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哈尔滨工业大学空间碎片撞击在轨感知技术成功应用于天和核心舱 准确定位保护航天员在轨安全
2021-06-25 09:19
哈尔滨工业大学
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  4月29日11时23分,中国空间站天和核心舱成功发射;6月17日9时22分,搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射;6月17日18时48分,航天员聂海胜、刘伯明、汤洪波先后进入天和核心舱,标志着天和核心舱正式开始载人飞行。哈尔滨工业大学航天学院庞宝君教授团队开发的空间碎片撞击在轨感知技术在天和核心舱得到成功应用,该技术可在舱体遭到空间碎片撞击时,为航天员和地面控制人员及时采取应对措施提供依据,保护航天员安全。

  空间站天和核心舱是我国目前研制的最大航天器,计划在轨运行时间长达15年,遭受空间碎片撞击(速度高达每秒数千米)的概率相对较高,运行安全受到威胁。舱内有航天员长期驻留,其安全性更需要得到保障。天和核心舱除了采取主动规避与被动防护等措施,中国航天科技集团五院总体设计部作为总体单位,联合哈尔滨工业大学和航天五院513所,还在结构健康监测子系统中为其量身打造了空间碎片撞击监测模块。该模块基于数据驱动的传感器网络,能够对撞击事件进行实时感知、判别并定位,庞宝君教授团队负责开发的算法在模块中得到应用。

  为了完成天和核心舱结构健康监测子系统研制任务,哈尔滨工业大学与航天五院总体设计部、513所通力协作,联合攻关。哈尔滨工业大学研究团队历时7年,进行了百余次小尺寸试件及近两百次大尺寸舱壁结构件超高速撞击试验,开发并优化感知识别算法,确定感知识别关键参数。团队成员数十次往返航天院所和各试验基地,开展各阶段舱体结构撞击定位算法开发及验证试验,获得数万组数据,完成了样本库建立及定位算法优化,突破了大型复杂几何体结构撞击的快速定位、多舱段组合体模糊区域撞击的判别、复杂舱壁结构中撞击声发射信号的参数识别等关键技术,最终成功实现空间碎片撞击在轨感知技术的工程应用。该技术还将应用于空间站问天和梦天实验舱。

  据了解,庞宝君教授带领的空间碎片高速撞击研究中心,始终坚持为中国航天做科研的初心,精准预测我国载人航天发展过程中大型、长寿命、高可靠载人航天器对于实时感知空间碎片撞击的需求,提前谋划,早在2004年就在国内率先提出并开展基于声发射的空间碎片撞击在轨感知技术研究。多年来,在国防科工局和学校的大力支持下,庞宝君教授团队集智创新、持续攻坚,围绕超高速撞击判别、定位及结构损伤识别,建立了超高速撞击等效力源模型,解决了超高速撞击声发射信号的产生机制、传播特性、异型结构处的模态转换和散射等基础科学问题,突破了空间噪声环境下超高速撞击信号特征提取和识别、碎片云多点源撞击精确定位、碎片云撞击点蚀损伤可视化诊断等关键技术,开发了对复杂结构、复合材料撞击具有一定普适性的双自动阈值到达时刻获取、虚拟波阵面定位和快速区域定位、损伤模式人工智能识别等方法。通过技术集成,团队研制了空间碎片撞击在轨感知系统原理样机,得到工程部门认可,为本次在天和核心舱上的工程应用奠定了技术基础。

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