空间微重力环境地面模拟试验方法综述

由于目前的落塔法、悬吊法、水浮法和气浮法等空间微重力地面模拟试验方法中设备本身的建造周期、成本及其它缺点难以满足做复杂运动的空间飞行器微重力模拟.本文总结了目前国际上的空间微重力地面模拟试验方法的发展现状,并分析比较了各方法的优缺点,针对其问题进一步提出了一种三维微重力环境试验装置的设计思想,为做复杂运动的空间飞行器微...     

一种用于空间机械臂的 微重力模拟悬吊配重试验系统

空间机械臂工作在空间微重力环境中,广泛用于太空中的舱段对接、在轨维修等操作,因此需要在地面模拟微重力环境以满足空间机械臂研制试验要求。文章基于国内外模拟微重力环境领域技术现状,依据型号研制试验要求,提出了一种用于大型空间机械臂性能和可靠性验证的微重力环境模拟悬吊配重试验系统,并给出了悬挂机构子系统、二维随动子系统、恒拉力子系统、位姿测定子系统的设计思路和具体方案。     

小行星星壤低速侵入过程力学响应的实验研究

为研究小行星星壤在低速侵入过程中的力学响应,利用落塔实验舱构建微重力环境,制备典型的无黏性星壤模拟物,利用恒速加载方式模拟采样器等装置侵入星壤的过程,测量了模拟物的承载强度和边界应力随沉降深度的变化,并记录了模拟物表面形貌的变化过程。实验结果表明,微重力下星壤的承载能力较地球重力环境下大大降低,其响应特性更接近于流体,且与侵入速度、星壤孔隙率、颗粒粒径级配、侵入体尺寸等因素相关联。实验结果可为小行星表面着陆和采样装置的设计与验证提供重要数据支撑。     

微重力落塔电磁悬吊、释放技术研究

电磁悬吊、释放、提升机构是微重力落塔的一个主要分系统。文章论述了微重力落塔电磁悬吊、释放、提升机构研制的关键技术及难点、电磁释放过程的特性分析以及微重力落塔实际试验的情况。采用万向架悬吊结构和电磁释放过程可调技术解决了落塔微重力试验落舱释放的技术难题,实现了释放过程可调和控制,减少和降低了落舱释放的干扰,保证了落舱的微重力水平。实验结果表明:落舱释放平稳,下落状态无倾斜,完成了电磁释放全过程并安全回收。     

五自由度气浮台平动时侧向干扰力问题的研究

五自由度气浮台主要是在地面模拟微小卫星运行时太空中的微重力环境,为卫星姿态控制及变轨飞行提供地面试验手段。气浮台平动时会受到一定的侧向干扰力,不但对系统的控制带来干扰,而且会减少冷气推进系统的有效作用时间。因此对侧向干扰力问题进行研究,归纳了其产生的原因,对引起侧向力的环境、偏载、摩擦、风阻和工作台面等几个因素进行了理论分析和试验,并提出了相应降低侧向干扰力的方法和措施,最终使五自由度气浮台受到的总侧向干扰力达到设计要求。
     

面向小行星微重力环境探测的自恢复直立弹跳机器人设计

针对小行星微重力环境,提出了一种具有蛋形外壳,利用弹簧蓄力的并联腿弹跳机器人。该机器人无论以何种姿态落地,均可在重力矩作用下恢复直立姿态。这一设计相对于需要额外主动装置恢复直立的先前方案,节省了恢复直立所需的能耗,在结构上更为简单可靠。文中阐述了完整的机构设计方案,及相应的结构参数优化计算方法。通过的样机实验,设计方法的有效性得到验证。     

柔索驱动式航天员虚拟微重力训练系统控制与实验

针对现有的航天员地面微重力训练设备存在成本高、单次训练时间短、模拟精度低等问题,提出了一种柔索驱动的航天员虚拟微重力训练系统。通过采样航天员对作业对象的操作力,控制柔索驱动虚拟物体(末端执行器)运动,使虚拟物体符合在微重力环境中的运动规律。建立了柔索驱动训练系统的动力学模型,分析了系统的特性。针对传统力伺服系统多余力对控制力精度影响较大且难以克服的问题,提出了一种使用弹簧产生柔索张力的并联柔索全位置型控制方法,并引入力/速局部反馈的控制策略。实验结果表明,系统克服多余力效果明显,可以获得较高的驱动力控制精度;虚拟质量在操作力作用下的运动符合在微重力环境中的运动规律,且有较高的模拟精度;系统稳定性良好,可以实现微重力环境中移动不同质量物体的虚拟作业训练。     

不同重力环境下空间机构电机驱动力差异

为了分析空间机构在不同重力环境中的驱动力差异，以单关节机械臂为研究对象，进行不同重力环境下直流电机驱动力差异分析。首先基于拉格朗日方程推导出单关节机械臂的动力学模型，为分析不同重力环境下，负载、摩擦和转速的变化对电机驱动力的影响，通过设计一套基于单关节驱动的机械臂试验装置，进行地面重力环境、地面模拟微重力环境和落塔微重力环境试验。然后基于试验数据详细分析了不同重力环境下空间机构电机驱动电流的差异，并基于试验数据对电机动力学方程中的摩擦参数进行辨识，从而获得基于试验数据修正的机械臂动力学仿真模型，为空间机构动力学设计与应用提供理论与试验依据。     

地磁环境下卫星磁试验中的外干扰磁场控制补偿方法

针对地磁环境下外干扰磁场影响卫星磁试验精度问题,综合分析外干扰源场和卫星近场特性;通过合理布局(包括位置和方式)外干扰磁场监测传感器和卫星磁场采集传感器,增设动态磁场采集的A/D取样扫描频率循环控制、信号统计、滤波、数据拟合等信号处理功能,解决了监测传感器和采集传感器所得到的干扰信号的同步性、等效性、一致性,以及采集传感器信号中卫星真实磁场与干扰磁场之间的不相干性;实现了卫星磁试验的外干扰磁场有效闭环控制、自动跟踪、补偿和修正。通过24 h实时监测,外干扰磁场波动控制在0.5~1.0 n T范围内,获得地磁环境下卫星24 h"准零磁"环境磁试验条件,满足卫星磁试验对磁环境的技术要求。     

微重力下球形贮箱内液体晃动有限元模拟

以卫星球形贮箱为研究对象,用任意拉格朗日-欧拉(ALE)法建立了数学模型,给出了计算的基本方程,并基于MSC-Dytran有限元程序,对常重力和微重力环境中贮箱内推进剂的晃动进行了数值模拟。结果表明,微重力环境中液体更易发生大幅晃动,甚至产生飞溅,工程中常用的等效力学模型已不再适用,而有限元数值模拟方法可较好地解决该问题,为卫星及大充液复杂结构航天器控制系统的设计和分析提供理论参考。     

联合被试设备的振动夹具结构仿真分析

由于和被试设备之间的耦合影响,所以对振动夹具的评价非常复杂。文章以轨道交通悬挂类变流装置的某通用型振动夹具为研究对象,与被试设备联合进行模态、动强度、疲劳等分析。仿真分析与试验的结果对比表明,振动夹具的固有频率会对被试设备的随机振动1σ应力和动力学响应产生较大影响;其承受的载荷在引入被试设备后更为合理,从而可以准确地预估振动夹具设计的合理性。联合被试设备的振动夹具结构仿真方法和结果可为振动夹具的校核、振动试验结果评价提供理论依据。     

飞轮微振动的组合隔振装置设计及实验研究

针对光学遥感卫星飞轮微振动引起的成像质量下降问题，设计了一种组合隔振装置，并采用仿真分析与实验测试相结合的方法对隔振方案设计的合理性进行验证。首先，将测量的飞轮扰振数据引入光学卫星的有限元模型中，计算出飞轮扰振对光学相机的像素偏移影响；其次，设计了组合隔振方案并基于有限元方法对其隔振效果进行验证；最后，搭建了光学成像微振动实验测试平台，对不同转速下飞轮微振动造成的像素偏移影响进行精确测量。实验结果表明，组合隔振装置对300 Hz以上高频段飞轮扰振有较大衰减作用，最大像素偏移降到0.01个像素以下，隔振效率达到80%以上；通过对比可知，实验测试与仿真计算得到的像素偏移结果在低频段一次谐波响应及模态响应表现出较好一致性，但在高频段二者存在一定偏差。     

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.     

音叉振动电容式表面电位测量装置设计

文章针对振动电容式表面电位测量传感器核心组件——振动音叉进行详细设计,分析得出适用于电位检测的音叉振动形式,确定出音叉结构参数及驱动方式;进行基于传递函数的传感器灵敏度及精度影响因素分析;提出基于电荷感应与静电场仿真的电位测量装置设计方法,得到的传感器灵敏度与理论计算结果一致,并最终通过样机标定实验验证了传感器设计的正...     

The ankle ergometer: a new tool for quantifying changes in mechanical properties of human muscle as a result of spaceflight

A mechanical device for studying changes in mechanical properties of human muscle as a result of spaceflight is presented. Its main capacities are to allow during a given experiment investigation of both contractile and visco-elastic properties of a musculo-articular complex using respectively isometric contractions, isokinetic movements, quick-release tests and sinusoidal perturbations. This device is a motor driven ergometer associated to an experimental protocol designed for pre- and post-flight experiments. As microgravity preferentially affects postural muscles, the apparatus was designed to test muscle groups crossing the ankle joint. Three subjects were tested during the Euromir '94 mission. Preliminary results obtained on the european astronaut are briefly reported. During the next two years the experiments will be performed during six missions.     

惯组飞行角振动环境测量与环境条件设计

在多维振动环境下的惯组动态导航精度试验是考核惯组在接近真实飞行环境下精度指标能否满足要求的重要试验,如何合理制定多维振动环境条件一直是型号面临的难题。本文提出了一种火箭飞行中惯组角振动环境的测量方案,通过多个振动传感器的合理布置方式,并进行数据分析处理,实现了利用普通振动传感器测量飞行过程的角振动环境。应用此技术,在某型号飞行试验中首次成功获取惯组在主动段和再入段飞行的角振动环境,制定出了接近真实飞行状态的多维振动环境试验条件,避免了以往仅凭经验制定试验条件带来的风险。     

基于FCMAC的空间零重力环境 地面模拟装置控制

文章提出了一种新型的空间零重力地面模拟系统,该系统采用机械传动、电机驱动和气悬浮组合的方式来实现空间零重力环境的模拟,即:水平方向采用气悬浮方式,竖直方向采用永磁同步电机（PMSM）作为其执行器件,经减速器后利用滚珠丝杠及带直线轴承的导向杆的传动装置,通过力反馈控制方式来实时抵消目标重力。考虑到永磁同步电机具有非线性、强耦合的特点以及机械摩擦等不确定性及外界干扰,为保证实时性,内环采用动态性较好的滑模变结构控制器,外环采用学习速度快的模糊小脑模型关联控制（FCMAC）神经网络的控制策略来自适应学习并补偿各种不确定及非线性影响。仿真结果表明:所设计的试验系统具有整体重量轻、使用方便及零重力环境模拟精度高等优点,适用于复杂运动的大中型飞行器三维空间零重力地面模拟试验。     

Vibration controlled convection — preparation and perspective of the Maxus 4 experiment

A comparatively new possibility to influence convection in crystal growth melts is the application of controlled interface vibration, especially in systems with free melt surfaces like the float-zone process. The present paper concerns the development and testing of a vibrational device which will be integrated into a microgravity crystal growth facility for the growth of silicon crystals. In the case of silicon grown by the float-zone technique, time-dependent thermocapillary convection is present even under mirogravity and leads to unfavourable variations of the crystal composition profile.The developed setup can operate in the range of approximately 0.1 to 50kHz producing maximum amplitudes of 0.25μm (non resonance case) and 3.5μm (resonance case) respectively. The power consumption is below 5W, the maximum operation temperature of the device is restricted to 200°C, limited by an epoxy-based connection between vibrator and sample. The first microgravity application will be during the European Maxus 4 campaign in April 2001.