宇航电子产品

宇航电子产品（精选七篇）

宇航电子产品 篇1

电磁继电器是利用输入电路内电流(电压)在电磁铁铁芯与衔铁间产生的吸引力作用而工作的一种继电器。电磁继电器一般体积小,重量轻,触电的接触电阻不大于30mΩ,而绝缘电阻可达到500MΩ以上,即使触点负载达到几十安培,触点的热功耗仍然很小,因此在航天领域的应用十分广泛。随着航天技术的快速发展,宇航电子产品上使用的电磁继电器种类和数量也越来越多。

2电磁继电器的种类及选型

2.1电磁继电器的种类

电磁继电器是指在输入电路内电流作用下,由机械部件的相对运动产生预定响应的一种继电器。电磁继电器主要包括:

(1)直流继电器(控制电流为直流);

(2)交流继电器(控制电流为交流);

(3)磁保持继电器(在线圈去除激励后仍能保持在线圈通电时的状态,是一种双稳态继电器,具有两个激励线圈来保持两个稳定状态);

(4)极化继电器(状态改变取决于输入激励量极性);

(5)舌簧继电器(通过具有触点簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧的动作来转换线路等)。

2.2电磁继电器的主要技术指标

电磁继电器的主要技术指标包括:

2.2.1线圈电压

(1)额定值:继电器标称动作电压,同一型号继电器一般会有不同规格满足不同激励电压的需求;

(2)最大值:继电器所能承受电压的最大值;

(3)动作电压最大值:激励电压大于该值能确保继电器动作;

(4)释放电压最小值:激励电压小于该值能确保继电器释放。

2.2.2触点形式

(1)动合触点(H):触点初始状态为断开,继电器被激励后触点闭合;

(2)动断触点(D):触点初始状态为闭合,继电器被激励后触点断开;

(3)转换触点(Z):存在动触点、常开触点、常闭触点三组触点,继电器被激励后,动触点与常闭触点断开,与常开触点接通。

2.2.3触点负载

高电平和低电平状态下的负载电流/负载电压,触点额定电流>5A的继电器一般没有低电平指标,这些继电器则不能用来切换低电平。

2.2.4时间参数

(1)动作时间:从激励电压加到继电器线包到触点可靠吸和的时间差;

(2)释放时间:从继电器线包上的激励电压断开到触点释放的时间差。

2.2.5寿命

触点动作寿命,以次为单位。

2.2.6其他参数

接触电阻、绝缘电阻、尺寸、安装方式、重量、环境条件等。

2.3电磁继电器的选型

电磁继电器的种类很多,不同应用场合和设计方案对电磁继电器的技术指标和安装方式的需求也有所差异,因此电磁继电器的选型就显得尤为重要。

2.3.1电磁继电器的触点容量和触点数选择

电磁继电器选择应根据实际应用场合的最大触点容量和最多触点数进行选择,并根据GJB/Z35的要求进行降额设计。需要说明的是,触点的并联使用只能增加指令控制的可靠性和安全性,并不能通过触点并联的方式来实现负载分流,否则动作灵敏度高的触点将因承受过流而造成损伤,影响触点切换的可靠性,甚至因过大电流而出现烧蚀现象。

2.3.2电磁继电器的安装方式选择

电磁继电器选择应根据整机设计方案合理选择安装方式,在振动环境恶劣、整机无减振措施或者减振不充分的场合,建议优先采用水平平板安装式、垂直安装式或螺母安装,通过支耳固定和结构强度保证继电器的振动量级符合使用要求。对于整机减振良好,电磁继电器触点容量小的场合可采用印制板安装方式。

2.3.3电磁继电器的使用环境条件选择

部分电磁继电器存在不同质量等级选择,不同质量等级的使用环境条件不同,在设计选用时,电磁继电器的选型应根据实际使用环境进行选择,并就重要环境条件进行降额选择。电磁继电器的环境条件主要集中在环境等级、环境温度、相对湿度、低气压、振动、冲击、加速度和随机振动量级上,设计师应根据单机的总技术条件就以上环境条件进行选择,并在必要时进行力学仿真分析,对继电器进行振动响应的摸底试验。

3宇航电子产品电磁继电器的应用注意事项

电磁继电器在宇航电子产品中具有广泛的应用,电磁继电器通过激励线圈控制触点的打开和闭合来实现对电子元器件工作状态的控制。电磁继电器相对于其他控制元器件结构复杂,不但有电路、磁路,而且还具有可活动的机械簧片部组件,因此电磁继电器的可靠性相对较低,易受震动环境和电磁环境的影响,设计时在选用电磁继电器的同时必须考虑这些客观因素的存在。宇航电子产品用电磁继电器通常对电磁继电器的可靠性要求非常高,因此电磁继电器控制电路必须根据设计输入充分考虑可靠性设计。

3.1电磁继电器的降额设计

电磁继电器在实际使用过程中应根据负载属性和负载电流对电磁继电器的触点容量进行合适选择并进行降额设计,继电器厂家的器件资料中的触点容量为阻性负载容量,不同的应用场合(感性负载、电机负载或容性负载)应根据GJB/Z 35的要求进行相应的换算。电磁继电器的触点容量不应进行过度降额。继电器触点的接触电阻与触点负载电流有关,在触点断开电源时有轻微的拉弧现象,拉弧能保证触点表面不被氧化,保证可靠导通。为了保证触点可靠接触,触点电流一般不应小于毫安级。因此在进行继电器电路设计时应确定继电器的应用场合和负载电流,合理进行降额设计。

电磁继电器的降额设计不能对线圈激励电压进行降额,电磁继电器的线圈激励电压必须严格按照继电器的使用手册中的工作电压进行使用。举例而言,某型电磁继电器的额定线圈工作电压为28±3V,表明线圈的最低激励驱动电压为25V,只有驱动电压达到25V以上才能达到线圈的磁饱和,从而产生最大的矫顽力,使继电器触点可靠动作;当线圈的激励电压达到31V时,表示激励电压再增大也不会增加线圈的吸合力,此时再增加工作电压不仅没有任何必要,还会使线圈上的功耗增加,使线圈发热,影响继电器的使用寿命。因此激励电压过高或者过低都将影响电磁继电器的使用寿命,从而降低电磁继电器电路的可靠性。

3.2电磁继电器的抗振设计

电磁继电器的簧片均为悬梁系统,固有频率较低,整机在较低频率下振动时继电器的机械结构会发生共振,周期性的共振会导致继电器机械结构损坏,长时间的共振更会改变继电器的机械结构,降低继电器的可靠性。因此在进行电磁继电器设计时,应充分考虑电磁继电器的抗振设计,采用整机级、部套级或者板级的减振设计,合理选择电磁继电器的安装方式,最大程度提高继电器的可靠性。

3.3电磁继电器的瞬态抑制设计

电磁继电器的电磁系统是由一个或者多个线圈、磁轭、衔铁组成的,其分布电感、电容较大,当线圈的电流突然切断时,线圈周围的磁场突然消失,线圈上会产生具有陡峭波的数百伏乃至上千伏的瞬态反向电动势。该电动势会作用到线圈激励电压回路中,会对其他电子器件产生不良影响。为了将瞬态电动势抑制在一个可以接受的水平,降低对其他电子电路的影响,在电磁继电器设计上应增加瞬态抑制电路。常见的瞬态抑制电路有以下三种方式:

图1中a类反向二极管抑制措施能最大程度抑制瞬态电动势,瞬态电压为二极管的正向导通压降,但由于瞬态电动势完全施加于电磁继电器线圈正负两端,瞬态电动势泄放回路等效阻抗低,导致瞬态时间较长;同时瞬态电动势完全施加于电磁继电器线圈正负两端将导致电磁继电器损耗加剧,影响电磁继电器的使用寿命,降低电磁继电器的可靠性。

b类反向二极管结合电阻抑制虽然增加了瞬态电动势的抑制电压,瞬态电压为反向二极管的正向导通压降和瞬态电流在串联电阻上形成的压降之和,但是由于增加了瞬态电动势泄放回路的等效阻抗,从而缩短了瞬态时间,因而在电磁继电器可靠性电路中得到了广泛的应用。串联电阻阻值因线圈阻抗和激励电压而有所差异。

c类反向二极管结合稳压二极管相比反向二极管抑制措施虽然增加了瞬态电动势的抑制电压,瞬态电压为反向二极管的正向导通压降和稳压二极管的击穿电压之和,但是由于稳压二极管将瞬态电动势稳在击穿电压,抑制效果比反向二极管抑制措施有较大改善。但是施加稳压二极管增加了成本负担,综合抑制效果与b持平,因此在实际应用中并不广泛。

3.4电磁继电器的触点冗余可靠性设计

根据GJB/Z 299中关于电磁继电器的常见失效模式概率统计,触点开路的是失效概率为44%,触点粘连的失效概率为40%,线圈短路的失效概率为2%,参数漂移的是小概率为14%。设计时应充分考虑触点开路和触点粘连对电子电路带来的不利影响,并针对这两种失效模式进行可靠性设计,降低故障风险。

将继电器触点串并联可以提高其接通的可靠性,目前多数是采用两个(或以上)同类型继电器,两组触点串并联或并串联来提高其可靠性。两种方式都能提高接通的可靠性,但是串并联比并串联防误接通的可靠性要高,反之,并串联比串并联接通的可靠性要高。

电磁继电器的触点冗余设计情况汇总表见表1所示,λ为继电器的失效率。

3.5继电器电路的竞争与冒险

由于继电器触点动作属于机械运动,从感测到执行需要一定时间,而这个时间无论是同一个继电器的不同触点还是不同继电器的不同触点,都是无法做到完全同步的,尤其是不同继电器的触点动作时间会存在较大差异。对于同一继电器的不同触点,总是遵循这样一条原则:当继电器线圈无论处于通电吸和或断电释放的瞬间,触点总是遵循先断后通原则,即动触点在所有闭合触点断开前不得与任何断开触点闭合。因此设计电路时,不仅要考虑正常的动作时序关系,还要考虑继电器释放时的电路时序,是否存在竞争,是否会对线路产生影响。

特别需要注意的是,当电路中存在分别使用不同继电器的常开触点和常闭触点串联控制某个信号时,这两个继电器在同时动作或释放时可能产生竞争电路。

4电磁继电器的可靠性设计要点

4.1电磁继电器的方向和封装

部分电磁继电器存在线圈正负方向,一般线圈正端都会用深色着色绝缘子进行标识,设计时应充分注意线圈的正负方向,在进行PCB设计时应根据继电器手册的示意图方向正确、合理地进行封装设计。

4.2电磁继电器的线包并联使用

在继电器切换控制需求比较大的场合,单个继电器触点数量不够时可通过继电器的并联来增加触点数量,但是在继电器并联使用时应注意保持继电器型号的一致性。

4.3电磁继电器的热环境

当环境温度升高时,线圈阻抗会增大,从而导致线圈电流降低。因此在继电器使用中应远离散热器等高热耗元器件,保证继电器的使用寿命。

4.4电磁继电器的磁场环境

由于电磁继电器的感应机构是由电磁铁构成的,存在着漏磁场和磁分路的问题,因此使用中应当远离磁性敏感元件,也不能将电磁继电器安装在铁磁物质制成的安装板上。

4.5电磁继电器的振动环境

尽量把继电器安装在支架上振幅较小的位置,或把继电器焊装在印制板电路四边、四角和靠近支撑柱的地方。由于不同安装方式的安装基面与继电器运动零件质心距离不一样,因此各种安装方式的振动放大程度有很大的差异。

4.6电磁继电器的低负载环境

额定电流大于5A的继电器不宜切换低电平(如10μA~10m A、10m V~6V)负载,即使额定电流不大于5A的继电器也并不都能切换低电平负载。有低电平要求的继电器,其触点经过高电平测试或工作后,也不应该再使用到低电平电路中。主要是低电平负载不能使继电器触点进行自净,过高的膜电阻会导致接触不可靠。

5结束语

本文简要介绍了电磁继电器的种类及选型注意事项,针对宇航电子产品继电器的高可靠性的应用特点,提出了宇航电子产品继电器设计时需要重点关注的注意事项,同时指出了电磁继电器的可靠性设计要点,为宇航电子产品的继电器选用和电路设计提供一定参考。

参考文献

[1]许汉成.正确使用电磁继电器[J].航天器工程,2000(01).

“民工村官”刘宇航 篇2

田湾村位于县城东南，距城区6公里，是省级美丽宜居乡村建设试点。80后的刘宇航，生于斯长于斯，直至2002年到外地上大学。2009年12月，为了响应国家号召，他怀着一颗投身村庄建设的雄心，通过选拔考试，成了自己村的大学生村官。

“以前我们村还有茅草房、土坯房，一到刮风下雨，村民都不敢在家里待，当时我看在眼里，痛在心里。”刘宇航告诉记者。下雨天成了他最忙的时候，因为他要不断走访危房户，帮助他们转移，除此之外他也无能为力。唯一能做的就是用父亲的挖土机免费为村民修修房前屋后的排水沟和门前的路。

2013年3月27日，商城县启动了以改善人居环境为主题的美丽乡村建设，田湾村是首批试点。听到这个消息时，他欣喜若狂。一方面是村民可以住上安全的房子了，另一方面他施展抱负的时候到了。他主动请缨积极投身基础设施建设，利用自己家有工程机械的优势，平场地、挖下水道、搞拆迁，样样干得漂亮。绿地公园，休闲广场，村内道路工地随处都可见到他的身影。他总是做些力所能及的事情，尽可能把活干细、干好，而且这些活大都是他自己驾驶机械完成。有村民调侃道：“刘宇航哪里像村干部，简直就是一个民工。”

因为上下齐心，田湾村的新农村社区很快建成了一批，一些危房户陆续搬进了新居。如今的田湾村，房屋错落有致，水泥路宽阔通畅，村内干净整洁。如何能一直保持这种状态？刘宇航不断探索，并总结了十个字：“思想上引导，行动上感化。”他也经常挨家挨户走访村民，跟村民们讲保持良好卫生习惯的必要性，并坚持每天在村内捡垃圾以教育引导村民。

村民都住上了楼房，生活环境也得到了改善。刘宇航也在积极筹划着自己的事业。由于国家对大学生创业有支持，他积极利用这一政策跑项目，争取贷款，先后购买了5台挖土机，开办了商城县瑞新工程机械修配厂，建起了商城县田湾生态园合作社和商城县鑫日新油茶合作社。事业的进步也为他增加了不少收入，他深知这些成绩的取得靠的是国家的好政策，所以他并没忘记回报社会，不断捐助山区贫困学生和灾区人民。

宇航电子产品 篇3

产品设计过程是设计者利用已有的经验和知识对设计需求或问题进行求解的过程，在复杂产品设计过程中涉及到的知识范围广、数量大、种类多，如何提高知识在设计过程应用的效率一直是学者们关注的问题。目前，设计过程的知识研究主要集中在对知识本身的研究：王国新[1]等将坦克装甲车辆设计知识依据设计进流程将划分为三种不同类型，并利用本体、基于实例推理、功能结构映射和模板方法对三种类型的设计知识进行组织建模；秦海峰[2]等基于特征与知识对航空钣金的设计过程进行了优化，建立了以设计知识为核心的广义数据。陈永亮[3]等对模块化产品设计知识分类与面向对象的表示、基于有向图的产品模块布局和构型表示进行了研究。

以上研究依据设计过程改进了知识分类、知识表示方法，降低了知识在设计过程中的应用难度，但对设计过程本身以及知识与设计过程关联性低等方面的研究有限，没能完全解决知识“用不上”的问题。建立知识与设计过程的关联需要解决两个层次的问题：首先将设计阶段与知识相关联，即将知识定位到某一具体的设计阶段；随后将设计需求与知识相关联，即找到实现该设计指标所需要的知识。

本文应用知识模板来解决宇航产品在设计过程中的知识关联问题，首先对宇航产品的设计过程的特点进行分析，研究设计过程各个环节之间的关系与约束。通过知识模板对复杂的宇航产品设计知识进行表达，提高设计的可靠性，减少设计的迭代次数。

1 宇航产品设计过程特点与知识分类

宇航产品的设计过程是一个复杂的系统工程，从概念设计、初步设计到详细设计，再到设计与工艺协同，每个环节都有其复杂性，总结起来主要体现在以下三个方面：

1）子系统众多；宇航产品通常涉及到数以万计的零件和一二十种子系统的集成，子系统之间相互制约和配合，而子系统的对系统的整体性能也有直接的影响。

2）多学科综合；宇航产品的设计过程涉及到多个学科领域，在处理各种接口问题和横向协调时，面临大量的跨系统和跨组织的更改，容易产生混乱。

3）反复迭代；宇航产品设计过程是一个不断迭代的过程，各个环节的参数需要经过不断修改反馈，直至指标能满足最开始的需求。

为将知识与设计过程相关联，不仅要考虑设计过程，也要对设计过程中的知识进行划分。在设计过程中所用到的设计知识包括事实、规则和常识性知识，从知识的来源划分，可将知识分为静态知识和动态知识；从知识的结构划分，可分为系统级知识和模块级知识。将知识与设计过程关联后，其复杂程度会成倍增长，因为不同的设计阶段对设计知识的需求也不相同。从设计阶段去考虑，在概念设计阶段对已有的需求进行分析，从而确定产品的研发目标、主要性能等指标，因而在该设计阶段，不仅借鉴已有的设计方案，同时需要大量参考规范和法规等约束；在初步设计阶段，需要对产品的可行性、产品研发周期等进行评估，同时确定顶层设计要求，因而需要参考设计规范和法规、明确接口关系和规划、强制性验证等文件；在详细设计阶段，明确可制造性、可装配性以及后期维护性、设计资料的完整（图纸、数字化图形文件、软件清单、试验和验证、验收准则）、制定初步的产品规范，对涉及到的学科知识需要进行系统的梳理。

2 知识模板的构建

2.1 知识模板概述

知识模板是多角度描述系统设计目标的工具，它不是一个单一的存储文件或者一个独立的对象，它含有多种信息集合，存在于产品设计的每个阶段，在不同的设计阶段和同一阶段不同的设计对象具有不同的表现形式[4]。知识模板以模板簇的形式存在，模板簇是具有某种相同特性的知识模板的集合，同簇之间具有很高的相似性，不同簇之间具有很高的差异性。

宇航产品设计遵循“系列化、组合化、模块化”的思想，同系列的产品在设计过程中具有所采用的设计原理、产品结构以及相互关联关系都类似，知识模板应具有以下三种特性：

通用性，模板是对具有相似特性事物的抽象表达，而表达应规范，能应用于大部分场合；

封装性，侧重考虑输入与输出，避免考虑繁琐的中间过程。

唯一性，知识表达清晰无歧义，且在同一模板簇中的各个模板所表达的知识相互独立。

2.2 知识模板生成

宇航产品设计过程通常是一个自上而下不断分解的过程，也是一个反复迭代的过程。在知识模板的构建过程中，可通过FBS(Function-Behavior-Structure，功能-行为-结构）模型对相关的复杂知识进行映射，也是一个不断结构分解的过程[5]。通过功能分解、行为描述、结构映射[6]等环节，将设计过程中各元素之间的依赖和实现关系表达出来。

FBS模型根据所需要实现的目标，即功能，确定知识的层次属于概念设计、初步设计或详细设计；再匹配能实现各不同功能的基本工作原理，即行为，确定知识所应用的层级，属于系统级、模块级或部件级；然后寻找能实现该工作原理的相应结构来匹配，从而实现从功能到结构的映射过程。在对某一功能进行结构匹配时，首先满足功能需求，在满足功能的多个结构中，通过约束条件在多个结构中选出最合理的结构解。

具体的映射方式有两种，首先明确最终实现的设计目标，寻找能实现该目标的结构，当没有相对应的结构时，再将实现该目标的总功能分解为若干子功能，并分析功能类型，确保子功能的集合能够完全实现总功能。随后，将子功能分解为一个个可实现的行为，通过行为类型、行为关系的分析，综合考虑行为之间的约束和配合，确定结构。最后，通过结构部件将各个功能映射到对应的工作原理，满足最终的设计需求。

3 知识模板的匹配

3.1 属性相似度计算模型

知识模板形式简洁，匹配难度较低，通常选用CBR方法。基于实例推理CBR主要分为：最近邻法、归纳推理法、知识引导法和模板检索法。最近邻法是较为通用的方法，基于相似度来对模板进行匹配，原理简单[7]。为计算知识模板的相似度，由最近邻法得出精确属性之间的相似度，综合模糊属性计算，算出各个属性的相似度矩阵；随后根据各属性的权值，得出知识模板的全局相似度，最后可比较得出与设计需求最接近的知识模板。

当计算两个实例之间的相似度时，根据确定属性值是离散还是连续的，可分为以下两类：

1）当x,y为连续确定属性值时，其相似度计算公式为：

2）当x,y为离散确定属性值时，其相似度计算公式为：

对于模糊属性相似度的计算需要应用特别的关系函数，如三角函数、梯形函数、线性函数、高斯函数等。三角函数与线性函数的表达能力有限，高斯函数计算相对较复杂，因而本文采用基于梯形函数的模糊集合来计算模糊属性的相似度，根据梯形函数的面积比法，其公式如下：

其中，A代表对于隶属函数的区域面积，xi,yi分别代表其模糊属性域，xix i∩yyii代表两个模糊属性域的交集x,i xi∪yiy代i表两个模糊属性域的并集。

在得出各个属性的相似度后，依据相似度和各属性的权值计算出全局相似度。设定各属性权值较通用的方法为：专家打分法、成对比较法、调查统计法、模糊综合评判决策法、遗传算法等，前四种方法是在专家先验知识的基础上来确定权重值，算法简单。本文选取专家打分法生成各属性权重W={wi,wi,…,wk},i,j,k={1,2,3…}，从而给出全局相似度的计算模型是：

其中CS是连续确定属性的相似度，CP是离散属性的相似度，FS是模糊属性的相似度。

3.2 实例检索算法

知识模板上各个实例点反映了工程上的设计要求，可表示为M0N 0={a 1,a2,,an,}，其中M0N 0表示设计实例中的节点，n表示M0N 0节点所包含属性的个数，ai,i=1(2,n)是M0 N0的属性，实例节点包含属性名、属性值和该属性的权值（权值越大，对该属性的重要程度越高，权值wi之和W为1）。

具体匹配算法步骤如下：

步骤1：输入问题实例点M0 N0，并设定M0 N0中各属性的权值W={w i,wi,,wk}。

步骤2：以问题实例点中权值较大的几个属性为约束条件在知识模板库中进行检索，按属性的权值从大到小来进行检索，若无法匹配，则删除权值最小的属性后再次进行检索，找出满足约束条件的知识模板，跳转步骤3。若多次删除后属性个数小于2或权值之和小于0.3时，则跳转步骤1，重新输入问题实例点。

步骤3：假设检索到K个满足约束条件的设计实例节点，将M0 N0分别与K个实例节点进行相似匹配计算。

步骤4：计算K个实例中确定属性与模糊属性的相似度，对应属性的相似度建立相似度矩阵。

1）依据相似度求解公式，计算M0N 0的属性ai与MiNj中的对应属性aj的相似度：

2）重复执行上述操作，依次求出MiNj的精确属性相似度CS、CP，以及模糊属性相似度FS。

3）重复执行，根据所求相似度得出K个实例的相似度，组成相似度矩阵：

步骤5用矩阵计算求出M0N0与MiNj的相似度：

步骤6提取最佳匹配实例节点。比较设计实例点相似度的大小，求出模糊相似度最大的实例节点，即Sj=max(S1,S2,,SK)设计实例点就是问题实例点的最佳匹配实例节点。

4 实例验证

作为液体火箭发动机最重要的组件之一，燃气流量调节系统能保持推力稳定，实现发动机的工况转换。而滑阀组件是流量调节系统的稳定装置，其稳态液动力直接影响到流量调节系统的工作性能[8]。因而在设计过程中，滑阀稳态液动力作为确保火箭的工作可靠性的重要指标之一，必须慎重选择。

从设计阶段划分，确定滑阀稳态液动力属于详细设计阶段；从设计层次划分，滑阀属于部件级设计。首先通过FBS模型对燃气流量调节系统进行映射分解，随后将对滑阀的设计需求转化为功能、行为和结构之间的映射，通过知识模板的方式描述设计需求与各结构单元之间的关系。

从功能域和行为域映射可以看出，滑阀是燃气流量调节系统最为关键的部件之一，对系统的稳定性有直接的影响。用FBS模型对滑阀进一步分解，得到映射关系如表2所示。

在滑阀零件的性能中，其稳态液动力对滑阀的稳定性有很大的影响，而其液动力又受到滑阀位移、液流出口处的通道形状、刃边厚度等多个指标的影响。现给出初步的设计需求，由关系映射得出知识模板如表3所示，通过CBR算法从表4中选取相似度最大的实例节点，具体步骤如下：

以滑阀设计问题点为问题实例点，检索相似的实例节点。

输入滑阀的问题实例点，并由专家打分确定各属性的权值，属性范围来自专家经验。如表3所示。

实例类型为滑阀零件的实例节点，找出满足设计要求的实例节点。从实例库中取一些实例节点，如表4所示。

求解实例M0N0与各实例节点的的相似度。首先，计算对应确定属性（空载额定流量、供油压力、回油压力、液压油密度、刃边厚度、滑阀节流槽）和模糊属性（滑阀开口）的相似度，然后根据计算得出实例M0N0与五个实例节点的属性相似度，得出相似度属性矩阵：

由专家打分法设置各个属性的权重，W=[03..0162.0.01.01401.]T，根据S=W.Sim，得出全局相似度；S=[0.6586 0.51 0.7991 0.819280.616]。比较相似度大小，得出实例节点滑阀4与实例M0N0相似度最高，最接近于实例M0N0。

5 结束语

本文在宇航产品设计过程中应用知识模板，通过FBS模型将知识映射到产品设计过程中，同时结合基于实例的推理技术，得到与设计需求相匹配最合适的知识模板，为设计过程得到较为科学准确的知识，缩短设计时间，提高设计的可靠性。采用基于相似度的检索算法，最终得到满足设计需求的知识模板。知识模板与宇航产品设计过程相关联，能有效的提高知识的利用率，提高产品的设计效率。

摘要：在宇航产品的设计过程中存在知识与设计过程关联度较低的问题,应用知识模板,通过功能-行为-结构模型(FBS)提高知识模板与产品设计过程关联度,并生成知识模板映射流程。同时应用基于实例的推理方法,综合考虑确定属性和模糊属性,通过相似度矩阵计算全局相似度,得到满足产品设计需求的知识模板。最后,以液体火箭发动机的滑阀设计为实例进行验证,结果表明知识模板能提高产品设计的效率,保证其可靠性。

关键词：知识模板,设计过程,FBS模型,CBR

参考文献

[1]王国新,阎艳,张祥,胡立臣.面向坦克装甲车辆创新与快速设计的知识建模方法研究[J].兵工学报,2009,30增刊:100-105.

[2]秦海峰,王强,黄翔.基于特征与知识的航空钣金快速设计系统的研究与开发[J].机械制造与研究,2010,39(4):13-16.

[3]陈永亮,徐燕申,齐尔麦,机械产品快速设计平台的研究与开发[J].天津大学学报,2002,35(6):744-748.

[4]屠立,张树有,陆长明.基于知识模板的复杂产品设计重用方法研究[J].计算机集成制造系统,2009,15(6):1041-1048.

[5]李国喜,吴建忠,张萌,等.基于功能-原理-行为-结构的产品模块化设计方法[J].国防科技大学学报,2009,31(5):75-80.

[6]石明,朱程荣,黄珊.基于知识模板的产品建模方法[J],计算机辅助工程,2011,20(2):32-38.

[7]王海巧,沈仙法.基于实例推理的减速器快速设计方法研究[J].制造业自动化,2015,37(1):122-126.

宇航服的故事 篇4

科学幻想常常启发人类的重大发明创造。1865年法国著名作家凡尔纳在他的科幻小说《从地球到月球》中描述了引人入胜的宇宙航行情节。在那时，凡尔纳就想到了太空旅行要穿特殊的服装。而实际上，直到30年代进行高空飞行时，人类才确实需要特殊的飞行服装。随着飞机越飞越高，高空的低气压迫使飞行员需要加压的服装，或者加压的座舱，以改善飞行员的呼吸。

减压病

最初试制加压的飞行服装时，深海潜水服激发了人们的灵感。深海潜水服盔甲内充有压力，其气压控制问题已经解决。30年初期，潜水员已经穿着盔甲潜水服探测大洋了。1934年潜水员贾拉特穿着这种潜水服探查了著名的沉船“卢西塔尼亚”号，该船为英国班轮，排水量32000吨，1915年被德国潜艇击沉，死亡1198人，其中128个美国人。这个事件间接促使美国参加第一次世界大战。

潜水员入水下30多米深处时，承受着很高的水压。当他上升返回时，水压逐渐降低。体内组织中所溶解的氮释出形成气泡，导致四肢疼痛、视觉模糊、头晕、恶心等身体反应，严重时会丧失意识，这种症状称作气栓，也就是常说的减压病。

人在地面时承受着大气压力，当飞行到高空时，气压降低，也会出现同样的情况。大气压力在海平面为每平方厘米1千克，在30千米高度降到0.07千克，在80千米高度降到0.00007千克，在500千米高度降为零。人的身体上升到5000米高度就会发生高空缺氧反应，登山者经常体验这种反应。登山时，由于减压反应，体力和智力都逐渐下降，达到一定高度后，症状迅速加重，到8000米就会发生与潜水员相同的减压病。如果高度达到16000米，气压过低，空气不能进入肺脏，人就无法呼吸。高度在18000米以上，人体的血管和内脏就会膨胀爆裂。所以高空飞行必须要有保护装置。

加压服

为了避免减压病，高空飞行员要穿充有气压的飞行服。30年代中期，人们受到汽车轮胎的启发，将制造加压飞行服的任务交给一家美国轮胎公司。初期的加压服外层是橡胶外壳，内层是制成人形状的内胎。这种加压服穿起来很麻烦，内部充气加压后笨得僵硬，四肢关节很不灵活。飞行之后脱加压服更是困难，有时甚至不得不剪开加压服，才能从里边解脱出来！

50年代，人类制造出神奇的纤维——尼龙，把尼龙网嵌到橡胶中作为飞行服的加强层，飞行加压服变得柔软轻便了。1961年美国第一位航天员谢泼德就穿着这样的加压服飞入太空。当时的加压服表面已有特殊的镀铝层，阻挡辐射热和紫外线。

宇航服

如今，美国航天飞机已有了加压的机舱，舱内的航天员不必穿笨重的加压服，只需穿被戏称为“休闲服”的普通飞行服装。如果要进行舱外活动，如太空行走或月球着陆，航天员就换上“舱外活动装备”，即特种宇航服。该宇航服的生产厂美国Hamilton Sundstrand公司工程主任希金斯说：“太空是真空，但决不是空无一物，航天员可能遭遇到各种意外情况，在浩瀚的宇宙中决不允许发生故障。”

这种宇航服共有2000多个零部件，具有完全独立的生命保障系统，可以看成世界上最小的宇宙飞船。它有内部加压，并保持良好的微气候。它能屏蔽太阳光和宇宙辐射，并使航天员能耐受太空－157℃到121℃的温度变化，还能阻挡宇宙微尘颗粒的伤害。

宇航服由10层薄薄的高科技材料制成。最里层是特殊的恒温内衣，内衣有夹层，夹层中有柔软的通气管和循环水管，控制宇航服内的温度。循环水管的总长有100多米。第2层含有压力气泡，控制宇航服内的压力。第3层为涤纶网状加强层，协助维持压力。第4层为内衬层。再向外为5层镀铝聚酯薄膜隔热层。

最外层用Ortho纤维织成，它是GoreTex,Teflon,Nomex以及Kevlar四种纤维的复合织物。GoreTe纤维是制造降落伞的原料，用于宇航服是为了增加柔软性。Kevlar纤维增加物理强度，防止异物穿透，防弹背心就是用这种纤维制成的。Nomex是高熔点芳香族聚酰胺纤维，锦纶是其中一种，它能增加耐磨性能，并能耐受高温和火焰。Teflon是聚四氟乙烯，能增强化学防腐性，降低表面的摩擦，使航天员能灵活地在狭窄的飞船舱内活动，并能顺利地出入飞船舱口。

1965年3月，苏联航天员列昂诺夫乘“上升”2号飞船在太空中首次走出飞船，进行了24分钟太空行走。当他返回时飞船时，发现宇航服太僵硬了，不能弯下腰去关闭密封舱口。情急之中，只好手动操作，把宇航服内的压力降到危险的程度，才弯体关闭舱口，重返飞船内安全的环境。从那以后，对宇航服的要求更高了。从原料的选用到功能设计，都要求宇航服具有更高的灵活度，操纵控制更加方便。

宇航员病了怎么办 篇5

现在的做法是,宇航员会在飞船里准备一个药箱,里面放上一些常用药物,比如退烧药、消炎药、止晕药等。当感觉身体不适时,宇航员会向地面的医生报告,医生会及时发出指令,告诉他该怎么吃药。

但是在不久的将来,一种由纳米碳构成的生物胶囊也许可以帮助他们。美国国家航空航天局正在加紧研发一种生物胶囊,将其植入人体皮下后,它能在宇航员毫无察觉时迅速自动诊断其身体中的异常状况,并进行相应治疗,就好像一个随身相伴的医生。如果一切顺利的话,在几年内,国际空间站的宇航员就可以使用到这种生物胶囊。

生物胶囊的成本并不高,制造工艺也不复杂。只要先将纳米碳放入胶囊模具,再填入人工细胞,最后用纳米碳或是蛋白质胶水将其黏合,一颗生物胶囊就制造成功了。

生物胶囊的研究者洛夫特斯博士表示,在进入太空前,宇航员只要进行一项微创手术,在大腿表皮下植入几颗生物胶囊,宇航员就拥有了对抗绝大部分疾病的能力。这种手术非常简单,只需使用普通的麻药。

太空中有无数能够威胁人体健康的因素,最主要的就是高强度的辐射,它会摧毁宇航员的骨髓细胞并破坏其免疫系统。生物胶囊中填充的细胞可以察觉到辐射强度的上升,并自动释放药物,保护人体。胶囊内装有一种“粒细胞集落刺激因子”,不仅可以帮助宇航员抵抗辐射,还可以帮助他们对抗其他常见太空疾病,比如感染、发烧、器官衰竭和失眠等。目前,研究人员正在有针对性地研发相应的抵抗因子。

宇航固态存储器可靠性设计 篇6

传统的宇航产品可靠性设计, 更加依赖于高等级的元器件和元器件级的防护措施, 这使得宇航产品的成本过高、生产周期过长、并面临关键元器件禁运的风险。在模块级和系统级运用冗余、故障检测和隔离、纠错编码等技术, 设计了基于分组剔除的Flash芯片分组热备结构、坏块表多级备份管理、汉明码结合奇偶检验的增强型纠错编码, 提高了宇航固态存储器的可靠性和容错指标, 通过了环境试验的考核。

1 宇航固态存储器设计

宇航固态存储器原理框图如图1所示, 采用双机冷备份体系结构, 其中B机为A机的冷备份, 当A机工作异常且无法恢复时, 由管理计算机切换备机工作。

A、B机均由存储控制模块, 高速缓存模块, Flash阵列管理模块, 坏块表存储模块以及Flash阵列组成。存储控制模块实现与测控系统和数据处理系统的通信, 以及对存储器的访问。高速缓存模块用于缓存高速的输入/输出数据, 以均衡Flash阵列的突发速率。Flash阵列管理模块实现存储芯片的底层控制, 建立并维护坏块表。根据访问速率和容量的要求, Flash芯片按照一定的拓扑结构组成阵列。

2 宇航固态存储器可靠性设计

2.1 可靠性分级设计

由于不可维修性和工作环境的特殊性, 宇航产品的可靠性要求较高。从元器件级、模块级、系统级三个层次进行可靠性设计, 除了通过严格的元器件选用控制、传统的抗辐设计等之外, 更针对可靠性的薄弱环节在模块级和系统级运用了冗余、故障检测和隔离、纠错编码等技术, 提出了基于分组剔除的Flash芯片分组热备结构、坏块表多级备份管理、增强型纠错编码等。

元器件尽量选用高质量等级器件, 对于抗辐指标较低的器件增加辐照防护或闩锁防护措施, FPGA控制器中的存储指针、状态机等重要参数进行三模冗余。

系统级设计了基于分组剔除的Flash芯片分组热备结构, 采用了双机冷备份冗余, 进一步提高宇航固态存储器的可靠性。

误码率反映了固态存储器的存储可靠性, NAND Flash的坏块和单比特错误、RAM结构的单粒子翻转效应等, 是造成宇航固态存储器数据误码的主要原因, 通过模块级的冗余和纠错编码降低数据误码率。

2.2 NAND Flash芯片的选型

目前的NAND Flash基片均为商业级产品, 无法直接应用于宇航系统。有些厂商对商业级NAND Flash基片进行筛选、模块封装及模块筛选, 生产出高质量等级的产品。宇航固态存储器选用二次叠层封装的NAND Flash芯片, 其集成度更高, 电性能也显著改善, 并已经过飞行验证。

2.3 Flash芯片分组热备结构

Flash阵列由若干芯片组构成, 组内实现数据总线并行扩展, 组间实现容量扩展。为了提高系统的可靠性, 减少部分模块失效对系统的影响, 本文提出了基于分组剔除的Flash芯片分组热备结构, 如图2所示, 每组Flash芯片的硬件电路独立, 通过隔离驱动器与Flash阵列管理控制器相连, 每组隔离驱动器的使能控制作为该组的组选开关。

控制软件中则设计了故障检测功能, 其状态转移图如3所示。对芯片组进行操作时, 状态机从空闲状态跳转到等待状态, 并启动定时器。如果接收到芯片组的反馈信号, 则正常退出, 回到空闲状态。如果定时器超时, 异常强制退出并复位Flash芯片组, 以防止软件死锁。当某芯片组连续异常退出计数达到阈值时, 或者空闲状态时接收到故障检测指令, 则跳转到检测状态。检测和故障判决根据坏块的数量, 具体的, 遍历坏块表统计每个Flash芯片组的坏块数, 如果超过Flash芯片寿命末期坏块数的5倍, 则判断该芯片组故障。

某个Flash芯片组被判决为故障后, Flash阵列管理控制器关闭该组的组选开关, 重组存储空间、屏蔽故障芯片组的访问地址, 将剩余组重新整合成新的拓扑结构。

2.4 NAND Flash的坏块管理

NAND Flash在生产和使用过程中均会产生坏块, 这不会影响好块和整个芯片的性能[2], 但会导致误码率, 需要检测并管理坏块, 避免对其进行操作。

考虑到宇航固态存储器的速度要求和使用环境的特殊性, 本文提出了坏块表三级备份和联动的方法, 如图4所示。

系统设计时, 首先读取出厂信息构造出厂表并存储在EEPROM中, 用于异常情况下的静态工作表修复。静态工作表存储在EEPROM中, 其初始表即为出厂表。上电时, 静态工作表导入片上SRAM中, 成为动态工作表的初始态。工作过程中, Flash阵列管理器查询动态工作表, 并在擦除和编程结束时根据芯片的状态反馈、在读时根据数据校验结果检测使用坏块并更新动态工作表, 空闲时将更新的内容写入静态工作表。

坏块表结构如图5所示, 表内地址与Flash阵列的块地址一一对应, 每个块占用一个字节, 0x00表示坏块, 0xff表示好块, 访问时进行“8取5”的多数表决, 并用表决结果刷新相应的存储单元。

2.5 增强型纠错编码

针对SLC型NAND Flash的单比特错误, 可采用简单的纠一检二的汉明码[1], 有效的纠错编码方案可以提高系统的可靠性[3]。

综合Flash阵列的拓扑结构、编码开销等因素, 选取了一种最优的 (72, 64) 校验矩阵, 如图6所示。当编码后的数据位出现2位错误, 译码时可能会误判为1位错并误纠错。针对汉明码的这一缺陷, 本文在编码时增加了一位奇校验位, 校验所有数据位。当译码显示1位错且奇校验错时, 则判决为1位错并纠错;当译码显示1位错而奇校验无错时, 则判决为2位错或者更多偶数位错, 该情况下不纠错。如此, 可以检出所有2位错, 并降低误纠正的概率。

3 可靠性分析与试验结果

3.1 可靠性度分析

根据宇航固态存储器的系统设计框图, 存储控制模块根据外部指令进入相应的文件访问或循环访问流程, 启动Flash阵列管理模块的Flash阵列访问流程, 通过高速缓存模块缓存写入或读出Flash阵列的数据。Flash阵列管理模块从坏块表存储模块中获取工作表。存储控制模块、高速缓存模块、Flash阵列管理模块、坏块表存储模块、Flash阵列之间为串联结构。Flash阵列由若干个Flash芯片组构成, 某个组失效时, Flash阵列管理模块检测并隔离故障组, 降低容量使用, 系统仍可以正常工作, 因此, Flash芯片组之间为并联结构。A、B机冷备份为并联模型, 宇航固态存储器的可靠性模型为混联结构, 如图7所示。

如图7所示的可靠性模型中, A机和B机的可靠度相同, 计算公式为:

宇航固态存储器的可靠度为:

采用元器件应力法计算, 各模块的可靠度为:

式 (3) 中, Ni表示第i个通用元器件的数量, λp表示第i个通用元器件的通用失效率, n表示通用元器件类别的数量。

该模型的可靠度曲线如图8所示, 通过与无分组热备单机、分组热备单机、无分组热备双机的可靠度曲线的比较, 可以看出, 设计的模型获得了较高的可靠度, 在8年寿命末期仍可达0.996 2。

3.2 误码率分析

NAND Flash的坏块和单比特误码和空间单粒子翻转效应是造成数据误码率的主要因素, 通过冗余设计、坏块管理和纠错编码等措施可以有效的降低误码率。

以3D-PLUS芯片的4 G基片为例, 寿命末期最大坏块数可达2%[2]。坏块管理检测并屏蔽坏块, 坏块的误用率由坏块漏检率和坏块表的误码率决定。读时根据纠错编码的检错结果检测坏块可以检出擦除和编程时的漏检坏块, 通过这种修正可以降低坏块的漏检率使其趋于0。坏块表的结构为冗余结构, 访问时进行多数表决和存储刷新, 误码率为:

以Xilinx FPGA的BRAM的翻转概率1.1×10-6/bit-day[4]进行计算, 可得q趋于0。

纠错编码纠正N位检测M位错误, 一组数据中错误超过N位时就会出现误码, 因此, 设一组数据为B位, 单比特错误率为p, 采用纠错编码后的误码率为:

SLC型NAND Flash芯片的单比特错误率较低, 以p为10-8[5]进行计算, 本文的一组数据为64位, 编码可纠正1位错误, 根据公式 (5) 计算, 采用汉明编码后的误码率降为2×10-13。

3.3 测试与试验

固态存储器的测试系统组成如图9, 测控设备、模拟源设备和数据采集设备通过测试电缆与固态存储器连接, 并在测试服务器的控制下向固态存储器发送指令、收集工作状态遥测、输出多路模拟数据、采集并实时分析数据。测试服务器实时显示监控信息和数据分析的结果, 并分类存储指令、遥测、原始数据和分析结果。

固态存储器工程机经过了40 h高低温试验、64 h真空试验、720 h高温老炼试验等可靠性与环境试验的考核, 工作正常, 坏块误操作率和数据误码率均为0。

4 结论

主要针对NAND Flash芯片的缺点, 以及空间辐照效应特别是单粒子翻转效应的影响, 进行了宇航固态存储器的可靠性设计。分析计算和试验结果表明, 宇航固态存储器可靠性高、数据误码率低, 能够满足宇航应用的要求。

摘要：宇航固态存储器用于存储卫星平台遥测数据和遥感载荷数据, 其可靠性关系到航天器飞行任务的成败和完成质量。采用了可靠性分级设计思想, 提出了一种高可靠的宇航固态存储器设计, 运用了冗余、故障检测和隔离、纠错编码等技术, 将固态存储器8年寿命末期的可靠度提高到了0.996 2, 满足了宇航应用的要求。

关键词：NAND Flash,故障检测,坏块管理,纠错编码,可靠性模型

参考文献

[1] Heidecker J.NAND flash screening and qualification guideline for space application.Pasadena, California:Jet Propulsion Laboratory, 2012

[2] Electronics S.K9K4GXXX0M NAND Flash Memory Datasheet (Revision 0.3) , 2003

[3] Sheldon D, Freie M.Disturb testing in flash memories.Pasadena, California:Jet Propulsion Laboratory, 2008

[4] Yui C, Swift G, Carmichael C.Single event upset susceptibility testing of the Xilinx Virtex II FPGA.Pasadena, California:Jet Propulsion Laboratory, 2006

机器宇航员上太空 篇7

其实，从我的名字就很容易看出我的身份。“robot（机器人）”的前半段加上“ astronaut（宇航员）”的后半段，便诞生了我“Robonaut（音译：罗伯纳特）”。虽然一直想吐槽这种简单老土的命名方式（难道我是充话费送的吗？），但我很清楚我的父母，即那些制造出我的人们，对我寄托了深厚的期望。瞧，我这一身的尖端技术和豪华装备就是最好的证明。

怎么样？大家对我刮目相看了吧，应该认可我这个机器人宇航员了吧。另外，虽然我很优秀（这么说有点臭美的感觉），但机器人宇航员并非只有我一个，我给大家介绍一下其他的机器人同事吧。

老前辈Dextre

机器人Dextre（音译：德克斯特）可是早在2008年就乘坐“奋进号”航天飞机来到国际空间站工作的老前辈了，所以我习惯称它为“老D”。老D的样子并不怎么像人类，反而有点像电子游戏里张牙舞爪的机械怪物，但它可是个十分老实厚道的机器人，经常默默地完成各种艰难的工作，感觉就像是个不善言辞（没有装载语言智能系统）的威猛硬汉（3.7米的身高，3.3米的臂长）。但你可不能小瞧它，老D曾经与人类宇航员一起搭档完成了维修哈勃太空望远镜的艰巨任务。如今，老D依然奋斗在太空工作的最前线，是我们这些后辈机器人最敬佩的榜样！

可爱的后辈Kirobo

相比于高大威猛的老D，只有34厘米高、1千克重的机器人Kirobo就显得非常娇小可爱了。Kirobo是一个来自日本的机器人，所以我喜欢称它为“K酱”。小个子的K酱并非我们这样的“体力劳动型”机器人，它可是专门负责与宇航员交流的“心理医生”。K酱具有面部识别、语音识别与发声合成等功能，可以讲出流利的日语，并能回答出很多问题。如果宇航员觉得有些寂寞又不方便去找其他宇航员，那就和K酱聊聊天吧，它一定会把人逗得哈哈大笑的。另外值得一提的是，K酱的名字来自日语的“kibo（希望）”和英语的“robot”，真是跟我差不多的取名方式啊……

即将到来的Sar-401

这个看着有点呆呆的家伙据说是来自俄罗斯的机器人宇航员，听说它也即将加入国际空间站和我们一起并肩战斗，哦不，是一起工作。我已经给它想好了一个很有俄国风味的昵称——“阿萨斯基”，希望它会喜欢。根据目前公布的资料，阿萨斯基是一款与我相似的机器人，重约144千克，能够举起10千克的重物，而且它的手部也十分灵活，能够使用很多工具，据说其执行复杂精细操作的功能已经超过了我！也不知道是不是吹牛，等它来到空间站后一定要和它比比翻花绳，看看谁的手更灵巧。另外，俄罗斯的科学家们还给它专门设计了一副操作手套，可以让它直接模仿穿戴着操作手套的人的动作，从而更加灵活自由。

我的父辈Robonaut 1

既然有身为罗伯纳特2号的我，那自然就有我的父辈——罗伯纳特1号（Robonaut 1）。其实，早在1997年的时候，有关机器人宇航员的研发计划就已经展开。研制机器人宇航员的目的很明确，并且至今也没有改变，那就是代替宇航员去执行危险和繁琐的任务，让人类的太空探索事业变得更加安全和有效。于是，罗伯纳特1号（以下简称R1）便诞生了。R1进行了大量的试验，特别是在失重环境中，因为这决定着在地球上诞生的机器人是否有资格进入太空，R1用自己出色的表现给予了肯定的回答，进而促进了作为后辈的我（R2）的诞生。虽然R1从未真正到达太空，但它为我们这些新一代机器人宇航员所作的贡献之伟大，早已超出了飞向太空的范围。

机器人宇航员绝非单纯的机械手臂，而是能够真正帮助人类探索太空的可靠力量！尽管看似简单，但构成我们身体的每个部件都不仅仅只是一个机械零件而已，其中还蕴含着很多特殊的技术，有的甚至可以代表当今人类的最高科技水平。所以，对于我们机器人宇航员以及我们的制造者而言，仅仅在空间站上工作是远远不够的，重返月球、登陆火星、探索小行星……浩瀚的星辰宇宙才是我们的目标！