需量位居尼龙(PA)、聚碳酸酯(PC)等五大通用工程塑料之后，故有第六大工程塑料之称。PPS具有许多优良的乃至独特的性能：①突出的耐热性，热变形温度高达260℃，可在200~240℃长期连续使用；②优异的耐化学腐蚀性，在200℃以下几乎不溶于所有溶剂、几乎不受一般酸碱腐蚀；③固有的阻燃性，即便不添加阻燃剂也呈现相当于UL94V-0级的高阻燃性；④优良的力学性能，在高温下也很少下降，且耐疲劳、抗蠕变性能极佳；⑤出色的尺寸稳定性，即使在高温、高湿环境下，尺寸也几乎不变；⑥优良的电性能，在高温、高湿和高频条件下也变化不大；⑦良好的成型加工性能，流动性好，易于注塑薄壁和精密的部件，还可挤出、吹塑成型及纺丝成纤维。
在我国，航天材料及工艺研究所使用短切碳纤维增强PPS制造的惯性导航系统壳体代替了原铝合金壳体，减重效果明显，同时提高了减振性能，且刚性仍能够满足使用要求；使用纳米磁粉改性PPS制作了具有抗辐射、电磁屏蔽、吸波、隐身、抗静电等特种功能的结构件。目前，我国已经实现了PPS的大批量稳定生产，需加强其改性和应用研究。
3.胶黏剂及密封剂[5]
航天产品广泛采用轻合金、蜂窝结构和复合材料，因此，胶黏剂及胶接技术应用普遍，但航天产品使用环境苛刻，要承受高温、烧蚀、温度交变、高真空、超低温、热循环、紫外线、带电粒子、微陨石、原子氧等环境考验。航天材料及工艺研究所研制了百余种特种胶黏剂及密封剂，主要包括聚氨酯类、酚醛树脂类、环氧树脂类、有机硅类、丙烯酸酯类、有机硼类胶黏剂等，其中绝大多数已应用于我国运载火箭、卫星及飞船等航天产品。3.1耐高温胶黏剂
耐高温胶黏剂通常是指可在150℃以上温度条件下使用的胶黏剂。这类胶粘剂主要有改性多官能度环氧树脂（EP）、酚醛树脂、含硅（或硼）聚合物、含芳杂环耐高温聚合物及无机胶黏剂等。
PI胶黏剂是开发最早、应用最广和综合性能最优的耐高温结构胶黏剂，经300℃固化后，在300℃～400℃条件下具有良好的耐热性和剪切强度，可在230℃下长期使用、短时间能耐550℃的高温，具有较好的耐低温性、耐溶剂性、耐磨性、阻燃性和极低的热膨胀系数等优点。吉林大学研制的聚醚醚酮酰亚胺胶黏剂在室温及150℃下的剪切强度超过13MPa。
双马来酰亚胺（BMI）是一类性能优异的交联型PI，兼具PI优良的耐高温性和耐潮湿性能。当在环氧树脂中引入BMI后，由于两者聚合机理不同和相容性等原因，在聚合过程中可能形成互穿网络结构或两相体系，从而达到了增韧和提高耐热性的目的。氰酸酯改性BMI胶黏剂可在230℃下长期工作，剪切强度13MPa以上。耐高温天线罩用胶黏剂J-223可在100℃固化，500℃时剪切强度大0.5MPa。EP胶黏剂也是耐热胶黏剂的1个重要品种，具有较好的粘接强度、综合性能且使用工艺简便，其突出的优点是固化过程中挥发快、收缩率低；但其固化物较脆，而且耐高温性能较差。用作耐高温的EP胶黏剂多为改性后的产品。如通过四官能度EP和PI预聚体混合，添加氟橡胶增韧剂，得到的耐热胶黏剂在250℃下的剪切强度超过4MPa。3.2耐低温胶黏剂
耐低温胶黏剂是指能在超低温环境中使用并具有足够强度的胶黏剂，通常由PU、EP改性PU和PU及PA改性的EP等主体材料配制而成。
目前国内用于航天产品的可在-253℃下使用的低温胶黏剂主要有航天材料及工艺研究所研制的用于运载火箭液氢液氧贮箱共底和绝热层粘接的NHJ-44胶、聚氨酯改性环氧胶、与聚酰亚胺和铝贮箱膨胀系数相匹配的DWJ-46胶等，其中NHJ-44胶与美国联邦规范MMMA-132Al型结构胶的性能指标完全一致。用于氢氧发动机表面温度传感器粘接的低温导热绝缘胶，热导率0.63－0.7W/m·K。上海市合成树脂研究所的DW-1聚醚聚氨酯胶、DW-3四氢呋喃聚醚环氧胶也有应用。3.3特种密封剂
密封剂往往不能事先按形状和尺寸预制，因此其使用工艺性尤为重要。有机硅密封剂在航天工业领域应用广泛。许多航天产品需要长期耐300℃密封、短期耐400℃以上密封或瞬间耐1000℃以上的密封等。国内通用型有机硅密封剂牌号众多，生产厂家也很多。航天材料及工艺研究所拥有多种牌号的可用于航天型号的耐高温耐烧蚀有机硅密封剂。目前我国已有高档的单组分和双组分PU密封剂，主要用于航天产品防水的电器连接件、电缆端部和插头、线路板和其它电器组件的灌封等。
4.结语
虽然用于航天产品配套的特种高分子材料的研制虽然取得了显著进展，但目前航天工业需要的部分关键材料仍然依赖进口，部分材料的性能和质量尚不稳定，未来的探月工程、长期驻留空间站、深空探测等航天工程对特种高分子材料还会有许多新的需求，这些都需要从事高分子材料制备和应用的科技工作者继续努力。
参考文献
[1]赵云峰，吴福迪，许文．耐N2O4的新型羧基亚硝基氟橡胶密封材料性能研究[J].特种橡胶制品，2009,30(6):32－35 [2]张继华，任灵，赵云峰等.空间环境用耐低温硅橡胶密封材料研究[J].航天器环境工程，2011,28(2):161－166
航天领域 篇5
对航空航天工程领域进行深入分析、把握领域内研究的全景, 有助于科研人员了解科技的研究动向, 促进航空航天事业的繁荣与发展。对航空航天工程领域发展状况和研究前沿实时的追踪, 有利于揭示该领域发展的轨迹和特征。对比航空航天大国的发展现状和未来方向, 有利于国家间的技术合作和科技交流。本文利用可视化信息分析工具, 基于SCI数据源, 结合传统的文献计量方法, 从论文产出、高影响力作者、研究机构和前沿术语4个方面对比中美俄航空航天工程领域的研究现状和领域前沿, 以期得到有价值的结论和发现。
1 研究方法与数据来源
1.1 研究方法与工具
科学知识图谱研究是一个以科学学为基础, 涉及应用数学、信息科学及计算机科学诸学科交叉的领域, 是科学计量学和信息计量学的新发展[4]。图谱以可视化的方式展现科学研究的全貌, 有助于科研人员发掘研究热点、研究前沿和知识演化历程等。
实际上, 可用于知识图谱的分析工具很多, 每款软件也各具特色。Cite Space是由旅美华人陈超美博士开发的免费软件, 这款信息可视化软件已成为科学计量学界和科技界进行科学计量分析、追踪研究前沿、探明研究方向、开展知识管理和辅助科技决策的普适工具, 将科学前沿计量和知识管理研究推进到科学图谱和知识可视化的新阶段。
1.2 数据源
《期刊引证报告》 (Journal Citation Reports, JCR) 是国际上公认的权威期刊评价工具, 收录的期刊具有一定的权威性和前瞻性。本文以2012年JCR中ENGINEERING, AEROSPACE分类收录的28种期刊 (PROG AEROSP SC、IEEE T AERO ELEC SYS、J GUID CONTROL DYNAM、AIAA J、ESA BULL-EUR SPACE、AEROSP SCI TECHNOL、J AEROSPACE ENG、J PROPUL POWER、ACTA AS-TRONAUT、J ASTRONAUT SCI、J AIRCRAFT、INT J AEROACOUST、INT J MICRO AIR VEH、INT J SATELL COMM N、J AM HELICOPTER SOC、MI-CROGRAVITY SCI TEC、J SPACECRAFT ROCKETS、AIRCR ENG AEROSP TEC、CHINESE J AERONAUT、P I MECH ENG G-J AER、IEEE AERO EL SYS MAG、AERONAUT J、INT J TURBO JET ENG、T JPN SOC AERONAUT S、COSMIC RES+、J AEROS COMP INF COM、AEROSPACE AM、J SPACECR TECHNOL) 的名称进行检索, 时间限定为近10年 (2004—2013) , 共检出相关文献22 475篇 (全记录与引用的参考文献) , 其中包含2 497篇中国论文、8 306篇美国论文、1 006篇俄罗斯论文, 检索时间为2014年2月22日。
2 结果分析
我们利用TDA、Cite Space工具对数据进行统计和计量, 并以可视化的形式生成分析结果。其中, 时区设置为2004—2013, 时间分区长度设置为1;主题词来源设置为Title、Abstract、Author Keywords (DE) 与Keywords Plus (ID) ;节点类型分别选择被引作者、机构、特征词。通过统计和分析, 对近10年来中美俄航空航天工程领域的发展现状和研究动态进行多方位的对比和展示。
2.1 论文产出分析
统计各国家或地区科技论文的总量是衡量这一国家或地区知识产出能力的一个指标, 也可用来测定一个国家或地区的科学活动在国际上的地位和比重, 从而监测该国家或地区科研能力的变化。我们统计了中美俄航空航天工程领域10年发表论文数量, 绘制了论文发表数量的变化趋势图, 如表1和图1所示。
检索到十年来航空航天工程相关文献共22 475篇, 其中, 中国论文2 497篇, 占国际论文比例为11.1%;美国论文8 306篇, 占国际论文比例为37.0%;俄罗斯论文1 006篇, 占国际论文比例为4.5%。中美俄论文总被引频次分别为5 666次、39711次、1 916次, 10年篇均被引频次分别为2.27次、4.78次、1.90次。
从图1中可看出, 2005年后中国航空航天工程领域论文发表数量提升较快, 2013年的论文发表数量比2012年提升了19.4%;美国在2004—2007年的论文发表数量稳步上升, 2009年后呈逐年下滑趋势, 2013年的论文发表数量比2012年减少了13.1%;俄罗斯各年的论文发表数量相对持平, 基本保持在100篇左右, 2013年发表论文78篇, 为历年最低。
综上看, 航空航天工程领域中国论文发表总数连年提升, 有望在1~2年后赶超美国, 但篇均被引频次与美国相比尚有较大差距。无论从论文发表总量还是篇均被引频次来看, 美国仍处于世界第一的位置, 其中篇均被引达到4.78次, 显示了航空航天工程领域美国论文的高关注度。俄罗斯各年论文发表数量基本稳定, 论文总数与10年篇均被引频次低于中国和美国, 与中美的差距正慢慢拉开。
2.2 高影响力作者分析
有学术影响力的作者群体的状况集中体现了学科科研实践的趋向, 是某一学科领域科研活动的缩影之一。通过对作者群体进行研究, 可以把握学科科研活动的深度和广度, 对于科研活动的管理、组织、协调和引导都有积极的意义[5]。基于作者科研产出和学术影响力两个角度考虑, 我们分别选择高产作者和高被引作者两个方面进行分析。在统计之前, 我们将作者名进行了归并, 如:Schaub H与Hanspeter Schaub归并为Schaub, Hanspeter;Chopra, Inderjit与Chopra, I归并为Chopra, Inderjit;Traub, LW与Traub, L W归并为Traub, Lance W;Traub, LW与Traub, L W归并为Traub, Lance W;Traub, LW与Traub, L W归并为Traub, Lance W;Dowell, E H、Dowell, Earl与Dowell, EH归并为Dowell, Earl H;Leishinan, J Gordon与Leishman, JG归并为Leishman, J Gordon等。表2统计了中美俄三国发表论文数量排名前20位的学者, 表3统计了中美俄三国被引频次排名前20位的论文。
科学产出在一定程度上反映了科研人员的科研水平和对科学发展所做的贡献。表2中列出的20名学者在2004—2013年的发文量都在20篇以上, 属于该领域内的高产作者。绝大部分高产作者来自美国, 其中有17位来自高校或企业的美国学者, 2位来自清华大学的中国学者, 1位来自俄罗斯科学院的学者。
来自美国科罗拉多大学的Scheeres教授排名第一, 发文量为55篇。Daniel J.Scheeres教授现为航空宇航领域国际著名期刊《AIAA Journal of Guidance, Control and Dynamics》副主编, 美国航空航天学会会员, 国际上小天体探测动力学、导航与控制及空间科学领域的著名专家, 曾参加了美国首颗小行星探测器NEAR的动力学与控制系统研制、日本首次小行星采样返回任务Hayabusa探测器运动行为与控制系统分析。其在国际综合顶级期刊《Science》、《Nature》发表论文12篇, 在国际航空宇航领域著名期刊《Journal of Guidance, Control and Dynamics》发表论文52篇, 在国际天体力学领域著名期刊Icarus发表论文34篇, 论文目前总被引频次超过5 900次。发文量并列排名第二的是来自康涅狄格大学的Bar-Shalom教授和马里兰大学的Chopra教授, 其发文量均为43篇。Bar-Shalom教授为美国电气和电子工程师协会会员, 曾任国际信息融合学会主席, 代表性研究方向为多源数据下贝叶斯估计理论应用、遥感和信息理论方法, 是数据管理、多传感器监视和目标追踪等方面的专家。Chopra教授从事有关直升机航空力学的研究, 包括空气动力学稳定性、振动主动控制、复合材料叶片的造型、旋翼头监测、气动弹性优化、智能结构、微型飞行器以及轴承的综合航空力学分析等。
来自清华大学的李俊峰教授共发表25篇论文, 清华大学的宝音贺西教授共发表24篇论文, 分别排名第18位和第20位。李俊峰教授现任清华大学航天航空学院副院长、力学与航空航天学位分委员会副主席、航天航空学院学术委员会委员、中国空间科学学会常务理事、空间机械委员会副主任、中国宇航学会空间控制委员会副主任、中国力学学会动力学与控制委员会副主任等。其在国内外学术刊物发表论文120多篇, 其中被SCI检索60余篇、被EI检索50余篇, 主要研究深空探测轨道设计、轨道优化控制、卫星编队飞行动力学与控制、充液航天器晃动动力学、运动稳定性等领域。宝音贺西教授的研究方向为航天器动力与控制、深空探测、新概念航天器设计等, 主要研究航空航天科学与工程、力学、自动化技术等领域。
来自俄罗斯科学院克尔德什应用数学研究所的Sazonov教授共发表论文32篇, 排名第11名。Sazonov Viktor Vasil'evich教授主要研究航天器导航与控制, 包括航天器姿态与运动估计、卡尔曼滤波重建、轨道建设、弹道测量、加速度测量等领域。
被引频次是论文影响程度的一个重要指标, 它体现了科研团体对学者的关注度和信赖度, 高被引学者往往成为科研领域内的核心人物。表3中列出了2004—2013年总被引频次排名前20名论文的标题、第一作者、单位、国别和被引频次。排名前20名的学者全部来自美国, 分别来自不同的高校、研究机构和企业。其中, 美国雷神公司Blackman, SS和Daum, F的论文排名第一位和第四位, 分别被引175次和139次, 论文主题涉及多目标追踪与卡尔曼滤波器;宾夕法尼亚州立大学Martin, JD的论文以被引173次排名第二, 论文主题涉及克里格模型与计算机模型;美国海军实验室Chen, VC的论文以被引158次排名第三, 论文主题涉及雷达多普勒效应。另外, 排名靠前的也有来自美国空军实验室、佐治亚理工学院、洛克希德马丁公司等高校或研究机构的学者。
2.3 机构分析
利用Cite Space可视化分析工具, 我们对中美俄3国的论文数据进行机构共现分析, 并绘制出2004—2013年中美俄航空航天工程领域研究机构的分布图谱 (如图2) 和前20名机构发文频次的机构列表 (如表4) 。
图2中, 每个节点代表一个研究机构, 圆圈的大小代表机构的发文频次, 点之间的连线粗细代表两个机构共线的频次。图谱将高频发文机构、机构的共线关系清晰地展示出来, 通过关键点的分析, 我们不难发现中美俄航空航天工程领域的机构分布:发文频次较高的机构有美国国家航空航天局、北京航空航天大学、俄罗斯科学院、哈尔滨工业大学、美国空军、佐治亚理工学院等。密歇根大学、科罗拉多大学、俄亥俄州立大学的中心性较强。北京航空航天大学、国防科技大学、西北工业大学在2012-2013年间发文频次增长速度较快。不同国家间的机构共现较少, 表明航空航天工程领域国家间的合作相对较少。美国国内机构间的共现网络较中俄两国相比更为密集, 说明美国国内机构间的合作更为紧密。
表4中, 发文频次前20名的机构中有13个美国机构、5个中国机构、2个俄罗斯机构, 其中美国国家航空航天局 (NASA) 发文759频次, 排名第一位, 数量遥遥领先于其他机构。NASA是美国联邦政府的一个行政机构, 负责制定、实施美国的民用太空计划并开展航空航天科学的研究。NASA的前身是国家航空咨询委员会 (NACA) , 重点研究航空技术、空间站运作、宇宙探索和航天科技等方向[6]。北京航空航天大学发文543频次, 排名第二位, 近年来上升势头非常明显。俄罗斯科学院发文328频次, 排名第三位。俄罗斯科学院于1724年在圣彼得堡成立, 是俄罗斯联邦的最高学术机构, 主导全国自然科学和社会科学的基础研究, 同时指导各加盟共和国科学院、高等院校和俄罗斯其他研究单位重大自然科学和社会科学的研究工作。
2.4 前沿术语分析
研究前沿多指临时形成的某个研究课题及其基础研究问题的概念组合, 也可以是正在兴起或突然涌现的理论趋势, 往往代表一个研究领域的思想现状。Cite Space采用突变词算法来分辨研究前沿专业术语概念, 突变词可用于监测一个领域内研究兴趣的突然增长。通过考察词频的时间分布, 将那些频次变化高、增长速度快的词从文本中提取出来, 用词频的变化趋势和大小来分析一个领域的发展趋势和前沿领域。本次研究, 我们选取term为节点类型, 选择noun prases作突变词切分, 选择“time zone”为显示类型, 生成中美俄航空航天工程领域近5年排名前五位的研究前沿术语表 (如表5) 和研究前沿视图 (如图3、图4、图5) 。
各国研究前沿术语示图中, 方框代表探测到的突变短语, 连线代表两个短语的共线关系。
从国家横向来看, 中国航空航天工程领域出现的突变短语有:“数值模拟”、“闭环系统”、“相对运动”、“控制策略”、“马赫数”、“计算复杂性”、“外部干扰”、“控制计划”、“有限元模型”、“气动性能”、“计算成本”等;美国方面出现了“大涡模拟”、“数值模拟”、“边界层”、“控制系统”、“气动力”、“比冲”、“雷诺兹数”、“机翼后缘”、“推进系统”、“纵横比”、“计算流体动力学”、“斯托克斯方程”、“流体分离”、“数值解”、“美国宇航局格伦研究中心”等突变短语;俄罗斯方面出现了“太阳风”、“比较分析”、“旋转运动”、“边界条件”、“初始条件”、“国际空间站”、“行星际磁场”、“空间实验”、“角运动”、“宇宙射线”、“数值模拟”、“姿态运动”、“地球磁气圈”、“地球辐射带”、“地磁场”、“地球轨道”、“日球电流片”、“太阳活动”、“地球大气层”、“导热”等短语。可以发现, 中国的研究偏向于控制系统的优化, 美国偏向于飞行模拟与系统设计, 俄罗斯偏向于飞行运动与轨道建设。
从时间纵向来看, 2009年航空航天工程领域出现了较多的突变短语, 出现了“国际空间站”、“数值模拟”、“磁场”、“太阳活动”、“雷诺兹数”等短语;2010年新出现了“外部干扰”、“理论分析”、“气动性能”、“边界层”、“圆形轨道”等短语;2011年“闭环系统”、“马赫数”、“数值方法”、“控制系统”、“地球磁层”、“角速度”、“空间实验”等突变短语出现频率较高;2012年出现了“控制方案”、“航天器编队”、“火箭”、“地球轨道”、“气动力”等突变短语;2013年则出现了“有限元模型”、“刚性航天器”、“纵横比”、“宇宙射线”、“日球电流片”、“导热”等短语。可以看到, 每年的研究术语都在变化更新, 这也从一个侧面反映了航空航天工程领域的快速发展。
3 小结
(1) 2004—2013年中美俄航空航天工程领域10年发表论文数量统计结果发现, 中国论文发表总数连年提升, 论文发表数量已接近美国, 俄罗斯论文发表数量较低且基本稳定, 但中俄两国的篇均被引频次与美国相比尚有较大差距。
(2) 从发文数量和被引频次两个角度分析中美俄航空航天工程领域的高影响力学者, 研究发现, 属于该领域内的高影响力作者绝大部分来自美国。
(3) 对中美俄航空航天工程领域的机构的发文频次进行可视化分析, 发现发文数量排名靠前的机构50%以上出自美国, NASA的优势仍十分明显, 北京航空航天大学和俄罗斯科学院表现抢眼。
(4) 通过近5年突变术语的探测分析航空航天工程领域的前沿术语, 从术语变化的趋势中可以看到, 中国的研究偏向于控制系统的优化, 美国偏向于飞行模拟与系统设计, 俄罗斯偏向于飞行运动与轨道建设。
鉴于航空航天工程领域涉及科研保密性等问题, 各国的科研成果并不会完全反映到数据库中, 故本次研究的数据存在一定的局限性。另外, 汤森路透的分类体系中, 学科间存在渗透关系, 故本研究主题的选择可能会有一定的交叉性。
摘要：从可视化分析的角度对比研究中美俄三国航空航天领域的发展概况。以JCR收录的航空航天工程领域的外文源刊为数据源, 选取这些期刊在2004—2013年10年间所刊载的论文为研究对象, 利用Cite Space分析工具, 结合传统的文献计量方法, 从论文产出、高影响力作者、研究机构和前沿术语4个层次对比研究中美俄航空航天工程领域的研究现状和研究趋势。研究发现, 论文产出方面, 中国的论文总量已接近美国;高影响力作者和研究机构方面, 中俄与美国相比仍有较大差距;前沿术语变化趋势方面, 中国的研究偏向于控制系统的优化, 美国偏向于飞行模拟与系统设计, 俄罗斯偏向于飞行运动与轨道建设。
关键词：航空航天工程,论文产出,高影响力作者,研究机构,前沿术语
参考文献
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[3]蔡帼璇.2013—2020年俄罗斯航天活动国家规划[J].中国航天, 2013 (2) :38-41
[4]陈悦, 刘则渊.悄然兴起的科学知识图谱[J].科学学研究, 2005, 23 (2) :149-154
[5]邱均平, 马瑞敏.基于CSSCI的图书馆、情报与档案管理一级学科文献计量评价研究[J].中国图书馆学报, 2006, 32 (1) :24-29
航天领域 篇6
一、基于科研项目工作流程识别科研项目经费审计涉及的主要内容
科研项目主要分成立项期、研制期以及交付验收期等阶段, 相应的其对口审计的内容也应该以此为框架依据。具体而言, 科研项目经费审计的内容框架情况应该如表1所示。
在审计准备阶段, 全面并有重点地了解被审计单位主体性质、主要研究方向、主要产品、管理模式等方面的详细情况, 并在此基础上了解承担单位与研发项目管理的相关制度及作业流程。通过将了解的信息套入上述审计内容的框架, 制定出具体的审计方案。
二、引入风险导向概念对科研项目经费审计进行风险分层
风险导向型审计引入科研项目经费审计中, 在全面了解被审计单位与科研项目有关的管理活动的基础上, 通过遵循“从宏观层面战略分析—执行层面流程分析---识别重要风险及其可能表现的形式—实施实质性审计”的思路, 对科研项目经费审计进行风险分级:
(一) 重大风险
主要表现在两大方面, 一是资金管理存在失控风险现象, 其具体表现形式包括但不限于:截留资金:资金到位后, 未足额拨付分承研单位;转移资金:外协 (合作/试验) 未签合同或协议, 并明显不符合质优价廉的原则, 或已签订合同或协议, 但存在严重权责不对, 且外协单位本项目净利润超过行业平均利润50% (含) 以上;等等。二是管理监督职能存在失控风险, 其具体表现形式包括但不限于:没有内控制度、流程或与实际作业严重脱节, 自由操控空间过大, 无正当理由拖延项目结题审计;预算执行进度匹配性过低并严重影响项目验收;重大科研生产事故、环保事故、科研项目泄密事故及重大商业纠纷;等等。
(二) 中等风险
和重大风险类似, 同样主要表现在两大方面, 一是资金管理存在失控风险现象, 其主要表现形式比较单一, 主要是截留资金, 也就是说资金到位后, 未按时拨付分承研单位。二是管理监督职能存在失控风险, 其主要表现形式包括但不限于:没有审批流程或实际执行越位、倒置, 点表现在招投标、项目主要因素变更审批、预算、费用开支等项目活动;等等。
(三) 一般风险
主要表现是管理监督失序风险, 其具体表现形式包括但不限于:未执行单独核算但尚可确认经费支出, 未严格按照科技经费会计核算规定设立记账科目, 交叉使用科目, 账表不符;管理费未提供分摊依据或提取比例错误;项目程序批复齐全但存在时间顺序、逻辑结构问题;预算总体编制符合度高, 但各经费间的编制与实际差异较大;等等。
三、把握科研项目经费审计的重点和难点
通过对科研项目业务的了解及分析, 以及引入风险导向型审计模式识别审计重点领域。内部审计机构或审计组就可以进一步确定审计范围、找准审计重点。以下选取两个典型审计内容具体阐述。
(一) 项目承担单位业务领域审计重点
在对项目承担单位业务领域、管理架构及内控情况执行审计工作的时候, 应该注意的审计重点有四, 一是分析评价可研报告、项目实际开展期、承担单位近期工作重点、支撑力度、项目团队工作方式等。特别对机构设置、人员分工与课题管理及目的匹配性上进行评估;二是关注承担单位与本项目相似的其他业务领域, 对相似业务研究阶段的进行确定, 并重点审查科研项目相似业务阶段成本、费用发生的合理性;三是内控文件及流程是否足以证明承担单位提供的财务文件及其他文件资料的可信度, 是否不违背法律法规及上级单位的相关制度;四是评估管控架构的设置及职责职权的分配是否合理, 是否存在影响管理核决流程的舞弊、纰漏或缺陷的可能。
(二) 项目承担单位立项期审计重点内容
在这方面的审计重点包括几部分内容:一是申请立项的程序异常可以提示或反映①项目可能存在问题的方向②重点关注承担单位管理层对本项目的特殊要求、争议点, 可评估本项目审计验收的各因素是否合格, 不存在人为绕开关键要素的情况。二是科研承担单位综合论证的流程、人力投入及耗时是否符合一般逻辑, 项目是否经过必要且全面的论证, 而非形式性的提交可研论证材料;项目会议或汇报文件、合同等内容有无损害双方权益 (包括成果归属与分离、权利与义务、违约责任) , 有无法律风险、资金风险。三是批复、任务书或合同书的条文对项目启动的合理有效支撑, 部分条款是否为后期验收造成争议。四是测试科研项目承担单位的分包支出、外协支出等是否合规, 并与科研项目在多个单位的分配任务的目标、分包或外协资金额相印证, 是否存在重复支出等, 做概况了解。五是为评估各承担单位的责、权、利的合理性收集基本支撑资料。六是预算程序上是否管控严谨, 项目成本费用细项构成是否有充足的来源资料支持, 异常的构成往往是项目执行过程中可能存在挪动、套取截留项目资金风险的地方。
(三) 配套方法及所需资料支撑
具体实施中, 针对审计重点和难点的确定, 需要配备有具体的检查方法以及所需资料。比如项目承担单位业务领域审计重点之二需要配备的检查方法是:评估本科研项目是否与承担单位其他业务领域有相似之处;对应的资料支撑是:承担单位相似性的业务简要情况, 研发流程、研发结构组成及成本构成等资料。
四、实现科研项目经费审计与航天技术应用产业整体发展规划的协同
科研经费审计在实施中引起企业各方面对经费管理的重视, 营造和谐的审计环境。科研经费审计不仅能使领导层面从审计角度关注科研经费的使用情况, 也能够帮助科技项目负责人消除“科研经费是自己争取来的, 想怎么花就怎么花”的认识误区, 帮助科技项目负责人树立“用好经费, 接受监督”的责任意识。另外, 通过科研经费审计, 使得各相关部门分工协作, 明确责任, 各司其职, 提高科研经费管理水平。
参考文献
[1]马兴瑞.航天科技集团内部审计实用手册[M].北京:中国宇航出版社, 2012.
[2]周立云.基于风险导向的物资采购和存货审计[J].中国内部审计, 2014 (09) .
航天领域 篇7
一、构建一流人才筛选机制, 为发现“好种子”提供制度保证
1. 发挥离退休专家的指导作用, 建设一流顾问团队
离退休专家是航天领域一块瑰宝, 他们用一生磨练的眼力是很难用金钱衡量的。虽然他们因为年龄和身体的原因从重要岗位上退下来, 但他们所沉淀的智慧却历久弥新, 所提供的意见和建议在人才甄别中的作用不容小觑。如何发挥好离退休专家的建设性作用, 制度设计必须发力。
2. 确保人才选拔要有全球视野, 建设人才准入机制
我国在高等教育建设布局中, 为航天事业的发展做了充分的教育准备, 每年来自重点高校重点学科的博士硕士等待在航天系统各个院所的门前, 从数量上完全可以带来发展的安全感。如果目光所及, 仅局限在国内的数所高校, 难免管中窥豹, 造成人才入口狭窄, 进而影响到人才质量。我们要看到不同国家教育机制多样性下人才类型的多样性。实践证明, 人才准入机制中对于多样性的关注程度在很大程度上决定了好种子的数量。
3. 着力避免人才筛选中近亲繁殖, 提升人才系统免疫力
人才筛选中的近亲繁殖是人才入口建设中的一大难题。因为校友情结、名校情结等而滋生的特殊“血缘关系”在我们的文化中久行成规, 这为一些普通高校毕业生进入航天系统设置了障碍, 虽然名牌大学人才济济, 但是不能说“名校造, 必人才”, 同时, 普通学校也不见得就没有杰出甚至顶级人才的产生, 一个袁隆平和他开创的事业足以让他毕业证上的那颗红印熠熠生辉。所以一个在人才筛选中能够成功避免近亲繁殖的筛选系统才是真正筛选出有免疫力的人才队伍, 确保队伍的创新能力与时俱进。
二、创造一流软环境, 为种子生根提供物质保障
1. 事业留人, 创造人人干事业的工作氛围
事业是人的第二生命。航天事业的神圣和崇高激发了多少学子在大学的志愿上把空格留给了航天相关专业。但不可否认, 任何一项伟大的事业均是由数以百计甚至数以千计的细微、琐碎的岗位结构而成。一艘航天器的九天巡游除了彰显设计师群体的智慧之外, 更多的是航天系统每一个制造、试验、检测等细微而平凡的岗位坚守者们一丝不苟、无怨无悔的人生写照。让每一个活跃在系统内的从业者从内心焕发出崇高的事业心, 哪怕前路险阻, 任由岁月不居, 何惧戈壁险滩, 也要用心血和汗水在青春的纪念册上落惊鸿一笔。
2. 感情留人, 创造人人爱岗位的生活氛围
航天系统广布于祖国大好山河深处, 出于军事安全的考虑, 这深处许是大山深处, 许是戈壁深处, 许是草原深处, 可以肯定的是自然环境多半艰苦不堪, 即便有些离城不远, 也在离自然很近的城边, 自成一格, 相对封闭。常年在一种封闭的系统中规则的运动, 早已没了大漠孤烟直的诗意人生, 更多内心的争斗。何以解忧?唯有亲朋。工作中的同事更兼生活中的亲朋。人之于生活, 除了关于吃穿用度的生存之外, 更多的是精神世界的生活。我们用智力把元素提炼成金属, 锻造着材料, 铸造着元件, 组装成一个个展翅“鲲鹏”, 无数次于万里之外巡看着这个星球。离开这些冰冷的物质, 我们内心同样需要被自己被同事被组织“礼遇”, 大事小情中来自组织的结构性温暖, 是无声处的惊雷, 唤醒的是系统内每一个个体内心的情感基因, 营造的是岗位与人的和谐氛围。
3. 环境留人, 创造人人留恋的中华家园
待遇环境是一个在讲求奉献的环境里比较弱势的语言词汇, 但着改变不了它在任何一项事业推进中人力资源整合中的强势地位。我们用信念凝聚人心, 我们更需要用待遇稳定队伍。诚然, 我们的待遇水平与包括美国在内的一流强国相比, 差距是明显的。这也成为造成大量人才优秀人才在没有进入系统前就已经以留学的方式外流。但也应该看到, 随着国力的持续上升, 这种差距在日益缩小。重要的是树立起待遇留人的工作理念, 只有沿着这条道路不断前行, 必能看到人才回流的那一天。
三、构建一流人才成长机制, 为种子变树提供环境保障
1. 奖惩有度打造人才动态管理机制
奖勤罚懒, 奖惩有度作为铁一样的规律写进了各种各样的管理学教材。问题是, 面对数以千计的细微岗位分工, 对于勤和懒的界定以及奖惩的力度大小的额定几乎成为一个不太可能精确实现的管理难题。即便是一系列的规章制度顺应时代跃然纸上的时候, 依然存在一个监督和评价的问题。为什么在西方能够很好运行的规则, 我们学过来却问题多多呢?归根到底, 文化差异使我们遇到了这样的障碍。西方社会多以规则指导人, 东方社会惯于人指导规则。所以要打造人才的动态管理机制, 首当其冲需要在行业内培育适应时代特色的文化, 这需要持之以恒的不懈追求, 伴随着社会转型期这个文化再造过程的完成而终能有所成就。
2. 以老带青打造人才发展的纵向梯队
航天事业的持续发展, 离开自己培养的后续人才是实现不了的, 精英人才梯队的衔接和培养更是人才战略中需要优先考虑的结构性问题。目前来看, 这种结构性问题日益凸显。改革开放之初, 大批外派的留学人员回到国内, 已经成为今天航天事业发展的中流砥柱。正是这一批批杰出人才的成长, 使得我们的事业让国外同行为之侧目。但是我们也应冷静地看到一些不容乐观的事实, 在基础教育领域, 国内很多知名中学所举办的国际班越来越多的将一大批优秀的孩子通过高考以外的通道输送到美国、欧洲等发达国家的世界顶级名校。通过高考渠道纳入筛选的拔尖人才的数量呈现下降的趋势。这一代绕开高考进入世界一类大学的优秀的孩子在世界观、价值观、人生观尚未定型的年纪就已经离开我们的价值教育体系, 学成以后归国的概率大大降低, 显而易见的是其中的大多数将不可避免的和来自世界各地同样优秀的学生在毕业后第一时间进入包括美国在内的发达国家的战队中, 这让我们人才贮备工作遭遇到前所未有的严峻局面。要改变这种潜在人才外流局面需要我们有勇气在高考改革中开辟出一条绿色通道, 能够吸引这些心系海外的优秀孩子投身国门。只有这种局面的扭转才能确保人才贮备纵向梯队的生命力和领先程度。
3. 评聘分离打造人才成长的软环境
长期以来, 在体制内论资排辈的现象尤其严重。这对青年人的快速成长是一道严重的障碍。人的创造力最旺盛的阶段是非常有限的, 如不能把这段黄金时期用在刀刃上将是一笔巨大的浪费。如何改变这种大家习以为常的惯性规则?值得探讨的就是职称晋升过程中的评聘分离, 评聘分离作为一种灵活的管理机制对于调动人的工作积极性具有很好的提振作用。它能够让僵硬的体制变得柔软有弹性, 激发出惊人的生产力和创造性。同时, 这种温暖的制度安排也更有利于杰出人才的脱颖而出。
四、结语
航天领域 篇8
液化天然气是气田开采出来的天然气, 经过脱水、脱酸性气体和重烃类, 然后压缩、膨胀、液化而成。LNG在常压下的沸点约为-162℃、LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全, 我国为实现能源结构多元化、清洁化, 已经大力发展使用天然气, 而液化天然气的储存运输及应用需要强大的低温系统技术来实现, 尤其是LNG码头接收站的建设。
1 火箭发动机试验低温推进剂供应系统
推进剂供应系统是试验中为发动机提供推进剂的系统及全部设备的总称, 包括液氢供应系统和液氧供应系统, 随着重型运载火箭的开发, 火箭发动机的推力也要求越来越大, 这种大推力发动机的试验使得推进剂供应系统发生了阶跃性变化, 系统设计中解决了液氢贮存的大型贮箱、长距离液氢输送、加注、计量、保温、低温放泄露, 阀门控制及截断等大量的技术难题。
1.1 液氢供应系统组成
由相应的控制设备 (继电器、压力变送器、增压调节装置等) 、阀门、主管道、补偿器、排液、过滤器、流量计、液氢贮箱、排气管道及抽空系统等方面组合而成的就是液氢供应系统。其指挥系统就是按照实验流通把上述的设备通过相应的控制程序来进行, 这样系统就可以组织成可以进行远程控制上的有机整体。
1.2 液氧供应系统组成
液氧供应系统组成与液氢供应系统组成基本相同。系统设计及建设满足液氧的使用要求, 如密封垫禁用玻璃钢, 采用与液氧的强氧化性相适应的材料等。系统建成至今, 已经过若干次试验考验, 工作稳定、可靠。
1.3 推进剂供应系统相关技术
火箭发动机试验推进剂供应系统集成了氢气生产液化、液氢储存、液氢运输、液氢管路输送、液氢低温测量测控、低温节流断流、安全、环保等技术于一身, 其中液氢的贮箱储存及供应技术, 液氢的管路输送技术是比较典型的低温技术应用过程。
由于重型火箭的推力非常大, 因此发动机试验一次需要的液氢是几百到几千立方, 而液氢的产量是有限的, 因此需要提前生产并储存大量的液氢, 试验时在转注到供发动机试验临时装载的大型低温贮箱里, 发动机试验时从这些大型的低温贮箱里用管路直接输送到发动机的推力室。由于发动机入口出对液氢的温度品质很高, 因此液氢在储存时通常采用高真空多层绝热容器, 而且为了计量的准确性, 一般采用立式的圆柱型容器, 校准试验对流量的测量精度相对较高, 而且试验次数相对其它研究性试验较多, 因此将校准试验使用的液氢贮箱设计为一个独立的标定贮箱, 相比于其它贮箱, 提高内筒体椭圆度、直线度的加工精度和内筒体的刚度, 以满足计量需要。标定贮箱内设差压式液位计和分节式液位计, 差压式液位计提供加注和试验过程中的液位测量, 分节式液位计用于稳态流量测量 (涡轮流量计提供瞬态流量) 。试验中需要临时贮存几百方液氢, 为确保试验安全, 根据相应的设计标准配置安全阀和爆破膜串联组合的超压泄放装置, 避免了大口径低温安全阀的微漏问题, 并且采用双路备份。试验时, 从液氢贮箱向发动机供给液氢通常通过气体增压或低温泵输送两种方式确保液氢稳定流动, 采用增压方式的话增压气体流量的稳定是保证发动机泵前压力稳定的基础, 是试验成功的重要保障条件之一, 因此增压技术是非常重要的一项技术, 低温贮箱增压是气态和液态界面环境中, 存在热量和质量交换的一种复杂的物理过程, 包括气体的混合, 气体与液体界面和贮箱壁之间的传热传质, 冷凝膜的形成和流动, 液面向下的移动及液体本身的搅动等。在重型氢氧发动机试验中, 由于推进剂流量的大幅度提高, 给低温贮箱增压系统提出了更严格的要求。在低温贮箱上方设置的增压气体分布器及出口设置防涡流装置使液氢以稳态流场进入主管道。
液氢主管道通径为DN250～DN300, 主管道上设置波纹管补偿器、过滤器等主要设备;液氢主管路采用技术较为成熟的真空多层绝热管, 液氢主管道上所液氢应急阀、断流阀、流量计、温度传感器等低温管路设备及元器件。
总之, 液氢供应系统集成了最先进的低温系统技术。
2 LNG接收站系统技术
2.1 LNG接收站工艺系统[2]
LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 由天然气开采、天然气液化、LNG运输、LNG接收与汽化、天然气外输管线、天然气最终用户六个环节组成, 其中任何一个环节出现问题都将使整个系统停车, 而且必须对上下游环节作出巨额赔偿。因此LNG利用系统各环节的工艺及设备必须安全可靠, LNG站是其中重要环节之一, 要求更为严格。卸料臂现行LNG站工艺大致可分为两种:一种是BOG再冷凝工艺, 另一种是BOG直接压缩工艺。两种工艺并无本质上的区别, 仅在蒸发气体 (BOG) 的处理上有所不同, 现以BOG再冷凝工艺为例介绍LNG站工艺流程, LNG站的简要方框流程见图1。
从流程看LNG站工艺并不复杂, 但其中却包含有许多高科技知识。LNG在常压下的沸点约为-162℃, 而LNG站正是在常压下储存LNG, 因此LNG站在汽化之前的所有设备都是在-162℃的温度下长期低温运行, 这对设备的保冷、材质、防泄漏诸方面要求极高。另外LNG站的储罐容积一般都在10×104 m3以上、直径达70多米, 数量至少2个, 站内储存如此大量的极易汽化、燃烧的LNG, 因此LNG站的安全性极其重要。一旦出现事故不但站内人身安全、财产受到极大威胁, 而且停产将要对上游LNG供应商和下游燃气用户作出巨额赔偿, 因为LNG行业实行的是照付不议合同。
2.2 LNG接收站主要设备及测控系统
LNG站主要设备台数并不算多, 但结构复杂、要求高且大型, 关键设备有LNG储罐、汽化器、LNG泵、LNG各种阀、LNG卸料臂、LNG装车撬等, LNG测控系统主要是需要开发出适用于低温的测控的仪器仪表、传感器等元器件。下面简单介绍几种LNG站设备。
LNG储罐均为双层金属罐, 与LNG接触的内层为含9%Ni低温钢, 外层为碳钢, 中间绝热层为膨胀珍珠岩, 罐底绝热层为泡沫玻璃。
LNG装车撬图2是指将每一个LNG装车鹤位内的仪表和设备集成在一个专用的框架结构内, 仪表和设备包括装车鹤管、流量计、静电报警控制器、压力变送器、装车流量控制阀、紧急切断阀, 装车泵、批量控制器等;LNG装车撬在生产厂家进行仪表及设备安装、电气连接, 完成系统强度和气密测试, 系统功能测试, 记录测试数据, 系统测试合格后方可出厂, 生产厂家出具系统合格证;装车撬到达用户装车现场后, 连接地角螺栓, 连接工艺管线、供电线路和通讯线路后, 经过简单的调试就可以直接投入使用;和控制系统就地组装比较, 可以节省现场设计和现场施工量, 缩短项目工期, 同时提高了装车控制系统品质。
2.3 现阶段LNG接收站所需设备供货
LNG接收站的工艺设备多为低温设备, 由于我国LNG工业处于起步晚, 很多设备国内还没有制造厂, 如LNG卸料臂、LNG储罐、BOG压缩机、LNG输送泵、气化器、工艺海水泵、LNG车系统、低温仪表、低温阀门、低温测控传感器等绝大部分设备目前还是以国外进口为主, 小部分有国内厂家研制, 但是品质与进口产品比还是有不小的差距, 因此很难获得LNG站建设项目的采购订单。
在LNG接收站的建设中, 国内供货的仅限于外围的如电气设备、消防设备、低温非标容器、制氮设备、压缩空气及仪表空气设备、生产及生活水设备、污水处理设备、火炬设施、保冷材料产品等。
2.4 LNG接收站经市场前景及济性分析
LNG不仅是清洁能源, 而且使用方便、高效、安全。特别是近年来大型燃气轮机技术取得了重大突破, 采用燃气轮机与蒸汽轮机联合循环的天然气发电厂, 发电机组热效率突破了汽轮机发电热效率为40%的高限而达56%左右, 使天然气成为最经济的发电能源之一, 东南沿海广东、福建、江苏、浙江和上海五省市是我国经济最发达的地区, 经济的高速增长带来能源需求的不断上升国家资源平衡和运输能力均难以完全满足五省市的需求, 环境容量也要求燃煤再不能在该地区无限制发展。在加快核电建设的同时, 为了实现能源结构多元化、清洁化, 大力发展使用天然气是一条现实可行之路。但东南沿海地区并无大量天然气资源, 近期也不会向广东和福建敷设天然气管线, 因而使得进口LNG成为首选方案。根据市场需求和地域分布, 国家有关部门已在广东、福建和上海三地积极开展LNG的接收与利用前期研究工作待试点获得经验后再全面推广, LNG接收站在我国沿海地区将会大量建设, 因此急需相应的低温系统技术来支持。
LNG的最大用户是发电厂, 当发电厂的进气价格为5美元/百万英热单位时, 电厂的经济效益会怎么样呢?由于燃气蒸汽联合循环发电热效率的不断提高, 在我国东南沿海某一地区同等条件下与其它发电方式相比己具有相当的竞争力。经算:LNG电厂的单位成本为0.35元/kWh (人民币, 下同) 、同一地区规划的燃煤电厂成本为0.25元/k Wh、水电为0.31元/k Wh、油电为0.4元/k Wh、核电为0.44元/k Wh, LNG处于中间水平。
由此可见, 导入LNG不仅可为投资者带来良好的经济效益, 更重要的是改善了环境, 增加了能源供给, 保证了经济持续发展, 提高了居民生活质量。因此发展建设LNG项目意义重大, 市场空间广阔。
3 结语
从前述情况可以看出, LNG利用是一项投资十分巨大、上下游各环节联系十分紧密的链状系统工程, 在我国也还是刚进入初级阶段, 我国经济高速的发展及环保的要求, 使得进口LNG作为清洁能源是解决能源紧张最好的方法, 因此LNG接收站是一个有着很大前景的朝阳产业, 而建设中需要进口解决的的低温系统集成技术及各种低温设备在我国的航天低温推进领域有着深厚的技术及运用基础, 如果把这些技术、设备转化为民用, 航天低温推进供应系统技术将会带来巨大的社会效益。
参考文献
[1]冷力强, 侯宇葵.未来空间技术展望[J].航天器工程, 2007 (1) .
航天领域 篇9
公司现已拥有国家知识产权局批准的自主软件著作权18项，自主专利权17项。分布式自动化测试和智能监控系统已涵盖了卫星、火箭、导弹、雷达、船舶、军工、大学、科研院所等各种测试领域，尤其在卫星地面测试领域拥有很大的市场份额，是参与卫星功能测试最全面的服务商。这些产品已经成功地应用于30多种各类型号卫星的测试任务，为航空航天事业，为军工装备行业的自动化测试技术向标准化、模块化、系列化、通用化等方向的发展作出了重要贡献。
一、LNST-2000系统应用案例
某研究所主要从事卫星通信、无线电遥测、计算机应用、自动化控制、机械设计等项目的研制、开发和生产，在研制和生产过程中要对大量的单机设备和由各种单机设备所构成的系统进行性能指标的测试，比如星载计算机指令测试、测控单元功能测试，静态阻抗测试、误码率测试、常规射频指标测试，还有热真空、高低温、振动等环境试验测试等。在测试中他们遇到的主要问题是：
(1)测试前。需要由测试人员编写详尽和复杂的测试手册，然后由测试人员一步步按照测试手册所规定的内容和步骤对被测单机或系统进行手工测试，浪费了测试人员大量宝贵的时间和精力;即使某些测试可以使用自动化测试设备，其测试方法和步骤也被此专用测试设备固化在程序代码当中，一旦测试方法发生改变，就需要原设备供应商的技术人员进行相应的开发配合，对程序代码进行更改，从而造成诸多不便。
(2)测试中。测试人员要从测试开始一直持续观测操作到测试结束，其间需要测试人员进行大量繁琐的测试设备连接，反复的测试数据读写和记录，大量的时间都耗费在了测试执行上，从而导致测试效率低、测试速度慢。还非常容易出现手工操作、记录和录入错误，并且无法高效的重复使用测试设备，不能实现远程测试，也无法在测试过程中对测试内容和状态进行全程监控。
(3)测试后。每次测试的数据相对独立，无法集中进行分析比对，每次的测试数据不能集中存储，无法实现数据发掘和提升有效数据的知识积累。如图1所示。
在认真调研了用户的现状和问题后，莱诺斯公司提出了使用LNST-2000分布式自动化测试系统来升级和改造客户现有的测试手段(见图2)。应用LNST-2000后，该研究所在测试技术、测试效率、测试覆盖性和测试质量等方面取得了非常显著的提高。比如原来一个需要5天时间才能完成的测试任务，现在只需要3个小时，原来该所一年可以完成500个专项的测试任务，现在可以完成3000～5000个，生产效率提高了近10倍;原来需要100多个具有专业技术能力的测试人员在各个工作台上长时间的测试，现在只需要十几个人员即可，人员成本节约了80%以上，人员的劳动强度下降了90%以上，因此受到了用户极大的好评。
LNST-2000是一套由莱诺斯科技(北京)有限公司完全独有自主知识产权的分布式自动化测试系统，其主要特点是：先进的自动化测试思想, 全新的自动化测试理念，即一个测试平台二个中心;完备的自动化测试系统，解决客户在测试前、测试中和测试后所遇到的几乎所有问题;灵活的自动化测试方案, 涵盖元器件级测试、设备级测试和系统级测试;
二、LNST-2000系统的典型部署结构
LNST-2000系统的典型部署结构见图3，图中集中控制中心、数据服务中心(“存储集群”为数据服务中心的配套存储)构成了系统的核心后台服务环境，通过网络与设计、执行、管理、监视、分析等工作站协同工作;在测试执行过程中，由测试执行工作站对接具体的测试仪器仪表，完成对被测件的激励测量，得出测试结果。
LNST-2000自底层的仪表程控、测试逻辑及流程的设计和执行至顶层的测试管理、测试数据的再挖掘等层面都提供了配套的技术实现。系统为客户在测试前的设计准备、测试中的执行监控和测试后的处理评估提供全方位的技术支持，是一套具有测试设计体系、分布式并行测试执行机制，以及大数据量处理能力的分布式自动化测试系统。
三、LNST-2000软件模块组成
LNST-2000分布式自动化测试平台包括测试前子系统、测试中子系统和测试后子系统;系统还在测前、测中和测后子系统的基础上，提供面向测试全生命周期的测试管理模块，总体协调管理测前、测中和测后三个阶段，与用户的测试管理整体工作进行对接，提供有效的测试知识管理和测试工作信息管理(见图4)。
(1)测试前子系统包括：测试流程设计器模块、测试设备信息服务模块、被测件模型管理模块、测试辅助设计器模块。
(2)测试中子系统包括：测试自动执行模块、测试组态监视模块、测试设备驱动及管理模块。
(3)测试后子系统包括：测试结果处理模块、测试报表报告模块、测试数据分析评估模块。
(4)测试管理包括：测试的知识管理、测试工作信息管理。
四、LNST-2000系统各模块功能
(1)测试流程设计器模块的主要功能。用图形化的方式，将客户传统的文本测试方案填入到图形化的测试设计流程图中, 使客户能够直观的了解测试所需经历的步骤和过程。流程设计器模块提供测试步骤的控制逻辑功能，包括设备调用、条件判读、循环逻辑、交互逻辑、事件响应等功能。
(2)测试辅助设计器模块的主要功能。完成在自动化测试设计里设备及参数规划、测试拓扑结构、组态、报表、采集及报警、配置等辅助功能的设计模块。
(3)测试设备信息服务模块的主要功能。描述客户的设备情况，供设计过程使用，信息包括系统所支持设备的型号、每个型号能提供的指令(包括指令参数和返回值)、每个型号所拥有的属性、系统内实体设备的基本信息(各实体的型号、位置等)等。
(4)被测件模型管理模块的主要功能。从结构、功能、性能的角度描述被测件;结构主要包括所包含的单元构成、外部接口;功能和性能通过被测件指令集、被测件属性集、被测件事件集、被测件自主逻辑来表达，各集合内容里还包括有对应的阈值等性能指标;描述好的被测件可以被有效地组织管理，并与前述流程和辅助设计器对接完成部分自动设计功能。
(5)测试自动执行模块的主要功能。主要包括测试流程的执行，依照流程设计里描述的设备调用、条件判读、循环逻辑、交互逻辑、事件响应等逻辑自动进行测试自动化执行控制，还提供设备选择、启动参数设置、日志及变量查看、数据采集及产生判读报警事件等相关功能。
(6)测试组态监视模块的主要功能。完成测试过程的监视，以图形监视界面的方式，便于用户更直观地了解测试全过程。
(7)测试设备驱动及管理模块的主要功能。测试设备驱动响应自动化执行模块的指令调度，调用设备的指令，并将指令的结果返回给执行机构，从而完成自动测试执行;在执行过程中，还可完成设备基本参数的采集，供判读报警和组态监控用;设备管理主要提供设备的安装、卸载、启动、停止、配置等功能。
(8)测试结果处理模块的主要功能。提供测试数据的二次分析处理功能，可进行趋势、极值等数据的分析。
(9)测试报表报告模块的主要功能。从测试过程数据中生成测试报告。测试报告，以Excel、Word为模板，让用户能够最大限度地与现有的工作环境融合，利用Excel、Word文件导入设计器后，将测试数据提取到报表里，以Excel或Word文件的样式予以呈现。
(10)测试数据分析评估模块的主要功能。提供测试任务数据分析的模型工具，用户可依据这些模型工具进行测试业务评估。
(11)测试的知识管理模块。主要提供对各类型测试经验知识电子文件进行管理维护，供测试前中后各阶段工具加载使用，知识库包括测试方法库、测试拓扑结构库、组态图元库、判读报警算法库、编解码算法库、被测件模型库、数据分析模型库等几类。