宇航学报 | 张海联:载人月球探测整体性能提升总体技术

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载人月球探测学报·大家说宇航学报重磅文章解读系列



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张海联

中国载人航天工程办公室正高级工程师，主要研究方向为载人月球探测任务分析与总体设计，载人航天任务规划与系统仿真，逃逸与应急救生等。

研究背景和目的

进入新世纪，随着新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，世界主要国家利用开发太空、探索未知、到达更远目标的渴望愈加强烈，世界航天领域掀起了新一轮载人月球探测的热潮。然而，与近地飞行任务不同，载人月球探测任务对运载火箭要求更高，需要数千吨运载火箭起飞规模才能将航天员和少量载荷送达月面，实现高效探测难度很大。此外，载人月球探测任务飞行阶段多，需要庞大、复杂的系统参与，设计约束更多，优化难度更高，仅优化一个目标可能引起其他目标性能降低。因此，有必要从系统层面进行总体考虑，从而提升载人月球探测任务的整体性能。


载人月球探测飞行方案

“载人月球探测整体性能提升总体技术”一文分析了载人月球探测整体性能表征指标，系统梳理影响系统优化的总体要素，研究提出了提升任务整体性能的总体设计方法，并介绍了近些年来在载人月球探测工程中的实践探索，提出了未来发展方向。该文发表于《宇航学报》2023年第9期。


引用本文
张海联. 载人月球探测整体性能提升总体技术[J]. 宇航学报, 2023, 44(9): 1267-1279.

ZHANG Hailian. Systems engineering technology for overall performance improvement of manned lunar exploration[J]. Journal of Astronautics, 2023, 44(9): 1267-1279.



研究方法

面向整体性能提升的总体技术

载人月球探测总体指标受运载火箭、飞船、月面着陆器的技术水平影响很大，也与任务总体设计方法密切相关。以提升载人月球探测任务整体性能为目标，在总体层面开展设计理念、设计方法、模型优化和数据修正的系统分析，具体研究方法包括：
1
以极限偏差或故障发生概率为输入，开展基于PRA的载人月球探测风险分析、速度增量设计、故障对策设计和安全系数设计
2
采用综合集成、整体优化的思路，开展船-器-箭轨道一体化、船箭动特性一体化、电气系统一体化、故障情况下的任务重规划设计
3
以数字模型为基础，开展载人飞行器多学科系统仿真、结构优化、飞行器功率动态平衡设计，实现模型驱动的创新设计
4
以实测数据为输入，进行模型修正，实现多机并联热环境精细化预示和载荷优化设计

主要创新点

1

提出了基于概率的载人月球探测总体设计方法，通过评估极限偏差或故障发生概率制定相应措施，在保证可靠性、安全性的前提下，避免极小概率事件成为影响总体性能指标的决定因素，降低了飞行器额外资源代价。

2

提出了船-器-箭一体化设计方法，打破了系统界面，解决了系统间余量重复留取和余量过大的问题，提高了系统综合集成性能，实现系统间均衡协调优化。

3

采用MBSE方法建立系统模型和产品模型，通过精细化数字仿真提升产品性能，优化总体参数。

4

针对具体飞行产品，利用地面实测数据、外部环境实测数据、其他型号飞行数据等修正设计参数，减小参数偏差，实现能力提升。

前景与应用

载人月球探测研制过程中，为提升任务整体性能指标进行了大量探索实践。通过实践总结得到的方法，为提升载人月球探测任务整体性能、发挥探测效益提供了支持，对于其他复杂系统总体优化设计也具有一定借鉴价值。

作者：张海联

责任编辑：秦子睿

审核：郭筱曦

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《宇航学报》 2023 年第 9 期上线