一种主动悬架式火星车稳定裕度优化控制策略

针对火星车在非结构化环境下行驶存在的稳定性不足而导致倾覆的风险，提出针对一种六轮主动悬架式火星车的稳定裕度优化控制方法。首先，考虑了火星车悬架机构调整过程中车轮与接触地面滑移和侧倾等运动关系，建立和完善了六轮主动悬架式火星车行驶的运动学模型。然后，以火星车夹角调整机构角度为变量，推导火星车在非结构环境下的稳定裕度模型。之后，使用内点法求解火星车稳定裕度的最优解，并获得期望的夹角调整机构关节角度。在此基础上，对夹角调整机构的关节角度进行规划和控制，实现火星车悬架机构构型的调整，从而提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。最后，对火星车稳定裕度优化控制策略的有效性进行仿真验证，结果表明，所提出的控制方法可有效提高火星车在非结构化环境下行驶的稳定裕度。     

火星车坡道式转移机构方案设计与分析

针对火星车从一定高度的着陆平台转移至火星表面的需求,考虑转移机构对不同地形强适应性及火星探测器内部布局空间狭小的特点,提出一种双向可选展开的坡道式转移机构。该机构收拢布局设计适用于火星探测器气动外形,具有结构组成简单、可靠性高、对地形适应性好等优点。简化火星车着陆地形与转移机构,建立着陆地形因素、转移机构几何参数与转移姿态的数学模型。考虑地形角及局部地貌的影响,对坡道长度需求进行分析,得到满足火星车转移姿态要求下的最小坡道长度。该设计及分析可为火星着陆巡视任务中的转移机构设计提供参考。     

火星车主动悬架的几何参数优化

火星表面地形复杂,给火星车的移动带来困难。为解决火星车在火星表面的高性能移动问题,我国火星车在主副摇臂的基础构型上加入主动环节,成为主动悬架火星车。主动主副摇臂悬架为一种新型悬架,存在其特有的设计需求。为使火星车主摇臂张角调节过程中车厢俯仰角最小,抬轮工作模式下抬轮抗倾翻力矩最大,离合器所受力矩最小,以这3个参数作为优化目标,对主动主副摇臂悬架的尺寸参数进行优化。由于优化函数和约束条件均很复杂,故选用遗传算法进行优化,最终给出优化结果,并对优化目标进行仿真分析,对优化后的尺寸进行灵敏度分析。     

仿尺蠖型火星车设计与验证

针对传统被动悬架式火星车在火星复杂地形运动中可能存在的问题，设计了仿尺蠖型火星车，包括沉陷脱困设计、爬坡设计、防托底设计和抬轮设计；识别了仿尺蠖型火星车移动系统的关键参数，计算得到不同火星车抬升高度的关键参数值和一个尺蠖运动周期的位移值；计算结果表明仿尺蠖型火星车可以解决被动悬架式火星车的上述问题。对所设计的仿尺蠖型火星车开展了地面试验和飞行试验验证，地面试验验证了车轮沉陷脱困能力、越障能力和爬坡能力；作为仿尺蠖型火星车应用的实例，“祝融号”火星车成功经历了飞行试验，它在火星表面的顺利运行表明仿尺蠖型火星车设计措施有效。     

基于柔顺机构的新型可变形机翼设计方法研究

机翼翼型变体技术可以根据任务和环境自适应地改变机翼形状、厚度、弯度等重要参数，使飞机在不同飞行状态下都能取得较理想的气动特性。柔顺机构是实现机翼蒙皮光滑变形的驱动装置，相比传统液压机构具备质量特性好的优势。采用鱼骨型柔性钢架与四连杆机构实现了机翼前缘上下蒙皮向内收缩、前缘形状由钝变尖的弹性变形过程。通过设计“撞块”机构实现驱动行程的有效分解，解决了前缘尖端开口处蒙皮回收与机翼变形控制所需的驱动行程不一致的内在矛盾。变形后翼型与目标翼型误差最大位置不超过4 mm，变形过程中结构最大应力小于材料许用应力值。相比传统采用纯液压机构驱动的变形机翼设计方案，该基于柔顺机构的变体机翼结构减质14.1%。     

空间飞网质量块动力学分析及收口机构优化设计

 研究空间飞网收口机构在捕获过程中产生翻滚缠绕的原因及质量块优化设计的方法。通过在质量块连体坐标中对其所受空间力系进行简化,分析质量块产生翻滚的原因,并据此对质量块与捕获网的连接进行优化设计。建立了超声波电机启动后质量块各转动部分的动力学方程,分析了其对产生缠绕的影响。并据此对原质量块的结构进行改进和优化设计。实验证明经优化设计的新结构改善了收口机构翻滚缠绕问题。     

基于脉冲子结构的探测器结构动力学优化设计

针对传统结构优化设计中，精细化模型求解复杂结构动响应过于耗时的问题，引入保精度、高效的脉冲子结构方法，提出一种考虑结构动力学响应的优化设计流程，并对月球探测器太阳翼结构进行优化分析，获得了太阳翼结构设计参数，有效地提高了太阳翼动力学特性指标，改善了月球探测器关键位置处的动力学环境。结果表明，脉冲子结构方法可以有效应用于航天器结构动力学优化设计，提高优化设计效率，所得优化结果对实际结构设计具有一定指导意义。     

火星EDL过程动力学建模与仿真

针对火星着陆器的进入、减速和着陆(EDL)过程的关键动力学问题,分别建立着陆器进入、降落伞拉直、充气和稳定着陆等各阶段的较精细的动力学模型,并构建初步的多学科集成分析框架。基于着陆器六自由度刚体模型,仿真研究火星进入弹道的动力学特性;采用过载上升段自适应控制开伞策略,确定降落伞的开伞条件;利用降落伞拉直充气经验模型以及九自由度物-伞多体系统模型,研究降落伞减速过程的动力学特性;采用面向对象设计语言,建立EDL多学科集成仿真框架,从而实现火星着陆器从进入点至着陆点EDL全过程的参数化建模。本文所建模型可有效预测火星EDL过程的运动特性,也可指导深空探测中EDL系统的分析设计。     

具有异构多操纵机构的飞行器复合控制技术

提出了具有异构多控制机构的飞行器复合控制决策与管理系统结构,建立了具有气动力/推力矢量/直接侧向力的异构多操纵机构的飞行器动力学模型,提出了模糊自适应控制分配与复合控制器优化集成设计方案。设计了基于参考模型的模糊自适应控制分配策略,使气动力/推力矢量/直接力任意形式组合及动态分配过程中复合执行机构等效动态特性与参考模型一致。采用进化策略对导弹复合控制系统参数进行了多目标优化设计。分别针对不同的组合形式进行了仿真研究,证明了具有异构多操纵机构的飞行器复合控制系统具有很好的快速大机动跟踪能力,实现了飞行器气动力/推力矢量/直接侧向力之间不同形式组合控制系统的自适应控制分配。     

基于Kriging代理模型的环形网状天线展开过程规划

针对环形网状天线小冲击、低能耗展开的应用需求，提出了一种基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划方法。建立了综合考虑铰链摩擦、索网张力及驱动绳索柔性的环形网状天线展开动力学模型，并针对动力学分析模型的计算耗时问题，基于Kriging模型构建了环形网状天线展开过程动力学分析的代理模型。基于此，提出了环形网状天线展开过程规划的非自适应和自适应两种优化策略，通过合理设计驱动绳索的索长收纳函数实现天线展开角加速度峰值和驱动功率峰值最小化。优化结果表明，与运动学规划方法相比，基于动力学分析的环形网状天线展开过程规划能够显著降低展开角加速度峰值和驱动功率峰值；与非自适应策略相比，自适应优化策略能够在保证代理模型精度的条件下大幅度提高优化效率。该研究结果可为环形网状天线实现小冲击、低能耗展开提供一定的实际指导作用。     

Design exploration for a single expansion ramp nozzle (SERN) using data mining

The single expansion ramp nozzle is an essential component for hypersonic vehicles to improve their internal/external integral level and produce most of the thrust force. The two-dimensional coupled implicit Reynolds Averaged Navier–Stokes (RANS) equations and the two-equation RNG k–ε turbulent model have been employed to numerically simulate the flow field in a single expansion ramp nozzle, and the interactions between the parametric parameters and the objective functions, namely the thrust force and the lift force, have been investigated by using the data mining technique coupled with a design of the experiment. The obtained results show that the physical model has a good two-dimensional structure, and the numerical results show very good agreement with the available experimental data. At the same time, the grid scale has only a slight impact on the pressure distribution. The influences of the horizontal length of the inner nozzle, the external expansion ramp and the internal cowl expansion on the thrust force performance are substantial, as are the effects of the internal cowl expansion and the external expansion ramp on the lift force performance. Further, optimized configurations of the single expansion ramp nozzle are obtained by using single- and multi-objective design optimization methods coupled with the Kriging surrogate model, and the optimized performances show very good agreement with the numerical predictions. The discrepancies between the optimized performances and the numerical predictions are less than 0.05%, and the method proposed in this paper is efficient in designing and optimizing the nozzle configuration.     

含多间隙柔性可展帆板动力学建模及仿真

为研究柔性和多级铰链间隙对帆板展开过程动力学特性的影响，以月球车两级往复可展太阳帆板为研究对象，采用修正Coulomb模型表述摩擦力，通过接触碰撞力描述间隙，运用有限元法进行帆板柔性化，进而建立多间隙-柔性耦合的动力学模型。采用变步长伦哥库塔法进行数值求解，模拟帆板展开过程，分析了多间隙和柔性对帆板质心加速度、铰链间隙碰撞力等参数的影响。结果表明，在保证展开机构刚度要求的前提下，帆板柔性可补偿因铰间隙引起的加速度波动，减弱间隙处碰撞的剧烈程度，减小碰撞力幅值，进而改善帆板展开机构的动态特性。研究结果可用于指导月球车两级往复可展太阳帆板等同类型的可展机构动态优化设计。     

月球巡视器的系统设计优化方法研究

通过月球巡视器的任务分析,指出了巡视器设计中遇到的难题。针对这些难题,在系统工程方法的基础上,借鉴多学科设计优化的思想,提出了月球巡视器的系统设计优化方法。该方法基于月球巡视器的约束条件,在系统层和产品层两个层面开展设计优化,每层分成三个阶段。系统层强调系统设计,保证系统方案的最优,产品层强调单机或部组件设计,确保产品方案最优。嫦娥三号巡视器通过该方法的应用,使其在满足多项约束的前提下各项性能指标达到最优,也验证了该方法的正确性和合理性。此方法对功能复杂、约束严格的航天器具有一定的参考价值。     

分离模块异构航天器集群松散队形设计

针对近地轨道分离模块航天器集群,考虑航天器之间面质比差异,提出一种能在较长时间内维持两星之间相对距离的松散队形设计方法。该方法以相对偏心率向量和相对轨道倾角向量描述松散队形,以两颗卫星之间的轨道长半轴之差和相对相位角之差为优化变量,并且通过设置虚拟空间圆解决避碰问题,保证在考虑气动力摄动的情况下,异构航天器松散编队能够有较长时间满足距离要求。仿真研究表明,针对轨道高度为500 km的参考轨道,当两星面质比分别为0.003 m 2/kg和0.0032 m 2/kg时,两颗卫星之间的距离能够在50天内处于200 m到20 km之间。     

火星车在松软地面上的蠕动步态研究

蠕动步态是解决火星车在火星松软表面行走或爬坡困难时提高牵引力的有效方法,合理设置蠕动步态对充分发挥火星车在松软地表上的移动性能至关重要。文章将Bekker等人的轮地力学理论用于整车蠕动步态的受力分析,通过建立火星车的运动学模型,分析关节的运动关系,得到蠕动步态的协调运动方案,并通过原理样机试验对该方案的作用效果进行验证,为主动悬架蠕动步态的轮速配合给出了合理的建议。     

弱全局信息下月面超远距离保通行性移动规划

针对月面超远距离移动规划任务因缺乏精确全局信息而导致的规划路径可通行性不足问题，提出了月面道路拓扑网的构建设想及相应路径规划技术，凭借复杂道路网络的连通能力确保巡视器超远距离规划路径的可通行性。首先进行月面道路拓扑网的设计方法研究，分别提出了基于滑动最优泊松采样算法的网络节点设计方法和基于均匀领邻网络拓扑模型网络结构设计方法，使月面道路网网络节点分布均匀、密度适中且覆盖完整，网络连接合理且各路径尽量远离障碍区域。然后进行基于月面道路拓扑网的超远距离移动规划研究，分析了基于月面道路拓扑网路径规划技术的概率完备性和整体可通行概率，并提出了基于月面道路拓扑网的K优路径规划方法，通过道路网的连通性来提高超远距离移动探测任务的整体可通行概率。最后以阿波罗两次登月任务的着陆点之间进行超远距离转移任务为仿真场景，验证了本方法的有效性。     

任意周期信号非相干测距技术研究

飞行器测控系统上、下行链路信号关联性越小,则信号体制的可选择性越大,有利于在飞行器测控系统中引进先进信号传输处理技术并提高上下行信号设计的灵活性。分析了传统相干与非相干测距技术的不足;在比相测距法原理基础上,推导出利用任意周期信号实现飞行器非相干测距的方法;对影响测距指标的距离模糊问题、测距精度问题进行了研究分析;对所研究的方法进行了数值仿真。结果表明采用此方法不仅可使测控系统上下行信号设计达到独立设计的目标,而且在保证同等精度要求的条件下,上下行链路信号体制可通过不同形式进行组合使用,在现有传输体制基础上可进一步降低测控信号设计的复杂度,适用于空天、临近空间及航空等不同环境下的飞行器测控与信息传输应用。     

Design of a high performance suspension for lunar rover based on evolution

In this paper, we propose a new suspension for lunar rover called obverse and reverse four-linkage suspension (ORF-L suspension for short). Its two components are designed based on the evolutions of bogie and rocker. Firstly, we analyze the character of bogie and research the approach to improve its performance. Based on that research, an evolved mechanism of bogie is proposed, named obverse four-linkage. It has better capacity than bogie. In addition an evolved mechanism of rocker is also proposed, named reverse four-linkage. The bogie, rocker and their evolved mechanisms can compose four available suspensions including the interested ORF-L suspension. Because ORF-L suspension is composed of two evolved mechanisms, it has the highest performance. In order to check that, the performance comparison between ORF-L suspension and rocker-bogie suspension are carried out based on simulation. Finally, a prototype rover with ORF-L suspension is designed and manufactured. It shows excellent performance as expected.