单顶点多折痕折纸形式启发的空间折展机构

针对一些特定功能小卫星需要可展式的功能结构,如可展天线、可展太阳能电池阵列,提出一种单顶点多折痕折纸形式启发的空间折展机构。展示了用于设计该机构的机构构型,研究发现此种构型不仅可将平面结构进行折展,也能将可包络回转曲面的锥形结构进行折展。进而提出了用于机构设计的几何模型及为快速判断机构的几何尺寸是否满足设计要求的近似几何模型。通过算例及仿真校验,发现近似几何模型可以进行快速判断。同时该机构具有较高折叠效率,适用于尺寸约束严格的小卫星。     

低重力环境下复杂结构航天器动特性研究的实现途径

文章从试验技术与理论计算结合的角度,对解决复杂结构航天器低重力环境下大幅度液体晃动非线性动态特性问题和模拟月球重力环境下月球探测器动力学性能的研究,进行了建设性的论述。     

三棱柱伸展臂超弹性铰链的力学建模与分析

针对对向多层超弹性铰链展开状态的稳定性问题,分别基于铁木辛柯屈曲理论和欧拉梁屈曲理论建立对向多层超弹性铰链折叠峰值力矩模型。搭建实验平台,分别对12种规格对向单层、双层超弹性铰链进行实验研究,发现理论值与实验值偏差不大于7.73%,偏差均值不大于4.93%,偏差标准差不大于4.97%,验证了基于欧拉梁屈曲理论建模的准确性。对对向多层超弹性铰链进行参数研究,发现半径、中心角、厚度和层数与屈曲力矩正相关,而长度则是负相关的。     

基于接触理论的一类带锁定机构的间隙铰链分析模型研究

重点研究一类在我国航天器上得到广泛应用的带有锁定机构的间隙铰链，基于接触理论建立了该类型间隙铰链的分析模型。首先，将铰链零件间的接触力假设为单向的非线性弹簧，并将铰链简化为由非线性弹簧组约束的摆；然后。将展开扭簧假设为线性力矩弹簧，得到包含间隙影响的铰链的力矩-转角关系曲线。通过仿真分析和试验验证，认为铰链的力矩转角关系曲线是分段光滑的。是铰链结构尺寸、零件间隙以及材料特性的函数。呈现出明显的非线性特征。     

大型星载天线桁架式可折展机构的模态分析

大型空间抛物柱面星载天线具有口径大、约束弱、刚度低、质量小等特点,其机构的空间稳定性直接决定天线的使用寿命和信息传输的可靠性。为准确获得大型空间星载天线在轨稳定性能参数,依据星载天线的高精度和长寿命的设计需求,提出一种新型抛物柱面星载天线结构形式,利用有限元仿真对该新型星载天线作模态分析,并分析相关参数。结果表明:采用Al7075材料的新型抛物柱面星载天线基频满足设计要求。同时,增加上下支杆和上下斜撑杆的截面尺寸可有效提高天线结构的固有频率。该研究为我国大型抛物柱面星载天线设计提供了理论支撑和技术参考。     

低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ＡＬＥ（任意的拉格朗日－欧拉）运动学描述跟踪自由液面；对于ＡＬＥ描述的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散，在空间域上利用有限元方法进行了数值离散；推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式；给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动，并得到了贮腔壁面处     

超低重力环境下液体推进剂的特性

通讯卫星上液体推进剂的质量比值大会对卫星的姿态产生影响,这与卫星的力学特性和流体运动间的相互作用有关.卫星贮箱内液体燃料的自由表面波动或液面晃动是一个公认的问题.本文提供了作用于贮箱上,且量值相当大的重力或等量加速度力的数值结果,但这种力变小时就应把其它的力考虑进去,如液体燃料与液面上部的气体之间的面际张力.在ALCATEL SPACE和LEMMA的共同努力下,已开发出ANASLOSH软件包,其目的是给任何即便是很小的加速度力提供准确测定晃动模式的方法.首先,考虑表面张力及液-气界面与贮箱壁交点处的接触条件,确定稳态平衡表面的形状,接着,计算出了自由表面的微小振荡.电推进机动飞行过程中通讯卫星晃动模式的确定就是其一项工业应用.     

考虑区间叠加不确定间隙的空间可展机构动力学研究

本文建立了考虑不确定间隙空间可展机构动力学模型,通过对不确定间隙进行描述,结合传统接触模型提出含不确定区间间隙的接触力模型,并将其嵌入展开单元动力学模型,通过切比雪夫区间求解对含区间系统动力学模型进行求解,针对区间求解中启动阶段估计不准、区间叠加误差过大、区间整合的问题与展开单元叠加问题,提出了相适应的区间扩张、局部均值分解与瞬时叠加方法降低区间求解误差,并给出区间间隙累加下动力学响应边界。结果表明:区间间隙大小主要对系统运动精度产生较大影响,而区间间隙数量对系统运动稳定度影响较为严重。区间叠加方法相比于传统拟合方法可进一步提高空间可展机构预示精度,相较于传统拟合结果可提高7.74%。     

空间环境下航天器含间隙机构动力学研究进展

运动副间隙是影响机械系统精度和稳定性的重要因素之一,尤其在空间微重力环境的各种极端条件下,其影响更加显著。文章综述了二状态模型、连续接触模型、三状态模型等间隙建模方法的起源、发展及应用;针对航天器含间隙机构,总结并分析了间隙对其动力学特性的影响及相关地面模拟实验,以及关节磨损与润滑特性的研究进展,并对以后空间环境下航天器含间隙机构动力学领域的重点研究方向给出建议。     

低重环境下旋转轴对称贮箱内液体晃动研究

针对低重环境下旋转轴对称贮箱自由晃动和受侧向、纵向激励时的箱内液体晃动,用变分原理推导了基于低重环境下静液面形状的液体晃动的积分形式的动力学控制方程,由拉普拉斯方程得到用高斯超几何级数解析表达的速度势和波高,进而得到液体晃动的模态运动方程。分析了球形贮箱和Cassini贮箱内液体自由晃动基频,贮箱受侧向激励时液体晃动波高振幅、晃动对贮箱产生的晃动力和力矩、晃动的等效力学模型,以及贮箱受纵向激励时的晃动波高振幅、可能出现的参激共振问题。     

高真空低重力环境下液态工质排放地面模拟试验研究

针对航天器在空间高真空低重力环境下的流体回路液态工质排放有关问题,以月球环境为例,搭建了月球重力等效地面试验系统,开展地面真空排放试验,获取了工质排放过程中的管路压力和温度变化规律,分析了影响工质排放速率的因素。试验结果表明：工质排放过程中管路的温度基本不变,回路初始压力、工质沿程温度以及排放口温度对于排放速率的影响较小。     

某卫星大型天线真空低温展开试验

文章采用试验件主动控温的方法,完成了某卫星大型天线常压低温展开试验,对天线进行了展开控制和结构应变及展开阻力矩的测试,试验结果验证了天线在空间复杂温度环境中成功解锁、展开和锁定的能力,为大型空间展开机构的地面试验积累了经验。     

Thermocapillary simulation of single bubble dynamics in zero gravity

The lack of significant buoyancy effects in zero gravity conditions poses an issue with fluid transfer in a stagnant liquid. In this paper bubble movement in a stagnant liquid is analysed and presented numerically using a computational fluid dynamics (CFD) approach. The governing continuum conservation equations for two phase flow are solved using the commercial software package Ansys-Fluent v.13 and the Volume of Fluid (VOF) method is used to track the liquid/gas interface in 2D and 3D domains. The simulation results are in reasonable agreement with the earlier experimental observations, the VOF algorithm is found to be a valuable tool for studying the phenomena of gas–liquid interaction. The flow is driven via Marangoni influence induced by the temperature difference which in turn drives the bubble from the cold to the hot region. A range of thermal Reynolds (Re_T) and Marangoni numbers (Ma_T) are selected for the numerical simulations, specifically Re_T=13–658 and Ma_T=214–10,721 respectively. The results indicate that the inherent velocity of bubbles decreases with an increase of the Marangoni number, a result that is line with the results of previous space experiments (Kang et al., 2008) [1]. An expression for predicting the scaled velocity of bubble has been derived based on the data obtained in the present numerical study. Some three-dimensional simulations are also performed to compare and examine the results with two-dimensional simulations.     

太阳电池阵铰链机构刚度等效方法

组成铰链机构的各铰链均为可活动的部件,给太阳电池阵的建模和分析带来很大难度。文章采取试验测定铰链机构刚度并直接代入太阳电池阵有限元模型的方法,通过与试验对比,确定等效的铰链机构刚度值,可大大提高太阳电池阵的建模和分析的精度     

月球重力场环境对月球卫星轨道影响分析

文章分析了月球复杂的重力场环境对月球卫星轨道运行的影响。通过月球卫星冻结轨道与地球卫星冻结轨道的对比分析,结果表明月球重力场存在较大异常,并由此引起月球卫星轨道发生较大漂移。另外,月球冻结轨道在带谐项影响下还存在中等周期的漂移,仅简单考虑带谐项系数无法求得完美的月球冻结系数。由于月球重力场异常对绕月卫星的影响与地球轨道卫星情况相比存在很大差异,因此月球轨道卫星的长期运行与控制策略的设计必须充分考虑此影响。     

月球采样器摆杆式展开机构动力学特性研究

文章提出了一种适用于无人自主作业的月球采样器的摆杆式展开机构,通过数值仿真分析及试验对该机构在月球低重力场下展开过程中的动力学特性进行了研究,研究结果的对比验证了该展开机构设计的可行性,并提出了优化方案。     

A two-dimensional approach to multibody free dynamics in space environment

The equation of motion of a multibody system, described here as a chain of rigid bars and revolute joints orbiting around the Earth, is derived.

For each bar two translational and one rotational equilibrium equations are written. The forces acting on each body are the gravitational forces and the reaction forces (unknown) acting on it's end joints. The complete set of equilibrium equations consists of N_X differential equations, where N_X is the order of the state vector. The total number of unknowns is N_X+N_R where N_R=2N_J and N_J is the number of joints. The N_R additional equations, to make the system determinate, are provided by the nondifferential compatibility equations.

The resulting system is a set of differential algebraic equations (DAE) for which the well-known method of reducing the system to ordinary differential equations (ODE) is applied.

Since the internal forces are associated with the relative displacements between the bodies, which are small fractions of the distance of the multibody spacecraft from the center of the Earth, the task of obtaining these forces from inertial coordinates, from a numerical viewpoint, could be impossible. So the problem is reformulated in such a way that the equation of motion of the system, contains global quantities where no internal forces appear, and local equations where internal forces do appear. In the latter one, only quantities of the same order of the spacecraft dimensions are present. Numerical results complete the work.     

强电磁环境对用频设备的影响机理研究

在复杂电磁环境下,尤其是当强场存在时,用频设备的工作状况往往会出现很多意想不到的情况,比如接收机的灵敏度下降、发射机辐射信号存在其它频率分量等。通过深入分析模块化射频器件的工作特性和注入式实物试验,验证了射频电路中非线性器件工作特性变化是导致用频设备工作性能下降的本质机理。通过改变不同试验条件,研究了互调发射、接收机减敏等现象随强干扰信号参数改变的变化规律。研究结果可为强电磁环境下用频设备的合理使用提供借鉴。     

Bidimensional liquid bridges in a gravity field

The analytical solution for the different shapes that a bidimensional liquid bridge in a gravity field may adopt is reviewed, criticizing the well-known limit of Heywang. The work is shown in the context of a wider-scope program to model the fluid-mechanical behaviour of molten bridges in the floating zone and related techniques of crystal growth, which has blossomed with the advent of microgravity platforms.