总计3000万元丨2024北京市自然科学基金商业航天领域联合基金项目,设置33个指南方向

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2024

各有关单位:

商业航天是推动空间信息产业发展、建设航天强国的重要力量,已成为全球科技、产业竞争的重点领域。为进一步实施基础研究领先行动,北京市自然科学基金从多方面加强对基础研究前瞻性、战略性、系统性布局,围绕商业航天、集成电路、生物医药等领域探索开展跨区域联合基金领域化布局,并率先在商业航天领域启动有关工作并发布2024年度北京市自然科学基金商业航天领域联合基金项目指南。

商业航天领域指南针对佰才邦、天兵科技、英视睿达、星河动力、中科宇航5家联合基金企业合作方的实际需求,将重点围绕可复用火箭总体设计、火箭推进技术、卫星组网与通信、宇航遥感与监测等领域关键科学问题开展布局,共设置33个指南方向,包括14个重点研究专题指南和19个前沿项目指南(重点研究专题资助强度100万元/项,前沿项目资助强度30万元/项),资助经费共计3000万元。鼓励优势科研团队围绕企业提供的应用场景开展研究,形成创新突破。

商业航天领域指南是市自然科学基金申报工作的指导性文件,相关项目申请工作将于5月下旬启动,特此通告。


北京市自然科学基金委员会办公室

2024年4月29日

2024年度北京市自然科学基金商业航天领域联合基金

项目指南

重点研究专题项目

一、百吨级可重复使用运载火箭系统优化研究

针对百吨级运载火箭多次重复使用的需求,结合整体系统构型、气动外形、结构质量、分离高度、分离速度等关键变量设计约束,研究面向全周期任务剖面的全局能量优化方法,实现对能量优化分配的设计目标,从而降低火箭重用回收造成的能量损失,提升运载能力。相比于一次性火箭,采用原场回收,火箭重复使用运载能力损失比例不高于40%,采用航区回收,火箭重复使用运载能力损失比例不高于20%。

二、可重复使用火箭跨域自主最优制导技术研究

针对可重复使用火箭精确定点软着陆飞行过程中跨空域/速域、多构型/模式的任务特点,研究适应复杂气动特性和飞行剖面的新体制多模型自主最优制导技术,考虑开机时机、发动机节流特性、强非线性外部扰动、制导模型偏差等设计约束,解决跨空域/速域机动控制能力变化、发动机喷流影响复杂等技术难题,实现复杂工况下制导轨迹的自主规划和强鲁棒性。基于当前箭上处理器水平,实现在线制导轨迹规划时间≤5s,落点精度≤100m,途经点控制精度≤100m。

三、可重复使用发动机深度变推燃烧室喷雾燃烧动态特性研究

针对液氧煤油发动机可重复使用5:1变推过程的动态特性、精准流量调控及高效喷雾燃烧耦合等问题,研究针栓喷注器内外流动的时空演化行为,建立宽工况范围适用的非定常雾化模型,发展非定常工况下的液滴粒径、浓度场分布及掺混特征预测方法;研究动量比、越程比等对针栓喷注器的喷雾燃烧特性影响,获取不同反压下针栓喷注器的动态特性及宽工况范围的喷雾燃烧耦合规律,建立针栓喷注器的雾化燃烧特性数据库,形成针栓喷注器优化设计方法。

四、直气复合回收火箭高攻角绕流特性及气动布局优化研究

针对火箭子级回收减速与控制的需求,开展高攻角条件下类火箭外形绕流流动特性研究,获得不同攻角下绕流流场对复合回收火箭气动力特性的影响规律,以此为基础开展高攻角稳定可控气动操控面布局原理设计,开展布局优化设计,从而充分利用箭体与气动面用于减速,降低发动机主动减速导致的推进剂消耗,并维持过程稳定控制能力。

五、面向液氧煤油火箭发动机的流固融合关键问题研究

针对液氧煤油火箭发动机燃气发生器与冷却通道中易出现燃油结焦以及主燃烧室中易发生不稳定燃烧等问题,设计面向抑制煤油结焦的金属表面材料微观晶体结构及材料表面钝化工艺,提出不稳定燃烧流动识别与控制的新技术。

六、火箭回收逆向喷流强干扰气动力热特性精确预示技术研究

针对垂直回收火箭动力减速段逆向喷流强干扰预测难题,开展逆向喷流强干扰效应预测高效高精度数值模拟方法研究,编制完成满足总体气动设计需求的计算软件。以此为基础,获得火箭垂直回收过程中典型喷流参数和飞行参数对箭体空间和表面干扰域形态、局部力和热载荷分布的影响特性。

七、低温复合材料气瓶树脂体系与液氧相容特性及力学特性匹配研究

针对低温复合材料气瓶树脂体系与液氧相容问题,开展材料相容特性研究,实现液氧冲击试验验证,满足树脂体系与液氧一级相容性指标,且无烧焦、闪光、燃烧等敏感反应;针对复合材料在低温下各方向力学性能变化以及复合材料与内衬材料的线膨胀系数存在差异等问题,开展力学性能匹配研究,并通过无损检测及爆破试验验证,实现复合材料与金属内衬界面不脱粘且爆破压力不小于2倍工作压力。

八、可回收火箭推进剂管理关键基础问题研究

针对可回收火箭在返回过程中受到气动、姿态扰动和复杂过载影响,建立贮箱中低温推进剂内流场分析模型,研究推进剂漂浮、气液掺混、夹气、不定向、蒸发、温升等过程特性,开展返回段低温贮箱气枕压力变化过程仿真,在满足发射过程大流量、低流阻要求的前提下,形成低成本、易实现的推进剂管理方案与贮箱压力管理方案,实现高可靠的发动机二次起动。

九、深度过冷液氧大流量加注技术研究

面向未来火箭大流量深度过冷液氧推进剂加注需求,针对传统抽空减压过冷方法中调控难、功耗大、流量小的问题,研究具有高效率、低成本、简单可靠的大流量、深度过冷加注技术,提出将液氧降低至66K的深度过冷加注方法,开展仿真计算和试验验证,实现运载能力提升10%。

十、面向复杂气动环境的动力着陆制导方法研究

针对火箭回收过程中在复杂气动环境下动力着陆问题,研究火箭自适应制导优化建模方法,结合不确定性建模技术、实时优化技术、气动参数辨识技术等,构建新型的火箭回收动力着陆实时轨迹优化方法体系,提高火箭回收过程中对复杂气动环境的适应性和安全性,并在典型的应用场景进行验证。

十一、天基智能处理设备关键基础问题研究

研究超异构计算架构,实现天基计算在高性能和灵活性之间平衡;研究空间抗辐照加固技术,形成系统级抗辐照加固能力;研发高性能、轻小型、高集成度、高灵活性、高可靠计算载荷;研究软件定义星载操作系统,支持多种星载计算任务;研究在轨增量更新技术,支持载荷操作系统、应用程序和算法模型的在轨更新。构建实验样机,AI算力不低于275TOPS,典型任务功耗不大于90W,重量不大于2Kg,体积不大于250mm * 150mm * 100mm。

十二、天空地一体化双碳智能监测关键问题研究

研究综合利用卫星遥感、地面监测和人工智能碳排放监测方法和科学产品生产系统,实现对碳源的实时监测和排放量精确核算,XCO2 精度优于5ppm,XCH4 精度优于40ppb。研究复杂地形和气候条件下,基于大数据和人工智能碳汇监测估算方法与模型,选择4个试点区域开展模型方法验证,碳汇估算准确率大于90%。

十三、面向手机直连低轨星座的智能宽带通信关键技术研究

针对低轨星座星地直连宽带通信面临的高路径衰减、强多普勒频移、大传播时延、频繁业务波束切换、业务波束跳波位难于规划、非理想射频硬件等难题,研究知识数据协同驱动的多星协作上行接入、下行信道预测、数字波束成形等星上处理技术,开展强多普勒下导频和数据非正交叠加传输的终端智能检测技术,探索多域资源智能调度策略,搭建基于3GPP协议的手机直连卫星仿真验证平台。

十四、面向6G空天地立体覆盖的语义通信关键技术研究

针对6G空天地立体覆盖场景下无人机与卫星等设备信道传输条件受限及高移动性导致的信息高效传输难、可靠恢复难和有效覆盖难等挑战,研究面向空天地立体覆盖的语义通信关键技术,提出多模态语义提取与高效通信技术、传输条件受限下的语义信息可靠恢复技术、基于语义通信的无线覆盖扩展技术,搭建面向6G空天地立体覆盖场景的语义通信试验验证系统。

前沿项目

1、垂直起降运载器气动布局与气动力/热特性研究

针对单级亚轨道垂直起降运载火箭跨速域、变姿态的飞行过程,研究复杂交变流场环境下的气动力/热特性,构建全任务剖面的一体化气动布局。

2、垂直起降运载火箭输出受限条件下的延迟补偿控制技术研究

针对单级亚轨道垂直起降运载火箭在垂直回收段对控制精度提出的高精度快响应要求,在推力调节和喷管摆动存在系统性延迟且输出受限条件下,研究延迟补偿控制技术,降低执行机构对控制指令的跟踪延迟,实现精确回收。

3、垂直起降运载火箭基于频率辨识的自适应控制技术研究

针对单级亚轨道垂直起降运载火箭返回过程中高速通过气动减速段时,由于气动力大和跨域气流交变引发整箭振动特性无规则快速变化的现象,开展基于频率辨识的自适应控制方法研究,提高垂直起降火箭的控制稳定性。

4、面向亚轨道旅游的高可靠伞系气动减速关键问题研究

针对亚轨道返回式载荷舱宽速域减速回收难题,建立伞系气动与动力学一体化分析模型,开展高强轻质降落伞设计与结构优化研究,构建一套适应复杂流场变化的高可靠、低成本、轻量化伞系减速系统,并验证减速效能与可靠性。

5、液体火箭发动机深度连续变推动态过程研究

针对燃气发生器循环发动机深度连续变推力需求,建立高精度瞬态液体火箭发动机动态工作过程仿真模型,研究结构参数及工况参数对发动机性能影响,设计发动机流量与压力匹配调节方法;研究发动机深度连续变推力的动态调节技术,设计高精度、快响应、无极连续变推力的运行策略。

6、多机并联火箭回收过程尾喷流热载影响研究

针对火箭回收过程中发动机的超声速尾喷流对多机并联一子级的热载影响,建立跨空域、跨速域、覆盖发动机工况的火箭发动机流固耦合换热模型,研究单台发动机尾喷流对多机并联一子级的热载影响,构建火箭回收过程中不同阶段的一子级热载环境。

7、基于大模型的可重复使用火箭参数优化设计问题研究

针对可重复使用液体火箭的经济性、可靠性以及航班化发射要求,构建火箭总体设计综合优化大模型,围绕核心设计约束,形成一套基于人工智能的可重复使用火箭总体参数设计优化方法,提高设计效率、释放设计余量,同时解决发射成本难以准确指导火箭设计的问题,实现高效参数论证和产品选型。

8、多机并联开式循环液氧煤油发动机飞行过程中的火焰推举传热及结构优化研究

面向多台开式循环液体火箭发动机并联运载火箭一次飞行或回收时的需求,针对火箭飞行过程中外气流对发动机火焰产生的推举过程,进行内外流联合仿真研究;进一步考虑涡轮排气的富燃燃气再次点燃进行联合仿真研究,对涡轮排气管伸出长度及角度进行优化,综合考虑火焰推举传热,对喷管再生冷却的煤油温升进行迭代评估,对液氧煤油发动机结构优化设计及防热进行系统性指导和评价。

9、无极电动泵增压及变工况流量特性研究

研制适用于轨姿控动力系统的无极电动泵,用于降低贮箱压力,减少贮箱重量,提高轨控发动机的压力(不小于6MPa)比冲,同时不断调整轨控发动机入口压力,实现轨控发动机的变推工况。电动泵应具备在多种工况下,即流量变化范围大(30%~100%)的情况下,出口压力稳定、变化幅值小、效率高的性能。同时电机应突破实现小型化和轻量化的目标。

10、再生冷却微小通道3D打印技术研究

针对轨姿控发动机采用3D打印再生冷却微小通道(高度不大于0.4mm,通道压降公差不大于±0.03MPa)时通道截面均匀性差、易堵塞等工艺问题,研究突破微小通道(0.2~0.4mm)3D打印精确控制技术,具备产品一致性评估、料渣清除及打印质量检测功能,提供200~500N推力量级具有再生冷却通道的轨姿控发动机身部的3D打印技术方案及工艺参数。

11、3D打印高性能轻质材料喷管技术研究

针对商业航天需求的轻质材料大喷管3D打印技术,研究突破大喷管打印过程中的内型面精度控制技术,解决易变形、高温强度急剧下降、效率低等问题,提供扩张面积比在200范围内,针对高性能轻质材料的3D打印大喷管的技术方案及工艺参数。

12、液体火箭低温燃料液面高度测量技术研究

针对液体火箭低温燃料液面高度测量技术难度大、成本高等问题,研究适用于低温贮箱内低成本图像测量装置和点式液位传感器,通过图像和点式液位复合测量方法,观察火箭飞行过程中贮箱内燃料晃动状态、监测燃料液面高度,为火箭推进剂利用系统提供数据支撑,降低火箭研制成本。

13、液氧甲烷补燃循环发动机仿真技术研究

面向300吨级推力可调的全流量液氧甲烷补燃循环发动机,针对系统复杂性高、组件间耦合性强、分级燃烧流量测算难等问题,研究补燃循环发动机系统仿真技术,构建全系统组件仿真模型,解决起动过程、稳态过程、推力调节过程以及深度节流瞬态过程高精度仿真难题,确定发动机方案可行性。

14、面向多星堆叠的卫星安全分离技术研究

针对堆叠安装多颗平板式构型卫星的一箭多星任务,研究堆叠卫星组合体分离技术与多星释放技术,实现卫星组合体与火箭支撑舱、卫星与组合体间的可靠压紧与安全分离,通过动力学仿真分析,解决星箭、星间近场及远场安全性问题。

15、全球碳源监测小卫星星座关键问题研究

探索全球碳监测小卫星星座建设方案,解决精准捕捉碳源位置、归属和排放量等问题。研究卫星数据质量控制、检验与定标方法,支撑卫星全寿命期稳定运行和服务。

16、基于多源卫星的CH4排放源遥感监测和排放量核算关键问题研究

基于多源卫星数据和地面观测,建立CH4源排放量估算模型;基于排放源特征及气象条件,模拟排放烟羽,估算CH4排放量。

17、面向污染溯源的大气环境立体综合感知研究

构建区域大气污染立体“天空地-移动巡护”观测网络和数据融合技术,实现PM2.5和O3及其前体物等多污染要素的逐小时、公里级时空分辨率感知。

18、极端环境下洪涝灾害监测预警通导遥关键问题研究

研究基于“北斗+”星网(链)的降水灾情信息快速采集传输和综合感知技术;利用多源多模态卫星遥感数据,开展高频次、高精度洪水灾害演进过程立体监测技术研究;研发面向公众安全的洪水避险精准预警技术。

19、大容量星间激光通信理论与关键技术研究

面向卫星光网络全域覆盖与远程回传需求,针对卫星高动态性带来的信道环境时变问题,研究超百Gbps、超1500公里星间激光通信理论与组网技术,搭建支持千节点星座的卫星光网络验证平台。

阅读原文:关于发布2024年度北京市自然科学基金商业航天领域联合基金项目指南的通知

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