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空間飛行器總體設計范文1
Abstract： There are several equipments installed on space vehicle that the distribution is complicated. The center of mass（direction z）of space vehicle is not compliant system quota because of the centroid offset of equipments . The arrangement of counterweights can ensure that the complex requirements for mass properties of the space vehicle are satisfied， keeping the counterweight used as light as possible. This paper proposes a method of genetic algorithm to optimize the counterweight distribution. The area on the space vehicle for counterweight arrangement is discretized into a number of small regions， with each region corresponding to a counterweight. The increase mass of space vehicle is less than 1%， the increase inertia of mass is less than 1.1% and the center of mass（direction z）of space vehicle decreases 53.8% that the system target is reached.
Key words： space craft；genetic algorithm；counterweight distribution；optimization
中圖分類號：V211.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）30-0217-03
0 引言
空間飛行器體積有限，搭載有紅外探測器、雷達等精密探測設備，布局設計必須充分考慮各系統設備的安裝位置、操作問題以及溫控指標等具體要求，同時各系統設備產品質量特性存在偏差，因此布局完成后，飛行器的質量特性通常會偏離理論設計要求。由行器質量特性是影響姿態控制精度的重要因素，因此必須借助配重進行合理調整，以確保其質量特性達到設計要求。
目前業界仍采用人工配重進行質量特性的調整，而質心位置、轉動慣量之間的耦合現象會對飛行器配重位置的判斷造成干擾，對此，只能通過大量試算才能完成人工配重，并且可能造成配重質量消耗過多。若遇到復雜的空間布局，即使進行人工試算，也難以確定最佳配重方案。
遺傳算法是一種通過模擬自然界生物進化機制獲取全局最優解的進化優化算法[1-5]，相對傳統的數學規劃方法具有很多優點，并在航天領域的總體設計中得到大量應用。美國的T.Mosher基于遺傳算法開發出一種優化工具，可對航天器的初期設計進行系統優化。印度S.Rajagopal等人采用遺傳算法對一種無人航空器的概念設計方案進行優化，并考慮了單目標和多目標優化的情況。美國Riddle B.D.等人建立液體燃料導彈的系統性能模型，并利用遺傳算法獲得最優系統設計；Rafique A.F.等人針對空射型多級火箭建立涉及多學科的系統集成設計方法，并基于遺傳算法得到了最優設計[6]；Bayley J.D.等人利用遺傳算法解決了多級火箭系統設計花費最優的問題。
針對上述問題，提出了基于遺傳算法的布局優化方法，對空間飛行器的設備及配重區進行離散化處理，在此基礎上，對布局設計變量進行編碼，建立配重布局優化問題模型，從而在滿足質量特性要求的前提下，總質量盡可能小。
1 配重布局優化模型
1.1 坐標系定義
本文中坐標系取向（如圖1）所示，符合右手定則；坐標原點位于空間飛行器上端面中心，X軸正向為由下端面中心指向上端面中心，Y軸正向指向Ⅲ象限，Z軸正向指向Ⅳ象限。
1.2 質量特性約束
1.3 設計變量
空間飛行器為圓柱形，內壁為網格加筋結構，單機設備及配重可以安裝在艙內壁上。
在空間一定的情況下，布局方案可通過指定覆蓋區域的方式進行表達（如圖2），即
式中：k表示布局方案，即設計變量；Ω為主結構內表面可安裝配重的空間曲面域；K為Ω的任意部分區域。在K確定的情況下，空間飛行器的質量特性可計算確定。
2 遺傳算法
遺傳算法是一種高效的全局尋優搜索算法，其框架內以一定的編碼規則對設計變量進行編碼，為此對布局問題進行如下處理：
空間飛行器總體設計范文2
現代飛行器在社會各領域都有廣泛的應用，其中利用飛行器進行物資的運輸投放也頗為常見。例如，在發生重大自然災害時，由于路面交通的損壞，將使得空中運輸成為受災區域各物資來源的唯一途徑[1]。以往飛行員在投放物資時，往往根據經驗通過目測來確定投放時機，但是這樣往往會給地面人員的物資拾取帶來很大的不便，尤其是在地理環境復雜的山區[2]。GPS傳感器是一種能夠全天候、實時地提供載置信息的傳感器，在很多領域均有廣泛應用[3]。若能利用GPS傳感器采集詳細的飛行器位置信息，并通過飛行器中央處理單元依據這些信息快速計算出拋物的準確時機，則可以有效地提高物資投放的準確性。此外，飛行器拋物系統在軍事上也有廣泛用途，如利用無人飛行器進行投彈等。
本設計將GPS數字傳感器整合到小型無人飛行器上，經ADuC7026單片機精確運算處理后，對目標位置進行準確拋物。
總體方案設計及飛行拋物算法
總體設計
本文設計的飛行器拋物系統的拋物過程如圖1所示，為了能精確地將物體投擲到目標點，必須在飛行器距離目標點一定距離時便提前開啟拋物裝置，使物體在空中以一定的初速度做自由落體運動直至到達目標點。
飛行器拋物系統主要分為測量傳感單元、主控單元和執行單元，如圖2所示。測量傳感單元采用Trimble公司生產的C2626型GPS數字傳感模塊和ADI公司生產的ADXRS612型MEMS陀螺儀，主要用于獲取飛行器的空間坐標及俯仰角信息。主控模塊采用ADI公司生產的ADuC7026單片機，用于實現對位置坐標的采集及解算，并結合拋物算法輸出控制指令驅動執行模塊拋物。
本設計中，將欲投擲目標點的坐標信息預先寫入單片機，然后由ADuC7026單片機接收GPS的導航電文，解碼出當前位置的經緯度、高度、水平速度，并結合陀螺儀檢測出當前的俯仰角。最后根據飛行高度、水平速度、俯仰角以及飛機與目標點的相對位置信息，計算出最佳拋物時機所處的位置，當飛機到達此位置時，由ADuC7026單片機產生的PWM信號控制舵機使之打開擋板開關，最終實現自動拋物。
飛行拋物算法為了更全面地分
析飛行器拋物過程，可以將一個隨機的拋物過程可以分為兩種類型，即斜上拋物和斜下拋物(水平拋物可以看作上述兩種類型的特殊情況)，這兩種類型分別對應俯仰角α>0和α
從起拋點到目標點的水平距離即為提前拋擲閾值，根據拋物運動的相關知識不難得出以下公式：
斜上拋物時提前拋物距離閾值D1
俯仰角的修正
雖然MEMS陀螺儀具有體積小、成本低、易于集成等優點，但是它的速率輸出易受溫度等環境因素影響而產生漂移，這會給俯仰角的測量帶來隨時間不斷積累的誤差[4]。而通過GPS傳感器的修正可以較好地彌補這一不足，修正方法如下：
利用GPS傳感器求取俯仰角的方法如圖4所示。只要計算出飛行器當前時刻與前一時刻的高度差H?和水
若設定G P S信息更新頻率為5Hz(即每200ms導航電文更新一次)，那么單片機每隔200ms就將通過GPS傳感器的信息對俯仰角進行一次修正。相對于采用單一傳感器測量的方式而言，這種采用MEMS陀螺儀與GPS傳感器結合測量俯仰角的方式即保證了實時性又提高了測量精度。
本系統采用電壓為12V的大容量鋰聚合物電池供電，經穩壓芯片處理后供給各單元電路，主要硬件單元連接框圖如圖5所示。
主控單元
本設計中主控芯片采用的是ADI公司的ADuC7026單片機。ADuC7026集成了ARM7TDMI內核，其外設包括一個比較器，可編程邏輯陣列(PLA)和3相脈寬調制(PWM)發生器，40個通用I/O口，1個UART等。當工作在41.78MHz時，其功耗一般是120mW[5]。可見，ADuC7026單片機具有較低的功耗和優越的性能，滿足本系統設計要求。
傳感器單元
GPS傳感器采用Trimble公司生產的C2626型GPS模塊，它具有體積小、定位快速準確等優點，并提供多種格式的導航電文輸出，它可以通過UART串口把坐標信息傳送給ADuC7026單片機進行處理。陀螺儀采用ADI公司生產的ADXRS612型陀螺儀，它的測量范圍可達±300°/s，采用模擬電壓輸出，可以通過單片機的ADC進行數據采樣。
執行單元
執行單元采用Futaba S3003型舵機來驅動機械投擲裝置。舵機的驅動信號是一個周期為20ms，脈寬在1ms至2ms之間變化的PWM信號，脈寬為1ms時對應舵機的左極限位置，對應機械裝置閉合。脈寬為2ms時對應舵機的右極限位置，對應機械裝置開啟。利用ADuC7026單片機的PWM發生器編程產生的驅動信號如圖6和圖7所示，兩信號分別對應機械裝置閉合和開啟，信號采用RIGOL DS5202型數字示波器測量。可見通過設置單片機輸出PWM的脈寬就可以控制拋物裝置的開關狀態。
軟件流程設計
GPS的解碼
GPS的解碼是本次設計的關鍵，Trimble C2626型GPS數字傳感模塊提供基于NMEA-0183協議的5種格式的導航電文輸出，分別為GPGGA、GPRMC、GPGSA、GPGSV以及GPGLL。為了即獲取足夠的導航信息又能提高系統的實時性，本設計僅對GPGGA格式的導航電文進行接收解碼。設置單片機串口波特率為9600bit/s，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗。當接收到衛星信號時，一條GPGGA格式的導航電文如下例所示：
$GPGGA,081545.00,4544.7518,N,1 2317.5230,E,1,08,1.6,140.0,M,14.2,M,,*4 A。
對一些關鍵數據的說明如下：
$GPGGA：數據幀頭，代表GPS固定數據
輸出語句；081545.00：24小時制UTC時間，格式為hh/mm/ss/.ss；
4544.7518：當前緯度值，度分格式；
N：緯度方向，N(北緯)或S(南緯)；
12317.5230：當前經度值，度分格式；
E：經度方向，E(東經)或W(西經)；
140.0：接收機天線所處位置海拔高度；
M：代表單位米。
分析可以看出，導航電文以“$”符開始，回車符結束，各種信息間以逗號“,”分開，根據這個規律，可以編寫解碼程序將各種導航信息分類存儲，軟件流程如圖8所示。
飛行拋物的控制
拋物控制的軟件流程如圖9所示。系統首先裝載目標位置坐標信息，然后采集傳感器信息并進行運算處理，當距目標距離d小于等于提前拋擲距離閾值D時，開始拋物。拋物結束后，延時5秒鐘，當飛行器飛出投擲目標范圍后舵機擋板自動閉合收起。
實驗與調試
為了減小高大建筑物對信號的遮蔽和反射，實驗選在郊外開闊的廣場，在近似無風的天氣下進行測試。拋投物體分別選擇重量為200g的布袋、水袋和沙袋以盡可能全面地模擬實際情況。實驗結果如表1所示，表中數據是重復實驗十次后取平均值所得。
結語
本文分析了飛行拋物算法公式，制定了各參量的求解方法，并且針對MEMS陀螺儀測角誤差隨時間積累的不足，利用GPS傳感器進行了俯仰角的校正，設計了飛行器拋物的控制流程。最后經過多次調試實驗，結果表明，對于一些密度較大，受風力影響較小的物體可以實現準確定點拋物。如何減小或補償風力的影響是下一步研究的方向。
參考文獻：
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空間飛行器總體設計范文3
關鍵詞：“工程材料學”；航空航天專業；教學改革
“工程材料學”是航空主機類專業（包括飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程和機械工程等專業）的學科基礎課程。該課程雖然僅有48學時，但承擔著為未來的航空工程師構建材料知識體系的重任，對學生今后的發展起著重要作用。本文結合近年的工作實踐，對該課程在教學要求、教學內容和教學方法等方面的改革進行研討。
一、高度重視航空和材料領域發展對“工程材料學”課程教學的影響
材料學既是基礎科學，也是應用科學。材料科學與技術的發展，解決了很多工程領域的關鍵問題，有力地推進了相關科學和技術的進步，使得材料科學成為最活躍的科學領域，材料產業也成為國民經濟發展的重要支柱產業。“工程材料學”以物理學、化學等理論為知識基礎，系統介紹材料科學的基礎理論和實驗技能，著重培養學生把這些知識應用于解決工程實際中提出的對材料結構、性能等方面問題的能力。作為一門重要的學科基礎課程，“工程材料學”具有較長的開設歷史，在人才培養中發揮了重要的作用。航空航天領域的發展對工程技術人員的能力素質提出了更高的要求，特別是“卓越工程師”教育培養計劃的實施，對工程類課程建設的需求更加迫切，有必要以新的形勢為背景反思該課程的教學改革。航空以眾多學科知識、先進研究成果為基礎，已發展成為一個由多個分系統組成的大系統，需要工程技術人員采用系統工程的方法進行綜合設計。現代航空技術一百多年的發展，使得人們可以在更大的范圍內探索天空，也使得飛行器的工作條件更加惡劣，工作環境更加嚴苛。現代飛行器不僅要具有速度快、航程大、載重多等特點，還要滿足節能低碳等要求。材料科學技術的發展，為解決航空航天領域的諸多難題提供了可能，“一代材料，一代飛機”已成為飛行器發展公認的規律。這對航空航天工程技術人員的材料知識提出了更高的要求。在飛行器及其主要部件的設計、制造和維護工作中，要全面認識材料的性質和特點，才能挖掘材料的潛能，充分利用材料的特性，滿足工作需要。面對航空航天迅猛的發展形勢，僅了解和掌握已有材料的知識是不夠的。具有創新素質的工程技術人員，要了解材料科學與工程的發展方向和趨勢，分析材料領域的發展對航空航天領域的影響，同時要認真研究具體工作對新材料、新工藝的要求，明確材料發展的需求。在新型飛行器的研發過程中，要綜合考慮用戶對飛行器總體性能的多種要求，對各項技術參數進行統一的優化。在落實對飛行器性能的要求時可以發現，很多要求是相互矛盾的，比如飛機的航程和機動性就存在著較大的矛盾。為了獲得較好的綜合性能，需要對飛機進行一體化設計，要及時掌握各種設計方案對飛機主要材料和工藝的要求，對飛機整體結構進行綜合優化。在此過程中，各部門工程師都需要和材料系統密切配合，才能實現信息和資源共享，降低全系統的風險，提高系統的可靠性和綜合性能。材料科學技術的迅速發展也對課程教學提出了新的要求。材料科學與技術是研究材料成分、結構、加工工藝與其性能和應用的學科。在現代科學技術中，材料科學是發展最快速的學科之一，在金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料、耐磨材料、表面強化、材料加工工程等主要方向上的發展日新月異，促使“工程材料學”課程內容的不斷充實。“工程材料學”課程要系統講授材料科學與技術的基礎理論和實驗技能，使得學生掌握工程材料的合成、制備、結構、性能、應用等方面的知識。早期的航空工程結構以自然材料為主，如在美國萊特兄弟制造出第一架飛機上，木材占47%，普通鋼占35%，布占18%。隨后，以德國科學家發明具有時效強化功能的硬鋁為代表，很多優質金屬材料被開發出來，使得大量采用金屬材料制造飛機結構成為可能，也使得研究者們投入了更多的精力于金屬材料的探索。相應地，這一時期“工程材料學”課程內容也以金屬材料為主。上世紀70年代以后，復合材料開始在航空領域應用。復合材料具有較高比強度和比剛度的優點使得工程技術人員對其抱有很大的希望。航空工程師首先采用復合材料制造艙門、整流罩、安定面等次承力結構，而現在復合材料已廣泛應用于機翼、機身等部位，向主承力結構過渡。復合材料因其良好的制造性能被大量應用在復雜曲面構件上。復合材料構件共固化、整體成型工藝能夠成型大型整體部件，減少零件、緊固件和模具的數量，降低成本，減少裝配，減輕重量。復合材料的用量已成為先進飛行器的重要標志。相應地，復合材料必然要在“工程材料學”課程中占重要地位。鈦合金的開發和應用使得飛行器具有更好的耐熱能力，提高了發動機、蒙皮等結構的性能，有效解決了防熱問題。“工程材料學”課程的教學內容應該及時反映材料科學在提高飛行器性能方面的新應用與新進展。與此同時，其他相關學科也取得了長足的發展，使得主機專業教學內容大幅度增加，“工程材料學”課程的教學內容和學時之間的矛盾愈加突出。
二、認真分析專業教學對“工程材料學”課程的不同要求
“工程材料學”課程是一門重要的學科基礎課，是基礎課與專業課間的橋梁和紐帶，在航空航天主機類專業培養學生實踐動手和創新創造能力，提高學生綜合素質等方面具有重要作用。在多年的教學實踐中，該課程對主機類各專業采用同一標準教學。雖然主機類各專業人才培養有其共性要求，但隨著航空航天事業的發展，專業分工越來越細，差異化特征也越來越明顯，因此“工程材料學”課程應該充分考慮不同專業的具體需求，結合各專業的課程體系安排教學。飛行器設計與工程、飛行器動力工程、飛行器制造工程和機械工程等主機類專業根據航空領域中的分工培養學生，畢業學生的工作要求有所不同，對知識結構的要求也不一樣。就材料方面知識而言，不同專業學生也會有所區別，應按照專業特點縱向劃分對“工程材料學”課程的要求。不同專業主要服務對象的材料特點是確定課程要求的主要依據。飛行器設計與工程專業要全面統籌飛行器產品及各部件的設計和制造，主要從事飛行器總體設計、結構設計、飛機外形設計、飛機性能計算與分析、結構受力與分析、飛機故障診斷及維修等工作，要求了解材料科學與工程的發展對現代飛行器設計技術的影響，因此要較全面地掌握主要航空材料的性能、制造等方面的知識，了解輕質高強材料的發展動態和發展趨勢。飛行器動力工程專業要求學生學習飛行器動力裝置或飛行器動力裝置控制系統等方面的知識，主要培養能從事飛行器動力裝置及其他熱動力機械的設計、研究、生產、實驗、運行維護和技術管理等方面工作的高級工程技術人才。飛行器動力的重要部件對抗氧化性能和抗熱腐蝕性能要求較高，要求材料和結構具有在高溫下長期工作的組織結構穩定性。因此，材料在高溫下的行為、性能和分析、選擇方法應該是該專業“工程材料學”課程的重點。飛行器制造工程和機械工程等專業要針對現代飛行器工作條件嚴酷、構造復雜的特點，采用先進制造技術，實現設計要求，并為飛行器維護提供便利。該專業要求學生理解飛行器各部件的選材要求，掌握材料的制造工藝。飛行器零部件形狀復雜，所用材料品種繁多，加工方法多樣，工藝要求精細。很多新材料首先在航空航天領域得到應用，其制造技術具有新穎性的特征，設計、材料與制造工藝互相融合、相互促進的特點非常明顯，這就要求學生在“工程材料學”課程中把材料基礎打好，適應工藝和材料不斷發展的要求。雖然各專業對“工程材料學”課程的要求有所不同，但課程基礎一致。該課程名稱為“工程材料學”，即明確其重點在于將材料科學與技術的成果運用于航空航天工程，把材料基本知識轉化為生產力。“工程材料學”是相關專業材料學科的基本課程，學生要通過該課程了解金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料等微觀和宏觀基礎知識，學習材料研究、分析的基本方法，掌握材料結構與性能等基礎理論，研究主要材料的制備、加工成型等技術，為更好地學習專業課程創造條件，為將來從事技術開發、工藝和設備設計等打下基礎。由此可見，在明確了各專業對該課程的個性化要求的基礎上，更要明確共性要求。“工程材料學”課程要培養學生材料方面的科學概念，提升材料方面的科學素質，扎實的材料科學與技術知識基礎是學生學習專業課程、提高綜合素質、培養創新能力的必備條件，是進一步發展的基礎。因此，“工程材料學”課程采用“公共知識+方向知識”的模式比較合適，即把教學內容劃分為每個專業均要求了解的材料領域知識和根據各個專業特色需要重點介紹的知識兩部分，既滿足了寬口徑、厚基礎的教學需要，又注重了后續專業課程學習和能力培養的要求，促進了基礎理論和專業應用的融合滲透，較好地滿足了材料、設計、制造、維護一體化發展的需要，增強了跨學科、跨專業認識問題、思考問題和研討問題的能力。
三、多管齊下建設豐富的教學環境
作為一門學科基礎課程，“工程材料學”課程要根據學校人才培養創新目標和相關專業的人才培養標準、方案，結合卓越工程師教育培養的要求，注重與專業課程體系的融合，注重與工程實踐教育的結合，注重對學生創新意識、創業能力及綜合運用知識能力的培養。在充分調研與分析專業人才培養對課程教學要求的基礎上，要對課程的教學大綱和內容進行修訂，與相關教學環節有效整合，拓展教學活動的空間，營造良好的學習環境和氛圍，加強與后續課程及實踐活動的聯系，解決學科基礎課的教學與專業人才培養需求的脫節或不銜接等問題。“工程材料學”在第四學期開設，是一門承前啟后的課程。在前期開設的課程中，“大學物理”和“航空航天概論”是兩門直接相關的課程。“大學物理”提供了學習“工程材料學”的科學基礎，認真分析“大學物理”知識點在“工程材料學”中的應用，有助于學生更好地理解相關概念。“航空航天概論”以航空航天領域的發展為主線，介紹飛行器的組成及工作原理。如果在“工程材料學”課程講授之初讓學生重新回到機庫，從材料發展的角度再次審視航空航天的進步，結合材料學的概念研究飛行器的組成及工作原理，會使得學生對該課程有比較全面的認識。在相關專業的后續課程中，有好多課程與“工程材料學”密切相關，如“飛行器總體設計”、“發動機原理”、“先進制造技術”等，如果在“工程材料學”中對有關知識點作簡單介紹，可以使學生更好地綜合分析相關概念，加深理解。在主機類專業培養方案中，“工程訓練”是集中式的工程能力培養環節，其教學內容與“工程材料學”密切相關。“工程訓練”教學內容以機械制造工藝和方法為主，包括熱處理、鑄造、鍛造、焊接、車削加工、銑削加工、刨削加工、磨削加工、鉗工、數控加工、特種加工、塑性成型等，每一種制造工藝和方法都與工程材料密切相關。在以前的教學工作中，材料是加工對象，對材料的性能等的介紹很簡單，學生的認識較淺。如果在“工程訓練”教學過程中，針對不同的加工工藝和方法對材料作較深入的介紹，從應用的角度分析不同材料加工工藝和方法的適應性，可以促進學生把材料理論知識的學習和工程實際聯系起來。通過讓學生分析研究實際材料在加工過程中的表現來認識材料的性能，通過感性認識來體會材料變化的規律，把深奧的材料科學理論知識和生動形象的加工過程結合起來。這樣不僅強化了工程訓練效果，還能讓學生把材料的知識學活，留下更深刻的影響，更好地發揮學生的潛力。航空航天主機類專業的課程設計是重要的綜合學習環節。課程設計任務一般是完成一項涉及本專業一門或多門主要課程內容的綜合性、應用性的設計工作，通過一系列設計圖紙、技術方案等文件體現工作成果。很多主機類專業的課程設計涉及材料的選用、處理等方面的問題。按照教學計劃，“工程材料學”先行開設。因此，在相關課程設計中，有目的地提出材料問題，引導學生在更廣的范圍里選材，在更加深入的層面上分析材料性能，可以更好地調動學生自主探究材料科學的積極性，幫助學生把材料知識轉化為初步的工作能力，克服課程知識的碎片化傾向。
四、結語
航空航天是現代科學技術的集大成者，該領域發展很大程度上取決于材料科學技術的進步。材料學是航空航天工程技術人員知識結構的重要組成部分。“工程材料學”要按照現代大工程觀的要求組織教學，才能實現教學目標，提高培養質量。航空航天領域和材料科學技術發展，極大地豐富了“工程材料學”的教學內容。要根據學科領域的發展需要選擇教學內容，按照理論實踐結合、突出工程應用的要求構建知識體系。在教學工作中，應根據不同專業的培養要求，深入研究材料學的基本要求和各專業的發展方向，形成“公共知識+方向知識”的“工程材料學”課程結構，提高教學效率。統籌考慮專業教學與其他課程的聯系，以及課程設計、工程訓練、畢業設計等教學環節，以“工程材料學”課程為中心，注重課程的縱向推進和知識的橫向聯系，不斷加深對材料學的理解和掌握，培養多角度研究分析、跨專業交流合作、多學科解決問題的能力。
作者:汪濤 周克印 單位:南京航空航天大學材料科學與技術學院
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空間飛行器總體設計范文4
朝鮮彈道導彈柵格翼情況 SS-20“先鋒”導彈尾部被鋼帶固定的格柵翼
從目前情況來看，朝鮮掌握柵格翼技術已久，但最近在中程導彈“舞水端”和潛射導彈“北極星”上使用都尚屬首次。總的來看，朝鮮目前共有3種型號的彈道導彈使用了柵格翼技術。
KN-02KN-02近程彈道導彈是朝鮮對蘇聯9K79“圓點”（SS-21“圣甲蟲”）戰術導彈的仿制，為單級固體燃料導彈，用于替換“蛙”7非制導火箭。據稱朝鮮從敘利亞獲取了SS-21導彈原型和數據，進行了逆向設計，但在設計中加入了朝鮮的設計，至少有一種原型保留了“圓點”導彈的柵格尾翼設計。在噴管出口處裝有4個燃氣舵，燃氣舵與裝尾段支架一側的4個可折疊柵格翼相互聯動，以控制導彈飛行，在主動段速度較低時由燃氣舵控制，而在速度增大后由燃氣舵和柵格翼聯動控制，在再入大氣層段則完全靠柵格翼來控制，控制機構為裝在尾段內的4個液壓伺服機構。
“舞水端”（“火星”10）朝鮮近期公布的2016年6月22日“舞水端”試驗照片中首次出現了“舞水端”導彈根部四周帶有一套對稱配置的8副柵格翼，而此前朝鮮歷次閱兵展出的“舞水端”和今年4月以來進行的多次試驗中均未發現這種設計。由于蘇聯SS-20“先鋒”導彈只采用4副柵格翼，因此朝鮮這種使用8副柵格翼的設計用于中程彈道導彈在全球范圍內尚屬首次。估計“舞水端”導彈的可折疊柵格翼通過內部的液壓聯動機構與內部源于蘇聯SS-N-6導彈的兩部游動發動機聯動使用。這表明朝鮮工程師對“舞水端”導彈進行了較大改進，以提高其早期飛行的穩定性，通過外部空氣動力控制來克服導彈本身的問題。這種改進是在不到兩個月內完成的，是一個較快和直接的解決方案。
“北極星”（KN-11）與“舞水端”導彈的情況類似，朝鮮2016年8月24日試驗成功的“北極星”KN-11潛射彈道導彈也采用了8副柵格尾翼，這也是柵格尾翼首次用于“北極星”潛射彈道導彈。由于“北極星”KN-11導彈已經采用固體燃料發動機，因此其不可能使用游動發動機，而是采用了燃氣舵與導彈根部對稱配置的8副柵格翼聯動控制導彈。從2016年3月24日朝鮮公布的固體火箭發動機點火試驗影像看，其燃氣舵燒蝕較為嚴重，因此其需要在助推段速度較高時與柵格翼配合控制導彈姿態。
2016年8月24日“北極星”潛射導彈試驗與2016年6月22日“舞水端”試驗的另一共同點就是在采用柵格尾翼設計后均取得試驗成功，且都采用高彈道發射，“舞水端”在飛行400千米后成功濺落，“北極星”在飛行500米后成功命中海上目標區。這不得不讓人認為柵格翼設計克服了兩款導彈的技術障礙。
現代導彈柵格翼技術發展 使用格柵翼的GBU-43B“炸彈之母”
自20世紀40年代開始，蘇聯科學家對柵格翼的空氣動力、結構、強度、質量以及工藝制造等方面開展了研究，但由于當時對這種翼面的各種特性認識不足，柵格翼沒有被廣泛應用。近年來，柵格翼重新引起了各國重視。
小型導彈/炸彈50年代初，蘇聯就探討了柵格翼氣動特性的解析和工程計算方法，研究了風洞的實驗技術，進行了大量的氣動計算和實驗，同時也開展了柵格翼的結構、強度、生產工藝的研究，形成了一套設計方法。除了飛船救生逃逸系統和彈道導彈之外，蘇/俄在導彈上最成功的柵格翼應用是R-77中程空空導彈。90年代初，俄首次在R-77空空導彈上采用4片柵格尾翼舵面取代常規的舵面，這是世界上第1型采用柵格式尾翼舵面的空空導彈。柵格舵面取代傳統的空氣動力控制舵面，可以減輕尾翼質量、減少大攻角機動飛行時的氣流分離、減小舵面氣動鉸鏈力矩，從而減小舵機功率，降低舵機能源，增大氣動升力和控制力矩，提高低速飛行時的穩定性和高速飛行時的機動性。柵格式尾翼因為其結構形狀和小弦長，可以緊貼彈體折疊，這樣導彈結構更加緊湊，易于存儲和運輸。以后，俄推出的“俱樂部”潛射反艦導彈也采用了柵格尾翼布局，其彈體尾部帶有4片柵格翼，未發射狀態下緊貼彈體折疊，從魚雷管射出后柵格翼打開，在水中穩定潛行，能有效解決潛射導彈水中發射穩定性問題。
相對于蘇/俄來說，美國開展柵格翼的工作比較晚，但發展非常快。20世紀90年代初，美國開始考慮該技術的實際工程化應用，與俄羅斯不同，其主要將該技術應用在了航空炸彈上。美國研制的柵格翼典型應用是其在阿富汗戰爭中首次使用的“炸彈之母”MOAB，其充分利用了柵格翼的可折疊性。MOAB炸彈外形較大，由C-130運輸。柵格翼在待發狀態下緊貼彈體，投放時打開，控制MOAB炸彈利用GPS信號攻擊指定目標。大型的MOAB炸彈使用柵格尾翼主要是為了追求低速狀態下的姿態控制能力，其自由落體速度不快，無法使用傳統氣動舵面進行控制，于是用了阻力較大的柵格尾翼（阻力是控制力的來源）。美國另外一個應用柵格翼技術的是其小型炸彈，如JDAM和小彈徑炸彈。小直徑炸彈比常規炸彈輕，由GPS引導。這類武器低速飛行時，利用的主要是這種翼結構可折疊的特點，而非追求其空氣動力特性或是控制效率。
除了俄美之外，德國等國家也開展了柵格翼的理論研究和試驗研制，特別是在新的高超音速導彈上，再次出現了柵格舵翼，以此改進低速情況下的空氣動力特性。從目前情況看，該技術還廣泛應用在無控火箭和反坦克導彈，甚至多種子彈藥的設計上。
大型導彈70年代開始，蘇聯科學家開始在導彈設計中應用柵格翼，特別是彈道導彈，如SS-12戰術彈道導彈、SS-20“先鋒”中程導彈、SS-25“白楊”戰略導彈，SS-21“圓點”和SS-23“蜘蛛”戰術彈道導彈等。這些導彈中除了朝鮮模仿的SS-21“圓點”和作為俄目前主力的SS-25“白楊”外，其它導彈均因技術落后和國際條約限制等原因而退役。其中最有特點的當屬SS-20“先鋒”兩級中程彈道導彈，該導彈射程4 500千米，曾是俄戰略核力量的主力，其也是SS-25“白楊”導彈的前身。
SS-20導彈從上至下依次為彈頭、儀器艙、第二級、級間段和第一級。兩級各裝1臺固體火箭發動機。導彈第一級尾段上固定4個燃氣舵，另有4個柵格翼和4個穩定翼。這些尾翼平時處于折疊狀態，用一個鋼環鎖緊，當導彈彈射出發射筒后，靠彈簧力使鋼環解鎖，將尾翼展開。導彈在第一級工作期間用燃氣舵和柵格翼空氣舵同時提供控制力，而在第二級工作期間靠二次噴射系統實施推力矢量控制和靠滾動控制噴管進行滾控。在第二級發動機關機后由姿態控制發動機進行控制。SS-25“白楊”沿用了柵格翼設計，但在后來的SS-27“白楊”M上沒有再使用這一設計。在SS-20“先鋒”中程導彈和SS-25“白楊”戰略洲際導彈上使用柵格翼，可以說是該技術在導彈領域應用的巔峰。
民用航天柵格翼技術除了在導彈和炸彈上使用外，在民用航天領域也有著較為成熟的應用。蘇聯曾成功地將柵格翼用作“聯盟”號飛船救生逃逸系統的穩定翼面。逃逸飛行器是一個無控飛行器，可在39千米高度下的大氣層中應急啟動。為保證逃逸飛行器的氣動穩定性，設計人員為其設計了4塊展開的柵格翼，其將逃逸飛行器氣動壓心后移，實現了穩定飛行。逃逸飛行器由逃逸塔、柵格翼、可分離頭部整流罩、柵格翼展開機構等組成，其中柵格翼展開機構是保證逃逸飛行器靜穩定性的特殊裝置。
導彈柵格翼的結構原理
柵格翼是一種較少采用的氣動面形式，一般用于為飛行器提供姿控力。其特殊的結構使其具備一般導彈彈翼不具有的能力。
組成結構與普通的單翼不同，格柵翼是由眾多的柵格壁鑲嵌在邊框內形成的多翼面彈翼。柵格壁在邊框內可任意布局，但最基本的布局形式有兩種：一種是框架式，一種是蜂窩式。蜂窩式又分為正置蜂窩式和斜置蜂窩式。目前得到最廣泛應用的是斜置壁與邊框成45度角的蜂窩式柵格翼。蜂窩式柵格翼作為飛行器和水上航行裝置的升力面和控制面，可提高其升力特性，并且增加其穩定性和可控性，同時保證其在各飛行階段具有足夠的比強度、比剛度。 格柵翼結構形式，翼展為L，翼弦為b，翼高為H，兩相鄰格柵對應點間距離為t
格柵翼的主要參數是翼展、翼弦、翼高和兩相鄰格柵對應點之間的距離。格柵翼提供的升力較大，在較大的攻角和馬赫數范圍內都有很好的升力特性，它的尺寸較小，重量輕，弦向尺寸小，展弦比大，壓力中心的絕對移動量很小，鉸鏈力矩很小，可采用較小的舵機。這些特點為各類導彈提供了有利條件。
工作原理在大氣層中飛行的物體，轉彎的方式大致有三種。首先是氣動舵面，在迎面空氣的沖刷下，根據舵面位置的不同，產生大小不一的力矩，控制飛行器轉向。飛機和大多數導彈都要通過這種方式實現轉向，這種方式的特點是：需要飛行器本身具有一定的速度。其次是燃氣舵，燃氣舵往往被安裝在噴管附近，通過相應的偏轉改變尾流的噴射方向，進而改變導彈姿態。由于燃氣舵的工作環境過于惡劣，即使采用了抗燒蝕材料，也作用不了多長時間。還有，導彈動力段飛行結束，燃氣舵就沒有存在意義了，因此多用于剛剛發射或彈射出筒的導彈改變飛行姿態，如AIM-9X這樣的大離軸角格斗彈。再有就是姿態控制噴口，在導彈前端，通過噴射工質改變導彈指向，比如“道爾”M1防空導彈。
柵格翼屬于氣動舵面的一種，相比于傳統氣動舵面，其相當于若干個疊加在一起的相同姿態的短翼共同作用。其最大的優點是在相同飛行速度下，柵格尾翼的氣動控制效率要高于常規氣動舵面，其阻力也大于常規氣動舵面。導彈飛行速度越快，舵面與空氣的相對速度就越快，作用在導彈上的力就越大，舵面的控制效率就越高。在低速狀態下，柵格翼舵面效率高于常規氣動舵面。 空空導彈尾部的燃氣舵
彈道導彈柵格翼技術的優勢
柵格翼與普通平直板翼相比，其在技術上有諸多優勢。
控制能力強將柵格尾翼用作導彈的全動舵面時，鉸鏈軸一般放在二分之一弦長處。由于弦長短，壓力中心距鉸鏈軸很近，空氣動力產生的鉸鏈力矩是個小量，因而轉向機構的功率很小，允許采用較輕和較小的作動系統，使尾翼的質量明顯減小。其實不嚴格地說就是，格柵翼由于尺寸面積較小，其受到的空氣動力（鉸鏈力矩）較小，只要小功率的伺服機構就可以轉動，所以將柵格翼用作控制面時，其轉向機構所需的功率很小，這將導致傳動和電源等裝置的質量減小，而導彈尾部因為要布置火箭發動機的尾噴管，空間非常狹窄，這樣就可將導彈的氣動操縱面設在導彈的尾部。
機動性更好由于導彈的火箭發動機工作時間只有10秒左右，火箭發動機里的藥柱燃燒完后，導彈的重心前移到前部，這樣將氣動操縱面設置在導彈尾部就可以為導彈提供更大的操縱力矩，提高導彈的機動性。通過模擬試驗，科研人員發現，柵格尾翼的失速迎角可高達40度，大迎角飛行時氣流分離減少，阻力降低，且超過失速迎角后升力的下降卻比較緩慢，這無疑使導彈的機動能力大大提高。 戰術導彈尾部的格柵翼組件
占用空間小與平直翼相比，柵格翼展向尺寸小，可以緊貼主體折疊安裝而不加大主體的外形尺寸。在很多情況下柵格翼可以在本身的空氣動力力矩作用下自動打開，也可以強制打開。利用這一優點，可以將柵格翼設置在從軍艦或潛艇發射的導彈上，或設置在飛機機艙內的導彈上。導彈發射前柵格翼處在折疊狀態，在發射過程中自動展開并開始工作，這是傳統平板翼做不到的。這樣可使彈艙懸掛更多的導彈。例如，俄羅斯將使用柵格翼的R-77導彈裝在米格-29、米格-31、蘇-27、蘇-35等戰斗機上，可同時攻擊4～6個機動過載為12g的空中目標。
結構強度佳柵格翼作為承力面，最大的優點是具有高的強度-質量比。柵格翼是一個較短的懸臂梁，結構高度較大，與展長的尺寸相當或大大超過了翼弦，而且柵格翼的最大氣動載荷作用面與結構的最大剛度面重合，這大大增強了其受力強度。而單面翼最大氣動載荷作用面與最小剛度面重合，所以在與單面翼承受相同載荷的條件下，柵格翼的質量可以大大減小，但剛度要比單翼好得多。柵格翼的重量是實心單翼的1/ 3～1/5，比空心截面的單翼輕一半以上。從結構上看，斜置蜂窩式柵格翼是一種重量更輕、剛度更好的薄壁桁架的結構形式。因為它具有斜交的柵格壁，所以能有效地承受空氣動力載荷。在翼展和升力面面積相同的條件下，柵格翼的彎曲強度比單翼高得多。這也使其金屬材料消耗少，適于批量生產。
氣動效率高科研人員計算發現，在較高馬赫數的超音速氣流中，柵格尾翼內部各柵格壁間的波系干擾消失，升力特性基本上與平直翼型相等。在相同的外形尺寸下，柵格翼的升力面積比單面翼大得多，故升力也大得多。此外，柵格翼的重量效率比單翼高，因為柵格翼的受力組件都處在氣流中，因而每個組件都起著承力面和空氣動力面的雙重作用，而單翼的受力組件布置在翼面內部，它們不產生空氣動力。
可見，平板翼具有自身的一些局限性，如果射程遠，速度高，飛行時間長，這種傳統的尾翼布局就難以協調穩定性和強度問題，而柵格翼由于具有上述優點，能克服傳統彈翼的局限性。不過，柵格尾翼阻力系數和雷達散射截面特性不如平板翼，因此在導彈設計中需要考慮。 R-77空空導彈尾部的格柵翼
朝鮮彈道導彈柵格翼應用原因
空間飛行器總體設計范文5
世界航天工業經過五十多年的發展，目前規模已相當可觀。在不同程度上建立了航天工業的國家和地區已有20多個，但在能力與水平上，各國的相互差距仍然很大。目前，世界航天工業主要分布在一些發達國家和大國，以美國最為發達，俄羅斯、歐洲和日本的航天工業也相當發達，發展中國家中，中國、印度、巴西等國的航天工業都有一定的能力和水平。
一、美國的航天工業
美國的航天工業經過數十年的發展已形成了龐大的科研生產體系，從事航天工業的員工人數近百萬人，其中科研和工程技術人員約占到總數的近80%。美國從事與航天有關的研究與咨詢活動的研究機構及學會等約有200多家。按照航天產品和導彈的總體、動力系統和電子設備三大部分的主要承包商統計，約有370多家公司；如果將有關設備、儀器儀表、地面設備、電子元器件及原材料企業也計算在內，則為航天產品配套的公司有1000多家。美國大型航天和導彈公司大多從事航空航天業務，同時經營多種業務，有雄厚的技術開發設計能力。
美國將空間開發與利用作為綜合國力新的增長點，確立了發展空間能力為基本國策，不斷加強國家對航天工業的協調，實施商業化空間政策，對民用和軍用航天計劃在技術開發、發射和服務支持方面進行最大限度的協作，并廣泛參與世界范圍的競爭。美國已形成了一套比較完善的航天與導彈工業管理體制。總統與國會為決策層，總統負責航天和導彈工業發展的戰略決策和方針政策，國會進行航天和工業管理的立法，監督政府有關部門的航天和導彈工業管理工作，并通過預算撥款和政策對航天和導彈工業進行宏觀調控。國防部與國家航空航天局（NASA）為計劃層，國防部是軍用航天和導彈的主管部門，NASA是美國民用航天活動的政府主要管理部門，并承擔部分軍用航空航天計劃，NASA還與其它政府部門負責商業航天規劃的實施。承包商（工業界）、科研部門、大學等為實施層。
美國在航天工業上的投資遠遠超出其它國家，2001年達到288億美元，約占世界所有國家航天預算總和的75%。
到目前為止，美國不僅形成了龐大的航天和導彈研發、生產和管理體系，而且不論是航天運載工具和航天器、還是各類導彈，均形成種類齊全、型號繁多的體系。美國具有世界上最強大的航天運載能力，擁有重型、大、中、小型等多種系列運載火箭，目前只有美國的航天飛機是世界上唯一投入使用的可重復使用的運載器，在研的及預研的可重復使用的運載器數量最多時達到十幾種；美國載人航天和空間探測技術發展成熟，目前領導和管理著龐大而復雜的國際空間站工程，數十個空間探測器探測了月球、行星和星際，各類在軌的衛星門類齊全。自人類發射第一顆人造地球衛星以來，各國發射了5000余顆衛星，其中美國占了將近一半。
美國的航天和導彈技術始終處于世界領先地位，這與其長期保持雄厚的航天工業基礎和持續的創新能力分不開。航天與導彈技術屬于綜合技術和系統工程技術，需要以各專業技術為基礎。美國十分重視國防技術基礎的發展，國防部制訂的15項國防關鍵技術，其中12項都用于航天和導彈的研發。而這些關鍵技術的絕大多數在世界居領先地位。
二、俄羅斯航天工業
俄羅斯繼承了蘇聯大部分航天與導彈工業的科研設計機構和工業企業，保留了規模巨大航天與導彈工業的基礎，以及雄厚的科研、生產、試驗和應用能力。獨立后，俄聯邦政府給航天與導彈工業的財政撥款銳減，許多已列入航天與導彈計劃的研制和生產項目被取消或推遲，航天與導彈工業受到巨大的影響。但由于蘇聯航天與導彈工業的龐大規模和堅實的基礎，使俄羅斯至今仍然保持著一個實力僅次于美國、許多領域可以與美國并駕齊驅的航天與導彈工業強國的地位。
俄羅斯非常重視航天工業的發展，在經費有限，航天與導彈發展規模縮小的情況下，突出保證國家航天與導彈重點項目的實施和發展，繼續保持重點航天與導彈技術在世界的領先地位。俄羅斯將核威攝力量做為國家安全的基石，保持和發展包括新型戰略導彈在內的戰略核力量，確保獨立研制、生產先進戰略導彈系統的能力。鼓勵航天與戰術導彈產品的出口，積極開展國際航天合作。
目前，俄羅斯航空航天局直接管理著從事航天與導彈系統及相關部件研制的研究設計機構和生產企業一百多家，另有航空航天局內外的45家企業通過合作參與航天器與導彈的研制生產，還有一些俄羅斯與國外合資的航天企業。從事航天與導彈研制與生產的雇員近30萬。從獨立后的1992年至2000年底，俄羅斯共進行了316次航天發射，先后發射了454個各種軌道的航天器。近5年來，俄羅斯平均每年約進行20～30次航天發射，發射數量大約是蘇聯時期的1/3。俄羅斯的航天產品包括各種航天運載器、衛星和深空探測器、載人飛船與空間站，建立了完整的航天飛行控制與測量系統，開展了全面的航天應用與豐富空間科學研究活動，是美國之外全球航天產品最齊全、設施最配套的國家。俄羅斯已經形成種類齊全、產品配套的導彈武器系統。總體上說，在許多領域俄羅斯導彈武器系統在品種、技戰術水平上都可與美國匹敵。
三、歐洲航天工業
法國是西歐第一航天大國，也是美國和俄羅斯之后的世界第三航天大國。它擁有強大的運載火箭與航天器制造能力和類型較齊全、規模較龐大的導彈研制生產能力。法國航天和導彈工業的規模在西歐居第一位，從業人數和銷售額均高居西歐各國之首。法國能獨立或為主研制各種大型運載火箭，通信、偵察和對地觀測衛星，較大型航天器以及各種類型的導彈，共研制過或正在研制約5個系列的運載火箭、約15種型號的衛星、3種型號的航天器和約60種型號的導彈，具備總體設計、推進、制導、結構、防熱等分系統設計與研制以及電池、火工品等零部件研制能力。法國研制生產的各種運載火箭、衛星 、航天器和導彈具有較高的技術和應用水平。其中，通信和遙感衛星性能接近世界先進水平，并帶頭打破了美國對國際商業通信衛星研制市場的壟斷，成為“阿拉伯衛星”和“土耳其衛星”的主承包商；反艦導彈、防空導彈、空空導彈的性能基本接近或達到美國同類武器系統的水平。法國航天大型企業的基礎雄厚、設備精良、技術先進，如在“阿里安”火箭總裝車間擁有現代化的機器人、加工中心、CAD／CAM、數學仿真、模擬仿真等設備，其設計、研制、管理手段均非常先進。
英國航天和導彈工業的規模，在西方國家中處于前列。英國有比較配套的航天工業產業結構和產品結構，研發、生產能力與水平在西方國家中處于前列。英國航天工業的研發和生產注重選擇重點發展方向，主要是在對地觀測衛星、小衛星和衛星軟件等領域的研發、生產中具有很強的實力；在通信衛星技術領域的研發中處于世界先進水平；能獨立研發、生產衛星整星和探空火箭，但不能獨立研發、生產運載火箭。英國雖然缺乏戰略導彈生產能力，但在戰術導彈領域，除了不具備獨立研制生產巡航導彈的能力外，其它戰術導彈不僅可以獨立研發和生產，而且其水平位居世界先進行列，至今已經生產了30多種型號的戰術導彈。英國的航天與導彈產品在國際市場上具有一定的競爭力，其中每年戰術導彈的出口貿易額達10多億英鎊。
德國近年來在航天器系統設計、制造、管理和工程總承包方面積累了豐富的經驗，掌握了許多領域的關鍵先進技術。在單、雙組元液體推進系統，硅太陽電池及復合材料電池板，衛星姿控系統，行波管放大器，光學儀器，電火箭發動機技術等領域擁有世界一流技術。在大型運載火箭第二級液體芯級、液體捆綁助推器、上面級液體火箭發動機、姿控發動機和火箭結構件的研制上具有豐富的經驗。德國具有應用衛星和科學實驗衛星整星研制的能力，并擁有很高衛星制造水平，尤其在衛星太陽電池系統、姿控系統、光學儀器、衛星通信有效載荷、衛星單組元和雙組元推力器及電推進系統領域擁有先進水平。德國近年來積極參與了歐洲阿里安4、阿里安5運載火箭的研制和生產，并自己研制了哥白尼德國郵政衛星。德國不生產戰略導彈產品，研制的導彈產品主要有地空導彈、空地導彈、空空導彈、反艦導彈、反坦克導彈等。
意大利航天與導彈工業規模在西歐排名第四位。意大利的航天工業在歐洲具有較先進的技術水平，能夠獨立開發衛星系統和輕型運載火箭。在大型運載火箭固體助推器、衛星平臺、衛星通信高頻技術、通信衛星有效載荷、衛星天線、遠地點發動機領域位于歐洲前列。意大利作為主承包商研制的典型衛星型號有意大利衛星-1、-2通信衛星，阿蒂米斯先進中繼和技術衛星，宇宙-昴星團衛星，米塔科學小衛星。與其他國家聯合研制的航天器有多種型號。意大利目前作為主承包商正在研制維加輕型運載火箭；參加了國際空間站項目，承擔了多功能增壓后勤艙（MPLM）等重大項目的研制。在導彈領域，主要通過與法國、德國、英國和美國等國家合作的方式研制生產戰術導彈，產品包括反艦導彈、防空導彈、空空導彈、空地（艦）導彈和反坦克導彈。
空間飛行器總體設計范文6
關鍵詞：科技館，內容規劃
Abstract: a comprehensive construction of large science and technology museum, the exhibition content planning is the first priority is to the core problem, it decided to a science and technology museum of the core idea and show whether the theme fully manifests, decided the science and technology museum show general layout of content and regional logic division. In guangdong science center show content construction practice as an example, this paper discusses the construction of overall planning of the science and technology content general principles and rules, and for other similar science and technology museum of significance of reference to the construction.
Keywords: science and technology museum, content planning
中圖分類號：TB491 文獻標識碼：A文章編號：
廣東科學中心是廣東省為實施“科教興粵”和建設文化大省戰略，而投資興建的大型公益性科普教育基地，位于廣州市大學城，占地45萬平方米，展覽場館建筑面積11.5萬平方米，在世界上也屬于最大型綜合性科技館之一。其建設宗旨是：弘揚科學精神，普及科學知識，傳播科學思想和科學方法，樹立科學發展觀，提高全民科學素養。
一．內容規劃的總體設計
展示內容規劃必須圍繞著“以人為本，傳播科學，和諧共進”的核心理念，沿著“自然，人類，科學，文明”的主題思想分別展開。以人為本，則要求把人作為展示內容規劃的邏輯起點。“人”首先與主題中的“自然”相遇，面對自然，人的好奇心驅使人對“自然探索”（第一展區）；驅使人去認識“人類”自身，“揭示生命現象的奧秘”（第二展區）；人類追求真理的活動表現為“科學發現”（第三展區）；科學影響人類的生活，使人們生活更美好，表現為“文明”的發展。它是由科學轉變為技術而實現的，技術為人類帶來幸福，同時也帶來挑戰，即“技術挑戰”（第四展區）；人們探索自然，揭示生命奧秘，享受科學發現的愉悅，也勇敢地面對技術進步所帶來的挑戰，這便是全部現代文明的秘密，即人類始終生活在由科技所創造的“樂園”之中，即所謂“科技樂園”（第五展區）。由此，廣東科學中心內容規劃的五大展區如下：
第一展區 自然探索
第二展區 生命揭秘
第三展區 科學發現
第四展區 技術挑戰
第五展區 科技樂園
二．規劃內容的實施與分區布局
1．展示內容的選取原則
精選經典。科普教育的一項重要任務是將經典科學變成通俗易懂、大眾便于接受的常識，但被稱為經典的科學知識內容繁多，必須考慮所選擇內容的代表性，在體現科學世界觀整體性的前提下把握好展示內容的經典性。
突出前沿。前沿科學反映了當今科學發展的最新成就，是展示內容選擇的重點。對科學新思想和技術新成就的介紹要立足于“新”，突出前沿領域的新成就。
厚今薄古。在突出前沿的同時也應當適當展示古代科技內容，尤其是對中國古代科技文明成就的介紹。但整個展示內容的選擇必須遵循“厚今薄古”原則，以介紹當代科技的新成就為主，以區別于傳統的科學博物館。
2．規劃內容的分區布局
第一展區“自然探索”之“綠色家園”展館：展館內劃分為三個板塊：“綠色搖籃”、“綠色危機”、“綠色行動”。
“綠色搖籃”側重表現地球系統和生態系統的結構、平衡與循環，主要展示宏觀的地球系統的四大圈層；地球系統內部進行的物質循環和能量流動以及對生態系統及其平衡的影響。
“綠色危機”展示由于現代工業的飛速發展和人類對于自然無止境的索取和破壞，導致地球的資源危機、環境污染、生態破壞，以及頻繁爆發的自然災害。
“綠色行動”展示人們為保護我們的綠色家園而開展的生態恢復、環境治理、新能源開發利用等行動。
第一展區“自然探索”之“飛天之夢”展館：展館內劃分為三個區域：“挑戰天空”、“飛向太空”、“星際探秘”。
“挑戰天空”主要展示能使人類自由翱翔于藍天的航空科技知識，重點介紹航空飛行的基本原理、航空飛行器的設計與構造、航空材料與可靠性、航空飛行器的駕駛與控制、導航及空中交通管制等內容。
“飛向太空”以國內外航天科技發展為背景，以中國航天事業為中心，展示航天領域內的科技知識，重點介紹航天發射與飛行的基本原理和載人航天的系統工程。
“星際探秘”：浩瀚的天空和茫茫宇宙引發了人類無盡的遐想，造就了各種美麗的傳說。
第二展區“生命揭秘”之“人與健康”展館：展館內劃分為三個區域：“人體奧秘”、“健康新概念”、“高科技與健康”。
“人體奧秘”通過雜技演員的動作表演，介紹肢體運動與人體器官之間的內在聯系，觀眾在一系列互動參與的過程中了解人體器官的結構和功能、 生命系統的運行、基因的遺傳等知識。
“健康新概念”主要介紹關于人類健康的新指標，展示生活方式（飲食、運動、生活習慣等）對健康的重要影響，環境質量與健康的關系，心理健康的培養，引導公眾追求健康的生活品質。
“高科技與健康”利用現代高科技手段進行各種健康指標的測定，展示人類利用最新科技手段在人體健康領域的研究成果，表達科技不但改造了整個世界，也同樣改變了我們人類自身。
第二展區“生命揭秘”之“感知與思維”展館：展館內劃分為三個區域：“感知花園”、“錯幻覺王國”、“思維空間”。
“感知花園”展示人類識別和處理外界信息的物質基礎極其生理機制，以及相關的技術研究和應用，介紹人類主要的感覺器官、大腦的構造和功能、大腦思維發生過程的生理機制等。
“錯幻覺王國”：展示人們認知事物過程中的感性認識階段的有關規律，并讓觀眾進行一些有趣的自我感知測試，了解自身的感知能力。
“思維空間”：展示人們認知事物過程中的理性認識階段的有關規律，并應用這些規律去探討科學用腦和腦開發的問題。
第三展區“科學發現”之“實驗與發現”展館：展館內劃分為五個區域：“科學發現廣場”、“伽利略實驗室”、“法拉第實驗室”、“牛頓實驗室”、“探索生命遺傳奧秘”。
“科學發現廣場”作為整個展館的觀眾導覽、人群集散的空間，設置有世界十大經典物理實驗，并展示科學大發現的歷史脈絡。
“伽利略實驗室”以自由落體定律的發現過程為線索，介紹伽利略在觀測實驗的基礎上，融會貫通數學形成“實驗-數學”方法，開創研究自然規律科學方法的先河。
“法拉第實驗室”以電磁感應定律的發現過程為線索，介紹電磁學領域內的著名發現和探索歷程，讓觀眾體會人類探索自然規律的科學態度和科學精神。
“牛頓實驗室”以萬有引力定律的發現為線索，介紹牛頓“站在巨人的肩膀上”，通過“想象、假設、實驗、類比、演繹、歸納”等思想方法，創立經典力學體系的歷程。
“探索生命遺傳奧秘”展示生命科學領域的相關知識，介紹該領域內世界著名科學家的重大建樹和科學的研究方法。
第四展區“技術挑戰”之“數碼世界”展館：本展館劃分為四個區域：“數字技術基礎”、“數字技術應用”“數字樂園”、“數字夢想”。
“數字技術基礎”包含數字技術的基本概念（如二進制等）、信息的數字化過程、數字信息的處理、計算機與網絡基礎知識等。
“數字技術應用”展示數字技術在日常生活中的應用，以及在數字化時代人們生活方式、工作方式、娛樂方式、相互溝通方式的改變。
“數字樂園”和“數字夢想”以多形式、全方位介紹虛擬現實技術以及混合現實技術。
第四展區“技術挑戰”之“交通世界”展館：展館劃分為四個區域：“汽車技術基礎”、“最新的汽車技術”、“未來都市交通”、“汽車生活與娛樂”。
“汽車技術基礎”介紹汽車構造、類型、工作原理以及汽車設計制造的流程和相關技術。提供觀眾進行經濟駕駛、汽車設計的平臺，為探究汽車內部構造的觀眾提供真實的環境。
“最新的汽車技術”展示高新科技在汽車上的運用，例如主動安全技術、清潔能源技術、資源再生技術等，使汽車的使用更加安全、環保、舒適、便利。
“未來都市交通”主要展現未來的城市智能交通系統，以及快速交通、軌道交通等知識。
“汽車生活與娛樂”展示汽車的維護、使用，汽車與能源環境，以及汽車文化的相關內容。
第五展區“科技樂園”之“兒童天地”展館：通過“我的家與居住小區”、“我的城市”、“我的世界”、“我的工作室”，讓兒童從家到大自然，在熟悉的生活環境中、模擬的社會場景及自然環境中親近自然、體驗社會與生活、接觸科技。由此，四個展示區域規劃而成。
“我的家與居住小區”從日常生活開始，在游戲和動手操作中感受身邊事物，體驗生活中的科學，引發探索其中奧秘的欲望。
“我的城市”通過模擬活動的體驗，讓小觀眾接觸城市的交通、建筑、通訊、能源供應等領域，探索其中的科學與技術。
“我的世界”以探索自然界的奧秘為主題，通過與農作物、動植物、地球礦物等內容的互動展項，引發兒童的好奇心和觀察的興趣。
“我的工作室”提供培養想象力、探索精神和展示自我的交互式學習環境，讓兒童在“動手做”中親歷科學探索的過程。
