月球探测车转向系统动力学建模与分析

月球探测车在月球表面松软土壤上的转向动力学特性比较复杂。文章在已有的车辆地面力学成果的基础上 ,研究了探测车在松软的月球表面土壤上的转向动力学问题。给出了六轮月球探测车的四轮转向运动学计算公式 ,推导了探测车在松软土壤上的四轮转向动力学模型 ,提出了合理的简化方法 ,并对稳态特性进行了相应的分析。所得到的结果为探测车转向系统设计及控制算法研究提供了依据     

一种连翼飞行器气动和飞行力学迭代仿真方法

根据连翼布局飞行器气动力和力矩的分布特点,建立了面向其气动部件的飞行力学数学模型。将计算流体力学(CFD)和飞行力学仿真结合,采用时间步长离散,建立了一个能通过气动计算和飞行力学相互迭代来完成仿真全过程的面向连翼布局飞行器气动部件的仿真平台,并且在仿真过程中能全程监测所有部件的气动、动力学、姿态和航迹参数的变化。通过该仿真平台对不同输入信号作用下的动力学响应分析了连翼布局飞行器纵向和横侧向的动力学特性。仿真分析结果表明:该连翼布局飞行器纵向具备静稳定性,但横侧向不具备静稳定性。同时,横向和航向运动耦合明显,符合荷兰滚运动偏航及侧滑振荡明显的主要特征。所提方法可为了解连翼布局飞行器本体及飞行动力学响应特性、飞行品质和飞行安全研究等工作提供分析基础。      

航天员活动的计算机仿真中人体动力学模型

研究了失重状态下人体的动力学方程。从动量矩守恒原理出发，应用矢量力学和多刚体动力方法建立起失重状态下人体的动力学模型，所得方程是一阶的，适用于计算机编程。方程的求解只要求输入人体基本的质量特性参数和相邻肢体的运动控制规律。文末给出了一个航天员通过双腿的圆锥摆运动来改变其自身姿态的例子，并求得了解析积分式。     

一种实现光学隐身的卫星构型设计

目前对地球同步轨道(GEO)空间目标的探测和识别,主要依赖光学监视系统接收其反射的太阳光线.鉴于可见光反射原理,和空间目标可见光反射特性计算模型,提出光学隐身卫星设计策略,分别对卫星平台构型、太阳能帆板、半球形遮光罩进行设计,对整星外形进行仿真分析,最后提出分布式卫星的构想.结果表明,该卫星构型光学横截面积峰值达到0.082 m~2,该构型设计具有较高的隐蔽性,不易被光学监视系统探测识别.     

小卫星动平衡研究--质心不对中对姿态的影响

首先定性分析质心不对中对星体动力学特性的影响，然后由拉格朗日第二类方程导出引力场下星体运动方程的矩阵表达式，最后以50kg级长方体3轴稳定小卫星为例，分析不同初角速度和不同时间历程情况下质心不对中对星体运动姿态的影响，并分析其对星体运动稳定性的影响．本文研究为同类品种小卫星的构型设计、姿态控制系统设计以及制定卫星动平衡精度提供依据。     

灵巧壁面移动机器人运动学和动力学研究

灵巧壁面移动机器人是一个约束可变的系统,其可控性问题有待于证实.针对履带驱动方式具有非完整约束的性质,利用李群理论和微分几何的分析方法,对各种构型情况下灵巧壁面移动机器人运动学和动力学特性进行了研究,证明了灵巧壁面移动机器人的可控性,建立了机器人动力学方程,为机器人控制器的设计提供了理论指导.      

显示多体动力学方程自动编制技术

为高效得到复杂柔性多体航天器的动力学方程解析表达式,研究了系统动力学方程自动编制技术。首先,基于Kane方法推导了构型简单的链状多体系统动力学显式方程;然后,根据方程中各项物理意义和分布规律,开发了适用于树状构型多体航天器的解析动力学方程输出程序,并运用Latex软件对输出文本进行二次编译,增强输出复杂数学公式的可读性。所得方法极大地简化了对此类航天器的建模工作。     

共轴刚性旋翼直升机着舰飞行特性

建立一套能够耦合非定常舰船流场的共轴刚性旋翼直升机飞行动力学模型,以研究该旋翼飞行器在着舰过程中的飞行特性。在舰艉流场模拟方面,采用分离涡方法以获得高精度非定常流场数据;在飞行力学建模方面,引入上下旋翼干扰因子建立共轴刚性旋翼诱导速度模型,并采用等效挥舞运动概念建立其挥舞运动方程;基于“单向耦合”思想构建了计算流体动力学（CFD）向飞行力学模型的数据传递策略,并分别以XH-59A直升机和UH-60A/SFS2组合为算例验证了飞行动力学模型和数据传递策略的正确性。以SFS2舰船模型和XH-59A共轴刚性旋翼直升机组合为研究对象,从直升机操纵余量和非定常载荷水平两方面分析了着舰过程中舰艉流场对共轴刚性旋翼直升机的扰动特征。时均研究结果显示：由于共轴上下旋翼受时均流场的扰动存在差异,飞行员在增大总距以维持高度稳定的同时,还需要减小差动总距以保持机头朝向的稳定。非定常水平研究结果表明：对于共轴构型直升机,舰船流场对拉力及俯仰力矩的非定常扰动,是引起飞行员工作载荷增大的主要因素。     

模块化月球表层采样力学模型

因不受作业空间的限制，月球表层采样机具设计形式多样，为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模，建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元，基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析，组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验，对理论模型进行了试验验证，通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式，将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行，为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。     

月球受光面上月尘静电浮扬特性分析

基于单粒子轨道理论及空间尘埃等离子体充电方程,建立了月球受光面上尘埃微粒的静态荷电模型.基于光电子能量Maxiwellian分布假设,确定了月面垂直空间电场强度和光电子鞘层内带电粒子密度的函数表达式.利用牛顿运动定律和静电场力表达式,构建了月球受光面上尘埃微粒的静电浮扬动力学模型,并进行月尘静态浮扬特性的数值计算.研究结果显示:太阳高度角与颗粒粒径是控制月尘静电浮扬发生及动力学特性的两个基本参量;月尘静电浮扬发生在月球的黎明和黄昏;随着粒径的减少,月尘颗粒的最大浮扬高度不断增加.     

新型月球车的控制及实验研究

由于月球复杂的地形环境, 月球车作为复杂多体系统, 其动力学行为和驱动控制具有很多特性, 对其的分析也较简单系统复杂得多. 本文给出了对月球车控制的动力学、运动约束和运动学设计的数学模型, 并以跨越沟壑为例, 说明了协调控制过程. 同时设计和研制了基于气浮的独轮实验装置, 用于模拟月球的重力环境, 并研究协调了控制中各个车轮运动学和动力学参数的合理范围.      

变构型空间站的姿态动力学建模与控制

研究了变构型空间站的姿态动力学建模和控制问题.首先采用拟坐标拉格朗日方法建立了带有挠性附件的固定构型空间站的刚/挠耦合数学模型,然后根据空间站构型变化过程的特点,并经过适当的变换,得到了变构型空间站的刚/挠耦合数学模型,最后采用一种新的分散变结构控制算法对空间站的姿态和挠性结构振动进行了一体化控制,仿真表明该方案能够有效地解决变构型空间站的姿态控制问题.     

新型防松管路连接副的接触特性分析

针对新型航空发动机管路连接副,研究了其在安装过程和松动过程中的接触特性。首先,将连接副的安装-松动过程划分为3个阶段,并对这3个阶段的摩擦力和接触压力进行了解析推导,分析了摩擦力和接触压力的变化规律。然后,建立了管路连接副的轴对称有限元模型,并对其进行了非线性瞬态分析。最后,基于施加位移载荷的方法模拟了连接副的安装和松动过程,研究了接触面的滑移量、接触压力、摩擦力和接触压应力的变化规律。同时研究了不同预紧力对连接副接触压应力的影响。结果表明:松动过程在滑移点前后可以分为2个阶段,这2个阶段中接触面的接触特性有明显区别;连接副接触面的接触特性只与接触面参数和预紧力大小相关,与管径、材料等其他因素无关。本文研究的安装与松动过程中接触特性变化规律在工程上可以指导新型管路连接副的设计工作。      

嫦娥三号着陆区月表辐射特性测算

月球表面辐射特性研究是月球探索的一个重要领域,对于勘测月球表面形态及进行资源勘探等具有重要意义,但是目前在月球表面直接进行近距离测量的数据非常少.本文建立了基于嫦娥三号着陆器地形地貌相机和缓释电机在轨遥测数据研究月球表面辐射特性的方法,初步测算得到嫦娥三号着陆区月球表面的太阳辐射光谱反射率为0.105,发射率为0.866.所得结果能够为进一步空间探测任务提供原始测算数据,以降低设计难度及提高探测能力.      

带偏置点的绳系拖拽离轨系统动力学研究

考虑空间拖船利用飞网/飞爪对空间残骸捕获结束后绳系拖拽系统的动力学特性,开展了基于简化的带偏置点构型的建模及仿真研究.首先,捕获后的组合体包括空间拖船、系绳和空间残骸,系绳在空间残骸一端的牵挂点看作偏置点,给出相应的的绳系拖拽系统构型;其次,以降轨离轨过程为例,建立系统能量方程,并根据欧拉-拉格朗日方程给出系统的动力学表达式并估算系绳张紧情况下的平衡点;最后,设定离轨推力,在不同的初始角速度、系绳张紧或松弛以及不同松弛程度条件下,分析绳系拖拽离轨系统的动力学行为.研究表明,空间残骸小的初始角速度和张紧或略微松弛的系绳能够保证安全离轨.     

小展弦比有限厚度舵面颤振特性分析

摘要： 舵系统是超声速再入飞行器机动飞行过程中对姿态进行控制的重要部件,其颤振特性分析是保证型号研制及飞行试验成功的关键环节.本文用当地活塞流理论对舵面颤振特性进行分析,首先建立舵系统动力学方程,确定舵面颤振临界边界计算方法,然后通过有限元分析和模态试验确定不同舵偏角度及不同加载量级组合工况下舵面模态参数,最后通过颤振分析确定舵面颤振临界参数,为舵系统结构方案设计及优化提供技术支撑.     

二维编织C/SiC复合材料板疲劳损伤分析

为探索复合材料损伤的基本规律,首先,基于损伤力学,结合Tsai-Hill强度理论,提出了表征二维编织C/SiC复合材料损伤各向异性的损伤演化方程;然后,在商业有限元软件ANSYS环境中进行了二次开发,形成了考虑材料刚度随损伤折减的损伤模拟程序;其次,对二维编织C/SiC复合材料板模型进行了损伤模拟分析,结果表明材料损伤过程中应力与损伤度对单元破坏起共同作用;最后,对损伤演化方程的形式提出了讨论与改进,并通过模拟计算揭示了复合材料在损伤驱动力及材料特性作用下损伤呈现各向异性演化的特征,说明材料各向异性损伤是其材料特性及受载形式产生的必然结果。      

一种基于星载GPS的月球探测器导航算法

为验证GNSS旁瓣信号对中高轨航天器在轨飞行的导航支持能力,"嫦娥5号"飞行试验器搭载了GPS导航接收机。由于目前使用的星载导航解平稳性不够,为此,根据月球探测器不同飞行段落轨道动力学特性,建立了一种基于星载GPS数据的月球探测器实时导航算法。该算法充分考虑了月球探测器不同段落的动力学特性,基于UKF滤波设计,并引入了自适应策略,以降低滤波参数选取的难度。在分析星载GPS数据特点基础上,月地返回段实测数据的处理结果验证了算法的可行性和有效性。     

惯性解耦的多体系统动力学方程

对一类含自由－自由弹性梁的多体系统动力学方程进行了研究，利用多体系统的结构特性和运动特性对其动力学方程进行了简化，使惯性质量矩阵为对角形，得到了惯性解耦的多体系统动力学方程，在方程的数值求解时，可提高计算速度和精度，为多体系统动力学的实时仿真提供方便。     

具有初始动量的空间机械臂零反作用轨迹跟踪

对具有初始动量的自由漂浮空间机械臂系统进行了研究,考虑其执行在轨任务时便已经具有的动量,根据系统的构型参数建立运动学模型,再采用拉格朗日第二类方程建立动力学模型。利用空间机械臂系统具有冗余自由度这一特性,推导运动学和动力学方程,得到了零反作用运动方程,消除了基座和机械臂之间的角速度耦合作用。末端运动轨迹用多项式插值函数来逼近,根据给定的机械臂末端初始和终止状态来规划其运动轨迹,并将机械臂末端的工作空间转换到关节空间中。根据已知的动力学模型,设计合适的比例-微分（PD）控制率。仿真结果表明,通过选择合适的增益反馈矩阵,机械臂末端能平稳地跟踪目标轨迹,同时,机械臂的运动不会对基座的姿态产生扰动,保证了基座姿态的稳定性及航天器的正常运行。