神舟-8飞船凯旋归来圆满完成我国首次空间交会对接任务

2011年11月3日01：36，神舟-8宇宙飞船和天宫-1目标飞行器依靠交会测量设备的引导，利用对接机构在距地面343km的轨道上首次对接获得成功，实现了2个飞行器的刚性连接，形成组合体。组合体飞行12天后于11月14日顺利进行了分离和第2次交会对接试验，进一步考核了对接机构的重复使用性能，     

空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。仿真结果表明,当关节输出端位置测量精度为17位时,依靠阻抗控制的方法,空间柔性机械臂在主动舱存在最大位置误差150mm,最大姿态误差2.5°的情况下仍能完成对接;对接成功后,空间柔性机械臂系统控制力迅速下降,仍然能较好地保持构型,不会影响对接舱段的安全。     

性能优异的异体同构周边式对接机构

异体同构是指追踪飞行器和目标飞行器上对接机构的构造是一致的（＂杆-锥＂式对接机构是不一致的）,没有主动与被动之分。周边式是指机构不设置在中间,而是设置在周边（＂杆-锥＂式是设置在中间）。异体同构周边式对接机构的优点在于对接后通道畅通,因对接连接环直径较大,承载能力大,适宜大质量航天器间对接;其缺点是结构比较复杂,质量较大。     

带有阻尼机构的多柔体航天器动力学建模

对通过阻尼机构连接的多柔体航天器动力学问题进行研究,考察的系统由航天器本体、若干六自由度刚性阻尼平台以及固连于阻尼平台的大柔性附件构成,阻尼平台与航天器本体之间以弹性 阻尼装置连接,为典型的多柔体系统.以混合坐标描述系统的运动,利用Kane方程建立了具有较强通用性且有利于系统控制器设计的含有约束阻尼的动力学模型.数值仿真结果表明,阻尼器可有效衰减柔性附件的振动,有利于星体受扰后的快速稳定     

航天飞机与“国际空间站”交会对接一瞥

“国际空间站”增压适配器-2上用于与航天飞机对接的异体同构周边式（内翻）对接机构。对接面有2×12共24把锁,4个气路、液路连接接头,1组密封圈     

太空接吻大写意

6月18日14时07分许,神舟九号与天宫一号对接环刚一接触,飞船尾部4台发动机随即点火,将飞船轻轻推进天宫怀抱。不到8分钟,对接机构先后完成捕获、缓冲、拉近和锁紧4个过程。神舟九号和天宫一号实现刚性连接,组合体以7.8千米/秒的速度绕地球飞行,中国首次载人自动交会对接顺利完成。     

基座与臂杆全弹性空间机器人的有限时间控制

探讨了基座、臂杆全弹性影响下,基于有限时间的漂浮基空间机器人系统轨迹跟踪以及柔性抑振问题.由于弹性基座与两柔性杆之间存在多重动力学耦合关系,此系统为高度非线性系统.将弹性基座与臂杆间的连接视为线性弹簧,利用拉格朗日第二类方程并结合假设模态法,推导出该系统的动力学模型;应用奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将系统分解为表示刚性运动的慢变子系统和表示基座弹性、双柔杆振动的快变子系统.针对慢变子系统,设计了一种基于名义模型的有限时间控制器,保证完成刚性期望轨迹跟踪.设计的积分式滑模面具有有限时间收敛特性,比传统渐近收敛控制方法具有更快的收敛速度和更强的鲁棒性;对于快变子系统,采用线性二次型最优控制同时抑制弹性基座与两柔性杆的振动.Lyapunov理论证明了所提控制算法能使跟踪误差在有限时间内收敛到原点.仿真验证了控制方法的有效性.     

非合作目标拖拉式对接机构设计与分析

针对非合作目标对接技术的要求和特点,提出了一种以卫星远地点喷管为对接接口的非合作目标拖拉式对接机构方案。设计了拖拉式对接机构的具体结构并建立其三维CAD模型,根据此模型,对机构进行了包络范围的求解;使用ADAMS软件对机构进行了动力学仿真,分析了对接过程中目标星与机械臂的动态特性,分析了对接过程中捕获力与关节受力情况。计算与仿真结果表明,提出的对接机构能够对目标进行有效、可靠的对接捕获,碰撞接触力小于280N,不会造成本体及目标的破坏。与以往对接机构相比,此拖拉式对接机构具有结构简单、可靠性高、捕获范围大、控制方法简单等优点,且机构受力合理,适合作为空间非合作目标对接的捕获装置。     

面向小型自主航天器的锥-杆式对接机构锥面构型设计

对接锥是对接机构的重要组成部分,在碰撞过程中首先与主动对接机构相接触.比较小的锥角会造成系统在碰撞过程中发生剧烈振动,而比较大的锥角又会使系统的接触碰撞力增大,甚至造成对接失败.本文针对面向在轨服务的小型航天器上使用的锥——杆式对接机构,提出了新的对接锥型面设计目标;利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA,仿真分析了对接机构碰撞后的运动学特性;通过研究对接锥的型面设计方法,得到了新型对接锥型面.研究结果表明,新型对接机构的整体性能满足设计目标要求.      

空间对接机构碰撞试验系统的开发研究

为研究空间对接机构在对接过程中的碰撞现象,研制了碰撞试验系统.探讨了试验系统方案;依据Hertz弹性接触理论,仿真计算了加速度频率特性,确定了加速度传感器的选择原则;利用该系统开展了低速碰撞试验.试验结果表明,该系统能够满足测量对接碰撞力的要求.      

空间站大型伸展机构柔性多体动力学数值计算

对用ｋａｎｅ方法建立的空间站大型伸展机构柔性多体动力学数学模型,从数值计算方法和软件实现方面进行了研究。文章采用局部附着浮动坐标系描述各构件的刚体大范围伸展运动;用截断的子结构正则模态描述各构件的柔性变形;用求解刚性方程的ＴＲＥＡＮＯＲ方法进行数值积分;用混合法对系统的微分－代数动力学方程组进行求解。还对空间站伸展机构多体系统的约束方程建立、独立坐标选取和动力学方程的ｓｔｉｆｆ病态问题进行了讨论。并针对空间站伸展机构在驱动展开过程中以及展开完成后的动力学响应进行了算例计算。     

对接机构方案样机轴向缓冲力仿真分析与试验验证

在对接机构方案样机缓冲试验中发现了轴向缓冲力超标的问题. 针对这一问题, 理论分析了轴向缓冲力过大的原因, 进行了仿真计算, 给出了降低轴向缓冲力的措施, 并在对接机构方案样机上实施了部分措施进行验证试验, 验证试验数据表明仿真正确、措施有效. 仿真也复现了飞行器模拟件自振频率对轴向缓冲力的影响, 并在飞行器模拟件的模态测试中得到了验证, 仿真给出了必须对试验数据进行滤波分析的结论.      

基于激光跟踪定位的部件对接柔性装配技术

数字化柔性装配技术是飞机制造领域近期的主要研究方向之一.以飞机部件对接装配定位为研究对象,研究了基于激光跟踪定位的飞机部件对接的数字化柔性装配技术和原理;在激光跟踪仪的二次开发软件包的基础上,开发了激光跟踪测量原型系统;论述了机械随动定位装置和随动伺服控制系统的组成和原理,实现了以位置控制为目的的机械随动伺服控制系统;以图形软件包为基础,建立了部件对接数字化柔性装配系统集成平台,并能够在此集成平台上进行基于激光跟踪测量的部件对接装配的实时仿真.本研究可对近期开展的数字化柔性装配技术研究提供一定借鉴.     

空间双柔性机械臂刚-柔耦合建模及定标误差分析

为研究空间多自由度机械臂在作大范围运动时臂杆柔性和关节柔性对末端定标精度的影响,考虑柔性臂杆的横/侧向弯曲变形所引起轴向伸缩的二次耦合项,采用计入集中质量的转子扭簧模型描述关节的柔性效应;提出了基于臂杆柔性的D-H参数法,递推出空间机械臂的柔性机构运动方程;应用Hamilton原理建立了空间双柔机械臂的一次近似刚-柔耦合动力学方程。对空间六关节双柔机械臂末端定标误差进行仿真,结果表明：臂杆的柔性和关节的柔性在空间机械臂的大范围运动中是相互耦合的;在工程应用中,需要将抓取目标设定在机械臂定标误差较小的方向上,以提高抓捕和操作的成功性。     

双柔性杆多次撞击力分析

柔性构件的多次弹性撞击现象在工程中普遍存在,其中撞击力的求解一直是关键问题.利用瞬态波函数特征值展开法,给出多次撞击过程和分离过程的杆中瞬态波传播的理论解,提出计算双柔性杆多次撞击力的瞬态波效应法,该方法避免求解具有未知奇异载荷项的强非线性方程.实现了对多次撞击问题的精确的数值分析,研究了初始撞击速度对撞击力和撞击发生时间的影响,表明瞬态波效应法可以计算多次撞击力时间历程.初始撞击速度越大,撞击力幅值越大,而且撞击力的峰值在前三次撞击过程中是逐次增加的,后趋于稳定,并可以研究"次撞击"现象.为进一步研究复杂柔性结构系统多次撞击问题以及重复撞击引起的长期系统动力学行为提供了可借鉴的有效研究方法.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下，空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法，利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型，利用奇异摄动法，将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动，依据虚拟控制力的概念，设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动，分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式，使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明，所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动，实现对期望信号的高品质追踪.      

运载火箭气液组合连接器动态自动对接技术

为实现未来重型运载火箭地面组合连接器与箭上接口的自动对接，提高发射准备流程安全性、可靠性，降低人员保障要求，开展了组合连接器自动对接的技术研究及总体策略分析，提出了由检测、智能控制、位姿调整系统组成的技术方案及非接触式检测+主动位姿调整+被动随动的自动对接策略，并开展了组合连接器自动对接试验系统研制，进行了组合连接器自动对接、低温加注、自动分离等全流程试验验证工作。结果表明:自动对接装置检测、智能控制、位姿调整等各项功能正常，自动对接策略准确、可行，解决了大载荷组合连接器在箭上接口大范围、高速运动条件下的自动对接难题，综合跟踪范围达±600 mm，综合跟踪速度达500 mm/s，各综合工况下完成自动对接时间约为3~5 min。      

空间机器人加注机构碰撞力建模与柔顺控制

为削弱在轨加注过程中主被动端碰撞冲击对空间机器人的影响,提出了基于力/位混合的柔顺控制律。首先通过第二类拉格朗日方程建立了漂浮基座空间机器人一般运动学模型和考虑环境接触的动力学模型。其次,设计了杆-锥式”加注主被动端装置,根据主被动端的接触特点,建立了点面接触的碰撞动力学模型,并给出相应的碰撞力计算方法。接着,将加注对接问题转化为以基座为参考系的末端运动控制问题,得到了机械臂关节期望运动规律,进而设计了位置环控制律;根据加注主被动端的位置关系计算得到碰撞力,进而设计了力/力矩环控制律,结合顺应选择矩阵最终得到力/位混合控制器,以减小杆锥对接时碰撞对空间机器人基座及末端的冲击影响。最后,仿真结果表明,对接方向的位置误差由初始值降至零,对接过程碰撞产生的力不超过10N,满足末端工具冲击承载。各关节角度变化平缓,关节力矩不超过13Nm,满足机械臂关节力矩最小承载,所设计的控制器使得加注主被动端完成柔顺对接。     

神舟八号飞船交会对接制导、导航与控制系统及其飞行结果评价

介绍神舟八号飞船交会对接制导、导航与控制系统的组成和工作原理,交会对接任务阶段划分,系统实现需关注的问题,以及神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器首次交会对接飞行试验的结果和评价.     

航天器对接六维试验台内装式重力平衡技术

为试验台主动对接环的重力平衡,研究了一种响应速度快、平衡力精度高,装在对接机构内部,适应高、低温环境的内装式重力平衡装置.介绍了有关技术:主动环实现三轴转动的球铰吊装机构;能够高速度、高精度地提供重力平衡力,并能实现自动随主动环上、下运动的智能型重力平衡技术;保证平衡器随主动环随动的轮轨式二维平动技术,经轻量化设计,其摩擦阻力和惯性阻力很小,并对轮/轨式方案进行了试验,当量摩擦系数仅为0.004 17.预计所研究装置的响应时间小于10 ms,各向失重模拟误差一般为1%~2%.