柔性绳网动力学建模与天地差异性分析

采用有限元模型研究了柔性绳网系统的动力学特性。针对空间绳网直接弹射展开方式,首先将绳网离散为若干单元,各单元处理为非线性“半阻尼弹簧”模型,然后分别计算各单元所受气动力和重力,最终建立绳网系统多柔体动力学模型。基于所建立的动力学模型分别对柔性绳网在地面和太空展开的动力学过程进行了仿真分析,研究了绳网在展开面积、空间位形和飞行距离等方面的天地差异性及其动力学机理,为未来空间绳网系统的分析设计提供理论参考。     

空间绳网有控展开方法及优化

针对影响空间绳网展开性能的绳网回弹现象，提出了一种基于拖曳绳张力控制的绳网展开控制方法。首先，使用质心追逐描述绳网的回弹现象，并针对追逐过程提出了使用拖曳绳控制的绳网展开方法。其次，以有效展开位移为优化目标，提出了一种基于遗传算法的最佳控制力优化策略。最后，基于弹簧质点法建立了绳网的动力学模型，并通过数值仿真对比了无控、恒力和变力控制下绳网的展开性能。结果表明，控制力优化策略可以成功优化出所需控制力曲线，提出的有控展开方法可以大幅提高绳网的有效展开位移，提升绳网的展开性能。     

空间飞网抛射展开动力学建模与仿真

空间飞网是由轻质绳索编织的在轨展开网状物体,主要用于在轨捕获。作为在轨服务的 关键技术之一,飞网捕获技术受到国际空间技术领域越来越广泛的关注。当前国际上空间飞 网的展开方式主要有三种：旋转展开、刚性构件支撑展开和直接抛射展开。其中,直接抛射 展开方式的发射装置结构最为简单,但飞网的动力学行为最为复杂。本文针对飞网直接抛射 展开的动力学过程,建立了正方形绳网、牵引质量块和发射器机构的力学模型,提出了飞网 抛射效果的衡量标准,分析了影响飞网抛射效果的主要因素。为了分析飞网展开过程,建立 了正方形空间飞网运动的解析模型;应用绝对节点坐标方法建立了正方形空间飞网的有限元 模型,并在软件THUsolver上进行了数值仿真。本文选取多种不同工况,应用上述两类模型 进行计算和仿真,并分析结果数据,得到主要因素对空间飞网抛射效果的影响。两类模型所 得定性结论相一致。
     

空间绳网捕获动力学仿真

空间绳网捕获系统是一种很有前景的空间碎片清除方法。然而，绳网的部署与捕获过程非常复杂，截至目前仍存在少量关键问题有待解决。对绳网捕获过程的研究是为了得到更合理的初始释放条件，以便绳网在接触目标后能成功包裹目标。利用有限元法将绳网进行离散，建立弹簧质点模型，并通过有限元软件进行仿真。同时提出了与仿真相关的3个接触参数，通过对不同捕获模型接触参数的横向对比找出绳网系统在展开及捕获过程中接触行为的区别。仿真结果表明，采用方形绳网系统对于正方体与弧形薄壁体目标捕获效果相对较好，对球形目标的捕获效果相对较差。针对不同捕获物体，绳网中最大应力出现的位置也不同，但最大应力都是集中出现在绳网与捕获目标棱角接触处与牵引球连接处。该仿真结果对最优绳网初始释放条件与编织形式的选取具有指导意义。     

空间抓捕系统绳网的设计与研制

概述了空间碎片主动清除方式——空间绳网抓捕的优点,梳理了研制空间绳网要解决的难题,结合工程样机研制,介绍了针对捕获目标直径20 m的特大型绳网的结构设计、材料选择、加工方式以及折叠包装研究情况,确定了较优构型绳网-正六边形网型正四边形网目,选取了合适的绳网材料,解决了超细绳网状结构编织问题和可控折叠包装问题;对绳网的拉出展开过程进行了仿真分析,开展了地面抓捕试验验证,绳网均有序拉出展开捕获目标,通过仿真分析及实物试验对比,特大型绳网的设计、折叠包装方式、拉出展开得到了验证;总结了特大型绳网研究成果和后续改进方向,为工程应用奠定了基础,可为空间碎片柔性捕获清除的研究提供参考和借鉴。     

基于定力撕裂带的绳网网型控制研究

针对柔性绳网空间碎片主动清除技术中的绳网回弹问题，提出一种基于“定力撕裂带”的网型控制方法，在绳网边线绳上加装定力撕裂带以抑制绳网的回弹运动。将绳网离散化后，建立描述绳网运动的集中质量模型，然后结合定力撕裂带的力学特性，运用虚功率原理推导了系统动力学方程。通过仿真计算，本文对比分析了加装和不加装定力撕裂带两种模式，以及不同撕裂力强度的绳网运动特性。仿真结果表明，该控制方法能够有效地提升绳网的有效工作时间和有效工作距离，可应用于未来的空间柔性捕获任务。     

空间柔性绳网多碎片捕获动力学研究

随着空间碎片数量的增加，其对近地轨道中的在轨卫星产生越来越严重的威胁，空间多碎片的高效清理在近年来也成为了学界关注的热点问题。针对柔性绳网在一次任务中同时对多个碎片进行捕获清理的问题，建立了柔性绳网的动力学模型和与碎片接触动力学模型，并对捕获过程中柔性绳网与碎片的运动进行了仿真模拟。针对绳网的最大拉伸力、质量块位移速度等变量，深入分析捕获过程中绳网与碎片的运动特性。数值仿真结果表明，在一次任务中，柔性绳网可以对多个旋转空间碎片进行捕获，并实现稳定的包裹缠绕，展示了柔性绳网良好的捕获能力。     

空间绳网系统发射动力学问题研究

空间绳网系统是在系绳技术基础上发展起来的一种应用系统,通过展开形成一张具有稳定构型的网,可用于空间目标的柔性容错捕获,在空间废弃卫星或碎片处理方面具有潜在应用价值。空间绳网系统动力学问题较为复杂,融合了刚体动力学、柔性绳索动力学和碰撞与摩擦动力学等方法和模型。通过建立空间绳网系统刚柔耦合动力学模型,研究了其发射展开的动力学问题,重点讨论了绳网牵引质量块发射角度和柔性绳索等效阻尼的影响,仿真结果表明在一定的系统配置下这两个参数存在最优值。
     

空间薄壁式伸展臂的展开仿真与卷曲方式研究

针对一种完全依靠自身弹性展开的空间柔性薄壁式伸展臂的展开动力学问题,基于Kirchhoff Love基本假设和广义胡克定律推导了伸展臂各部分壳体在展开前的应力计算公式,使用该公式对伸展臂的有限元模型进行预应力初始化,并采用显式时间积分方法对正向卷曲、反向卷曲和不紧密卷曲的空间薄壁式伸展臂的展开过程进行了动力学仿真,通过实验对仿真结果进行了验证。研究结果表明：应力计算公式可以正确地计算薄壁式伸展臂在展开前的应力状态,基于预应力初始化方法的显式动力学仿真可以较为准确地模拟空间薄壁式伸展臂的展开过程;反向卷曲的伸展臂在展开过程中出现了向固定段展开的现象,并且具有较高的初始应变能,不利于薄壁式伸展臂的空间应用,在设计中应选择正向卷曲的方式;不紧密卷曲的影响主要表现为卷曲段内层壳体易于从卷曲段侧边缘滑出,使伸展臂在展开过程中产生较大幅度扭转,而增大壳体材料的摩擦系数则可以有效避免这种现象。     

自主机动空间绳网机器人设计与动力学建模

设计了一种新型“平台+绳系+柔性网+自主机动单元”结构的空间机器人系统,较强的机动能力和较大的任务范围使其在空间垃圾清理任务中具有显著的优势。详细描述了自主机动空间绳网机器人的概念、任务过程和特点。为了分析自主机动空间绳网机器人逼近目标过程开始时柔性网网型的变化趋势,采用质量集中法建立了逼近过程的动力学模型,模型中将柔性网离散化为无质量弹性杆和质点的集合,同时考虑了自主控制力的作用。在不同条件下对逼近过程中的网型变化进行了数字仿真,仿真结果表明：逼近过程开始时,自主机动单元无控状态下柔性网将产生收口运动,且收口运动的强弱与自主机动单元和柔性网的初速有关;逼近轨迹也将偏离目标方向。通过自主机动单元的自主控制力能够避免收口运动和逼近方向偏移的产生。     

Mechanical study on initial profile solution for inflatable reflector made of orthotropic material

The woven fabric membrane materials are widely used in space and terrestrial inflatable reflectors. However the material?s anisotropy makes the design analysis more complex. The deviation from the desired shape, so-called “W-profile error”, influences the precision of the membrane surface significantly. In this study, a model of an axisymmetric paraboloid surface using membrane theory is established for the purpose of facilitating the surface precision optimization. Analytical solutions for displacements of the reflector are derived. An iteration method of initial reflector profile solution is stated and a finite element (FE) software employed in the solution is presented. A case study is illustrated to make a comparison between numerical and theoretical analyses. Finally, the conclusions are drawn that the analytical method and the FE iterative method for initial profile solution are feasible and efficient.     

自由浮动空间双臂机器人抓持内力的优化控制

运用非线性规划方法，提出了一种本体位置、姿态均不受控的自由浮动空间双臂机器人的内力优化与控制策略。首先根据空间双臂机器人及负载的动力学方程，建立了抓持系统合成动力学方程，进而将机器人各手臂关节广义驱动力矩的范数作为目标函数，内力作为优化变量，采用了序列一次规划法来解决空间机器人的动态内力优化计算问题，并对双臂六自由度空间机器人进行了内力优化控制仿真实验，结果表明了该方法的有效性。     

空间飞网系统抛射参数优化研究

空间飞网由轻质绳索编织、通过抛射展开形成一定构型网,作为在轨服务的关键技术之一,在空间在轨服务、飞行器回收、轨道清理、空间拦截等领域具有巨大的应用潜力。本文采用ABAQUS建立不同折叠方式松弛飞网有限元模型并进行动力学仿真,提出了飞网展开效果衡量标准,比较了折叠方式对飞网展开性能参数的影响,对飞网的抛射参数：牵引质量块质量、抛射角度、抛射速度进行了优化设计。仿真表明,折叠方式的优劣是飞网有效展开的关键;在给定的参数范围内,得到了飞网抛射参数的最优值。     

改进模拟退火算法的喷管动力学模型修正

为获得液体火箭发动机喷管高精度的结构动力学有限元模型，提出一种基于改进模拟退火算法（Improved Simulation Annealing Algorithm，ISAA）的有限元模型修正方法。首先，将复杂的薄壁夹层板喷管等效为复合材料层合壳，建立喷管的参数化有限元模型；在此基础上，以结构模态参数为参考基，构造出联合使用模态频率及模态振型的目标函数，并运用灵敏度分析提取设计变量，从而建立其优化模型；提出带记忆、局部搜索功能的改进模拟退火算法，运用ISAA在设计空间进行多目标全局寻优；最后，采用基于MSC Patran/Nastran软件平台二次开发的结构动力学模型修正软件ZDXZ V1.0进行模型修正，并对模型修正方法的有效性进行了校验。结果表明，修正后喷管的前3阶计算模态频率与试验值相对误差小于2%，振型相关性最小MAC值大于0.9，大大提升了喷管模型的动力学符合性，模型精度满足工程应用要求；表明所述模型修正策略的有效性，该方法具有高效、强鲁棒性等特点，适合于大型复杂结构的模型修正。     

带有柔性补偿的柔性关节空间机器人的增广自适应控制及关节振动抑制

The problems of joint motion control and flexible vibration suppression of a flexible joint space based robot for manipulating an unknown payload are studied. Based on the system linear momentum conservation and the Lagrange method, the under actuated dynamics model of the space robot is established. For convenience of the design of its control system, the system is divided into both fast and slow subsystems by using the joint flexibility compensation technique and the singular perturbation theory. A torque differential feedback controller is proposed for the fast subsystem to suppress the joints’ flexible vibration, meanwhile an adaptive control scheme based on the augmentation approach is designed for the slow subsystem to realize the joint trajectory asymptotic tracking under the condition of unknown payload parameters. Because of introduction of the flexibility compensation technique, the presented control scheme can equivalently increase the joint stiffness, and it is suitable to control the space robot systems with low joint stiffness. Moreover, the effect of unknown parameters is real time compensated by its adaptive controller, and then the specified joint motion task is achieved precisely. The effectiveness of the scheme is verified by the corresponding simulation results.     

Study on Multi-Rotary Joints Space Power Satellite Concept

The Space Power Satellite(SPS) would be a huge spacecraft capturing the power of solar radiation in space and to supply electric power to the electric grid on the ground. The SPS concept was proposed by Dr. Peter Glaser in 1968. SPS have been studied now for exactly fifty years by many scientists in various countries. It has been regarded as one of the most promising energy projects of the future and has been attracting more attention in recent years. More and more Chinese scholars and experts are paying attention to the development of SPS. Due to the huge size, immense mass and high power of such a satellite system, there are many technical difficulties which exist to realize SPS. In this paper, recent SPS research and development activities are reviewed first. Various SPS concepts are analyzed and compared. The primary scheme of the Multi-Rotary joint SPS(MR-SPS) is described. The main feature is that the huge solar array comprising many separate small solar sub-arrays and each solar sub-array has two middle power rotary joints. So, the most challenging technology, the high-power rotary joint, is simplified by using many middlepower rotary joints hence the possibility of a single-point failure of a single rotary joint is avoided. This enables easy assembly of the modular solar arrays. Finally some key technologies of MR-SPS are analyzed.     

一种微型航天器姿态控制系统建模与分析

从航天器微小型化的角度出发，提出了仅利用两个飞轮进行航天器姿态控制的飞轮配置方案。该方案还可以对高速旋转的飞轮所储存的能量进行管理，不需要磁力矩器等额外的卸载装置，从而简化了飞轮姿态控制系统的结构。详细描述了系统的结构和工作原理，推导了航天器姿态控制系统的非线性动力学模型，分析了影响航天器姿态机动性能的主要因素，并通过仿真验证了这种配置方案的有效性。     

基于空间交会的天基反卫作战方案

对位于高地球轨道天基平台攻击低地球轨道目标的方案进行了研究,讨论了高轨作战平台的攻击范围。采用完全推力法实现远程空间交会。为消除异面霍曼变轨方法等待时间过长的缺点,提出了两种主动调相方法。研究表明：用该法可实现天基武器由高轨至低轨的空间转移交会,引入主动调相轨道可明显缩短交会所需时间。     

A Proposal for Constructing a Group of Space Objects for Solving Transport and Energy Problems

We propose to develop a scheme for a group of space objects which includes a set of orbital tethers and exchange masses. These objects are injected into circumterrestrial orbits. A variety of problems can be solved with the help of this space system, namely, transport problems and problems of converting the electric power generated onboard spacecraft into mechanical energy of motion of the space objects. In the future, natural celestial bodies (in particular, the Moon) can be considered as elements of the system. This opens up the possibility of using the energy of motion of the Moon both for solving transport problems and for generating electric power onboard spacecraft.     

自锁式形状记忆合金馈源锁紧机构

提出了一种形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA）丝驱动的自锁式馈源组件锁紧机构。该锁紧机构利用自锁原理实现锁紧,采用双路冗余的SMA丝实现解锁。为校验该锁紧机构的功能及性能,完成了原型机的生产,并开展了锁紧试验、电性能试验和高温环境试验。结果表明,该机构在1700N的载荷下仍能保证可靠自锁,在2.5~4.0A电流下均可正常工作,对应的解锁时间为15.8~4.2s,功耗为140 ~95J,此外,机构能在小于92℃的高温环境下正常工作。基于上述试验结果,该机构具有突出的锁紧性能、宽松的工作电流范围以及良好的高温性能,在空间旋转结构的锁紧方面具有非常大的工程应用潜力。