航天科技論文
一個國家經濟、科技、軍事、文化發達與否的重要標誌：航天技術。小編為大家整理的，希望你們喜歡。
篇一
淺談航天系統工程管理
摘要航天型號的研究、設計、試驗、生產是一組複雜的組織管理過程，本文從工程管理角度闡述了航天系統工程的管理特點和發展方向。
關鍵詞 航天系統 工程管理
中圖分類號：K826.16 文獻標識碼：A 文章編號：
前言航天系統是由航天器、航天運輸系統、航天器發射設施、航天測控系統、使用者裝置***系統***以及其他保障裝置組成的完成特定航天任務的工程系統。航天系統的特點是規模龐大、技術複雜、質量可靠性要求高、耗資大、研製週期長、社會和經濟效益顯著。一些典型的航天系統,如中國神舟十號飛船、美國太空梭工程等都是現代典型的大工程系統。
如今，航天的作用已經遠遠超出科學技術領域，對國家和國際的政治、經濟、軍事與社會生活都產生廣泛而深遠的影響。因此，為了適應航天技術的發展，航天工程管理必須上水平，真正成為航天發展的助推劑，而不是絆腳石。
所謂工程管理，就是要確保在時間***進度***、成本***經費***、質量***效能***三項限制條件下，實現工程目標。工程管理是一種特別適用於那些重大、關係複雜、時間緊迫、資源有限的一次性任務的管理方法。工程管理水平的高低同樣制約著航天發展的速度和質量。
一、國外航天工程管理髮展
國外航天型號工程管理始於20世紀40年代的“網路計劃技術”。例如“曼哈頓”計劃，它使美國於1944年5月研製成功了世界第一顆***。1957年美國海軍為追趕前蘇聯導彈的優勢而開展了“北極星”導彈計劃，他們採用了PERT***計劃協調技術***方法管理該工程，即以時間為基礎使整個研製過程形象地顯示出來，條理分明，目標明確，能集中力量搞好關鍵路線。同時，在研製過程中，還採用數理統計的方法和先進的計算機手段，從大量非肯定的環節中找出帶有普遍性的規律，及時地修改計劃，合理安排人力和物力，節省了成本、提高了研製效率，使“北極星”導彈研製計劃週期縮短了20%～25%，併為航天工程管理提供了系統工程方法。20世紀70年代，蘭德公司等機構又研究出網路評審技術***GERT***，它在“阿波羅”計劃中成功地用於分析宇宙飛船及其發展過程，取得很大成效。此後，這種“網路計劃技術”被廣泛應用於航空航天、核工業、電子、建築等行業。經過50多年來的應用與研究，航天工程管理得到了長足的發展。
二、我國航天工程管理現狀和特點
中國航天系統產品是指火箭，衛星，載人飛船，導彈等，也稱為航天型號。該系統產品是由系統工程從需求出發，綜合多種專業技術，通過分析、綜合、試驗和評價等反覆改進而獲得的。一個航天型號的研究、設計、試驗、生產是一個複雜的組織管理過程，必須考慮到從概念研究到部署使用全壽命週期活動的目標和要求;必須綜合利用多種學科和專業技術，包括已有和必須事先攻關的前沿技術;必須按計劃組織成千上萬名科研人員和管理人員在幾年甚至十幾年的研製過程中協同工作;必須保持在整個研製過程中技術、經費和進度等的協調進展。通過反覆實踐和摸索，中國航天工程得出一個結論，系統工程方法是組織管理這些航天型號系統研製工作的唯一選擇。
我國航天型號研製應用工程管理方法是從20世紀60年代初開始的。華羅庚教授將這種觀念在中國普及推廣，稱作統籌方法***現在通常稱為“網路計劃技術”***。然而，過去我們對工程管理的應用，僅僅是將PERT***計劃協調技術***或CPM***關鍵線路法***技術應用到航天型號工程的研製計劃制定過程中，並沒有按工程的特點，建立工程組織，對型號工程實行工程管理，也沒有應用工程管理的技術來計劃、控制型號研製任務的進度、質量及成本。這使得我國航天型號工程任務在管理上與發達國家的航天企業有了一定差距。
在國外對系統工程討論和實踐的同時，中國航天科技工業通過研製、管理等實踐同樣獲得了對這種系統方法的認識。從早期自主設計的型號開始，中國航天的科技和管理人員就在進行著系統工程方法的探索和研究，並總結了一套具有中國特色、符合科學規律的工作規範，為中國航天系統工程方法的發展奠定了基礎。1978年錢學森在文匯報上發表的文章《組織管理的技術-系統工程》，錢學森認為，研製這樣一個複雜系統所面臨的問題是：“怎樣把比較籠統的初始研製要求逐步地變為成千上萬個研製任務參加者的具體工作，以及怎樣把這些工作最終綜合成為一個技術上合理、經濟上合算、研製週期短、能協調運轉的實際系統，並使這個系統成為它所從屬的更大系統的有效組成部分。”這是對中國航天建立和發展時期系統工程實踐的總結和理論上的昇華。
為了適應航天系統工程的特點而形成的我國航天系統工程方法，它具有以下主要特點：
1. 建立總設計師制度和總體設計機構對航天系統進行系統設計和管理。航天系統和組成它的各大系統通常都設有總設計師和總體設計機構──總體設計部。總體設計部是按航天系統總體要求組織起來的科學家、工程師的常設集體，是工程系統的總體論證和設計機構，其基本任務是從使用者任務的需求和上層的系統要求出發，在預算、進度和其他限制條件下，設計一個整體效能優化的系統。總體的系統工程工作，面對高水平的使用或技術要求，各種限制條件甚至苛刻的使用環境，參差不齊的技術基礎，複雜的介面關係，利用原有的經驗，發揮聰明才智，最終產生滿足要求、整體效能優化的系統，實現的是整體功能優於各分系統功能之和，即“1+1〉2”。它既是航天系統研製的參與者，又是研製活動的組織管理者，是其他單位或機構所不能代替的。
2. 利用管理資訊系統對航天系統進行科學的系統管理。航天管理資訊系統是在50年代已有資訊系統基礎上發展起來的，在60年代由電子計算機管理的高度自動化的航天工程管理資訊系統達到了相當完善的程度，成為一種整體化管理資訊系統，同時指揮著成千上萬人的活動。
3. 採用系統模擬技術對航天系統進行系統分析和評價。從航天系統的初始概念設計到系統研製和使用，不同形式的模擬得到了廣泛應用，以實現事前的工程分析、可靠性分析和技術經濟綜合評價等。
4. 航天系統工程的質量體系和制度不斷健全。中國航天系統工程始終將可靠性和安全性放在重要位置，始終堅持質量第一的方針。系統質量觀念不僅侷限於型號產品的質量，它是把滿足國家要求和使用者需求作為質量目標，將研製質量、產品質量和服務質量融為一體。經過多年的發展，在總結經驗和教訓的基礎上，中國航天工程的系統質量觀念和制度得到了不斷的加強和完善，形成了一套有中國航天特色的質量管理制度和方法，有力地保障了中國航天事業的順利發展。
現在，隨著技術和管理人員知識結構的變化、現代資訊科技的發展、先進管理方法的出現，在航天型號管理中，我們既要總結繼承以往40多年的有效經驗，又要藉助現代工程管理的理論和方法，進一步完善對航天型號任務的組織和管理。這個過程中，創新意識和創新精神是必不可少的。
航天技術創新對於航天的發展至關重要，如航天工程的大型試驗費用巨大，這也是在現有技術條件下，為滿足工程的可靠性和安全性而必須進行的。若目前計算模擬分析技術能夠突破現有的技術瓶頸，計算模擬模擬的精度足以替代各種大型試驗，那麼航天工程的經濟成本和時間成本會大大降低，航天工程給我們帶來的費效比會更大，這是顯性的進步。同時，航天工程管理方法的創新和實踐，同樣會給航天工程的成本、質量、進度帶來隱性的進步，往往隱性的進步用一些物理量或指標轉換一下，其效果或結果並不低於顯性的進步，國外很多案例無不印證了這一隱形成本的價值。
綜合上述，中國航天工程管理應堅持從系統工程的角度出發，繼續總結和發揚過去的寶貴經驗和傳統，從技術和管理兩個方面著手，創新滿足現實高可靠、長壽命等要求的技術和高效、先進的管理方法，走出一條有中國特色航天之路。
結語
今天中國的航天技術發展舉世矚目，中國已從航天大國的行列大踏步向航天強國跨越。同時，國民經濟建設、科技進步和國家安全對航天型號在技術水平上、質量上、數量上也提出了更高的要求。為了保持航天的持續發展，有必要進一步完善和改進管理方法，以提高工作效率，縮短研製週期、合理利用資源，降低研製成本、滿足效能指標，確保產品質量，早日實現中華民族的航天夢。
篇二
航空航天熱防護技術發展概述
摘要:本文簡要介紹航空航天領域熱防護技術的發展概況，重點介紹碳/碳複合材料、多孔纖維陶瓷材料、陶瓷基複合材料、熱塗層技術、隔熱材料、輕質燒蝕材料等，並對熱防護技術的發展趨勢作簡要評述。
關鍵詞:熱防護技術; 碳泡沫材料; 多孔纖維陶瓷; 陶瓷基複合材料;熱障塗層 ;隔熱材料; 輕質燒蝕材料
前言
在航空航天領域，航天飛行器以高馬赫數穿越稠密大氣層飛行，飛行器表面會產生嚴重的氣動加熱，容易產生熱損傷。因此熱防護技術是航空航天領域至關重要的關鍵技術之一。
在航空航天領域，熱防護主要採用防隔熱材料的方式。下面簡要介紹目前比較前沿的幾種防隔熱材料，輕質燒蝕材料、碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、無機纖維隔熱材料等的發展現狀與應用。
1熱防護材料發展概況
燒蝕類熱防護材料發張歷史較長，應用較廣泛，如以纖維為增強填充材料的纖維增強酚醛材料和以酚醛樹脂為粘合劑的熱防護複合材料。目前應用最廣泛的是纖維增強酚醛材料[1]。傳統的燒蝕熱防護是以犧牲熱防護材料質量來換取防熱的效果，無法應對當今航天器外形不變的要求，於是提出了非燒蝕材料的概念。非燒蝕材料是一種可以重複利用的新型熱防護材料。對於該種材料來說，提高極限使用溫度和高溫效能、提高表明抗輻射、抗氧化能力、防隔熱一體化和能量疏導耗散機制的結合是目前研究的熱點和重點[2]。
因此下面將先簡單介紹一下輕質燒蝕材料，然後重點介紹幾種非熱燒蝕材料，如碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、無機纖維隔熱材料以及熱塗層技術。
2 輕質燒蝕材料[3]
2.1 基體材料。基體是燒蝕材料的主要組成部分,不僅能將材料中的各種組分結合成型，其效能好壞還直接影響整體結構效能。輕質燒蝕材料的基體材料一般包括彈性體和樹脂基體兩大類。
彈性體基體主要是各種橡膠及其混合物。矽橡膠具有延展率高、耐燒蝕和抗高溫燃氣沖刷的效能優點。但是，矽橡膠有密度較高、機械強度低和介面粘性差等缺點，因此應用受到一定限制。為此，研究人員對矽橡膠進行了大量的改性研究，其中改性的發展方向之一是共混改性,使燒蝕後碳層更加緻密、堅固，提高了燒蝕效能。
樹脂基體燒蝕材料一般具有高芳基化、高分子質量、高C/O比、高交聯密度，高殘碳率等特點，是一類效能優異的燒蝕材料。目前較為成熟的樹脂基體主要有矽樹脂、酚醛樹脂以及新型的聚芳基乙炔樹脂等。
2.2 填料。作為燒蝕材料另一重要組成部分，填料主要起著提高燒蝕材料的機械效能、降低絕熱層的導熱係數、提高隔熱效率、增強碳化層耐高溫燃氣沖刷效能和降低燒蝕率等作用。
3碳泡沫材料
碳泡沫主要有兩種形態：一種是韌帶網路型泡沫，另一種是微球型碳泡沫。
3.1韌帶網路型泡沫。韌帶網路型碳泡沫是一種石墨增強韌帶網路型泡沫材料。該泡沫以瀝青或聚合物等作為先驅體,通過石墨化和高溫炭化處理,將無定形碳轉化為多孔石墨韌帶微結構,形成網狀泡沫韌帶,其效能與結構優於現有的碳/碳複合材料[1]。該種碳泡沫材料具有以下特點：一是泡沫和韌帶是任意排列於三維空間，因此具有各向同性的力學效能;二是韌帶具有纖維結構的效能特徵。並且這種碳泡沫材料的熱導率大約是銅的6倍，是一種良好的導熱泡沫材料。
3.2微球型碳泡沫。 空心碳微球泡沫是以高殘碳樹脂或中間相瀝青為先驅體，先製成幾何尺寸為微米的奈米級的空心微球，再用適當的樹脂作粘合劑將其注模成型，在氮氣和氬氣的氣氛中經1100―2400℃的碳化和石墨化，得到空心微球結構的碳泡沫，當將其從室溫高速加熱到3100℃時，這種材料仍然具有良好的力學效能，導熱率較低，且由於微球大多是開孔的，力學效能欠佳。但用甲階酚醛樹脂為原型，通過微膠囊法先製備出酚醛樹脂空心微球，注模成型，再經過碳化和石墨化處理，所製得的碳泡沫材料中的微球均是閉孔的，隔熱效能和力學效能更為理想。
4多孔纖維陶瓷
多孔陶瓷具有化學性質穩定、比表面積大、耐熱能力強、密度較低、剛度高、熱導率低等優點,並且在力學、化學、熱學、光學、電學等方面具有獨特的效能,目前在分離過濾、換熱、載體、蓄熱、吸聲隔音、隔熱、曝氣、電極、感測器、生物植入等諸多方面都有著廣泛的應用。在航空航天領域也不例外,如熱防護系統中應用多孔陶瓷熱障材料,在飛行器外殼隔熱、發汗冷卻構件、燃氣輪機高溫合金部件表面熱防護等方面,可起到低金屬表面溫度、提高燃氣工作溫度、改善燃氣效率、延長熱端部件使用壽命的重要作用。
多孔纖維陶瓷具有各向異性的導熱效能，有很多應用。作為熱防護材料的陶瓷熱障，因其導熱的各向異性，在厚度方向上熱導率較小，在垂直於厚度方向上的熱導率較大，能夠起到隔熱和均布表面溫度的效果,根據文獻[4]中的計算和實驗表明，多孔纖維陶瓷材料在一個方向的熱導率是另一個方向的3倍左右，因此在厚度方向可以有效隔熱的同時，還可以在表面方向上均布溫度場，能非常有效的防止區域性高溫的出現。
5 陶瓷基複合材料
陶瓷基複合材料是在陶瓷集體中引入第二相材料所構成的的多相複合材料。在陶瓷中加入纖維能大幅度提高材料的強度、改善陶瓷材料脆的缺點，並提高使用溫度。因此陶瓷基複合材料不僅具有陶瓷耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕的優點，同時由於纖維的引入，時其具有類似金屬的斷裂行為，對裂紋不敏感，克服一般陶瓷材料脆性大、可靠性差的致命弱點[5]。
克服陶瓷脆性的方法主要包括連續纖維增韌、想變增韌、微裂紋增韌以及晶須晶片增韌等。其中連續纖維增韌碳化矽基複合材料是目前最受關注的陶瓷基複合材料。
連續纖維增強陶瓷基複合材料具有高比強、高比模、高可靠性、耐高溫等優點，已經成為軍事、航天、能源等領域理想的高溫結構材料。主要應用於發動機燃燒室、喉襯、噴管等熱結構件以及飛行器機翼前緣、控制面、機身迎風面、鼻錐等防熱構件。
6 無機纖維隔熱材料
隔熱材料分為剛性隔熱材料和柔性隔熱材料，其中剛性隔熱材料的研究已經基本成熟，這裡主要介紹柔性隔熱材料。
近幾年比較受關注的新型隔熱材料有：奈米隔熱材料和功能梯度材料。
奈米隔熱材料由於其獨特的微結構特徵賦予了材料極其優異的隔熱效能 。 艾姆斯研究中心、馬賽爾空間飛行中心和肯尼迪空間中心分別開展了納米隔熱材料的研究工作。在1999年時奈米隔熱材料的研究就已經達到了相當成熟的階段。 在實用化方面，奈米隔熱材料已經成功應用於火星探測器的個別溫度敏感部件及星雲捕獲器上。此外德國、瑞典、以色列、日本等國也開展了新型奈米隔熱材料的研究工作。目前已經報道的常溫常壓下奈米隔熱材料最低的熱導率為0.013 W/ ***m・k***，比靜止空氣的低一半。有資料報道的奈米隔熱材料的使用溫度一般都小於500 ℃，機械強度比較差。進一步提高奈米隔熱材料的使用溫度及其它綜合性能將是今後研究工作的重點。
功能梯度材料的是由日本學者平井敏雄等在20世紀80年代首先提出的,他們最初打算將該材料應用於太空梭的熱防護系統和發動機的熱端部件。功能梯度材料一種其構成材料的要素組成和結構沿厚度方向由一側向另一側呈連續變化,從而使材料的效能也呈梯度變化的新型材料。功能梯度材料在解決航空航天材料耐熱性、長壽命、隔熱性和強韌性等特性時顯示了十分巨大的應用潛力。在導熱係數達到設計要求的前提下，它能克服多層熱防護材料之間的層間缺陷和小塊材料之間連線困難的不足。這應該是會成為未來航空航天熱防護系統新一代的隔熱材料。
7 熱障塗層技術
當今航空發動機的主要發展方向之一是提高發動機渦輪前進口溫度，以此來提高發動機的熱效率。但隨著渦輪前進口溫度的提高，發動機熱端部件所經受的燃氣溫度和燃氣壓力不斷提高。從上世紀40年代到上世紀末，航空發動機的工作溫度快速上升，燃氣溫度已超過 1650 ℃。預計很快將達到1930℃。這樣高的溫度已經大大超過現有合金的極限工作溫度，因此，必須採用相應的措施。
一方面，可以向上面提到的一樣繼續研製新型高溫材料，提高高溫合金的耐熱效能;另一方面，採用先進的冷卻技術，如葉片冷卻氣膜設計及製造工藝的改進。在過去的50多年中，隔熱材料對提高發動機工作溫度已經做出了很大貢獻。但是在當前使用的發動機的工作溫度下，燃氣溫度已超過鎳基合金的熔點，基體材料本身以及發動機結構設計的改進使高溫合金甚至單晶高溫合金幾乎已達到其耐熱極限，因此要想通過合金材料大幅度提高熱端部件、尤其是葉片的工作溫度已經極端困難。70 年代先進氣膜冷卻技術也因為高效能發動機的發展，發動機中可用冷氣流量越來越少，依靠氣膜冷卻技術進一步提高降溫效果已沒有太大的空間。在這種情況下，為了滿足先進航空發動機對材料更苛刻的效能要求，熱障塗層技術得到了廣泛的應用和發展。
熱障塗層是有導熱性較差的陶瓷氧化物和起粘性作用的底層組成的防熱系統，可以明顯降低基體溫度，具有硬度高、高化學穩定性等優點，能夠防止高溫腐蝕、延長熱端部件的使用壽命，提高發動機功率和減少燃油消耗。
熱障塗層的製備技術主要有：常規等離子噴塗、高能等離子噴塗、低壓等離子噴塗、電子束物理氣相沉積等[6]。
目前，已獲實際工程應用的雙層結構熱障塗層的材料體系主要由4個材料基元組成：高溫合金基體、陶瓷層、基體與塗層間的金屬粘結層及在陶瓷塗層與過渡層之間形成的熱生長氧化層***以氧化鋁為主要物質成分***。其中，合金基體主要承受機械載荷;陶瓷塗層是隔熱材料;粘結層在塗層受熱和冷卻過程中能緩解基體與陶瓷層的熱不匹配。在熱迴圈載荷作用下，各材料基元間遵循動力學原理相互作用，以動態平衡方式控制整體材料的熱力學效能和使用壽命。
8結束語
在航空航天領域，熱防護是重要研究課題之一，隨著新一代航天器的研發，對熱防護提出了越來越高的要求。在研究傳統防熱材料的同時，許多新型材料相繼被人們關注。上面提到的碳泡沫材料、多孔纖維陶瓷、陶瓷基複合材料、隔熱材料、輕質燒蝕材料都是非常有前景的防熱材料，在未來的航空航天領域中將繼續發揮越來越大的作用。同時，冷卻和熱塗層技術也將會不斷完善已面對新的要求。
參考文獻
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