在轨3D打印及装配技术在深空探测领域的应用研究进展

以太阳帆深空探测为引子,对以在轨3D打印及装配技术为基础的在轨制造技术的必要性和可行性进行分析,分别阐述了在轨3D打印技术的技术优势、技术可行性以及在轨装配的最新研究进展,并重点研究了美国NASA资助的“蜘蛛制造”在轨制造技术,此项研究成功地将在轨3D打印和空间自主装配有机结合起来,有望突破目前空间可展开机构无法达到万米量级的技术局限性,为中国深空探测的发展提供了一种可供选择的发展思路。     

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板三个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时,可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三个方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的三个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过了8G重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。     

3D打印技术在太空的应用

正2016年3月26日,北京时间18时51分,"天鹅座"货运飞船与国际空间站完成了对接。在这艘飞船上,运载有美国研制的第二台空间3D打印机。自此,国际空间站上已经拥有了三台3D打印设备。科学家们将利用这些设备,实现空间制造,探寻解决人类在太空中长久生活的难题。3D打印技术,不仅可以大幅度减少成本、节约时间,更能制造出满足设计人员需要的几乎任意形状     

国内首台多激光束金属3D打印设备研制成功

近日,由上海空间技术研究院149厂研制的国内首台多激光束金属3D打印设备,经过近三个月的试验与测试,其运动精度、扫描速度、光斑直径和层厚等指标均达国际先进水平。目前多激光束金属3D打印设备运行稳定,已投入型号产品零件试制,并已收到来自航天系统内以及汽车、电子和中科院等多家单位委托加工需求。     

子午工程探空火箭伸杆展开机构技术研究

根据子午工程探空火箭电子和电场探测需求,设计了套筒式伸杆展开机构.通过电子伸杆和电场伸杆的结构方案设计、力学仿真分析,伸杆单项力学试验,伸杆与整箭的匹配力学试验以及伸杆飞行试验验证得出,该伸杆技术方案合理可行,伸杆总体构型、布局设计及结构方案设计满足科学探测各项技术指标的要求.      

一种微型空间驱动机构设计及力学仿真验证

提出一种基于超声电机、谐波减速器及角位置传感器的轻量化微型空间驱动机构方案.该驱动机构有高精度、大扭矩/质量比、结构紧凑、双角度测量备份等优点.对轴承、谐波减速器等关键部件建模方的法进行探讨,并通过对整机的模态分析及振动试验仿真验证设计的合理性.该机构的设计可以被应用于轻型机械臂、太阳帆板驱动机构等空间执行机构.     

星载反射阵天线形变对其辐射特性的影响

高增益、低剖面、低质量的平面反射阵天线广泛应用于卫星通信及空间探测领域.目前虽有多种新型星载反射阵天线设计，但尚未大规模实际应用.反射阵天线在加工、组装过程中出现的误差以及在空间高低温环境中产生的形变误差都会对其电特性产生影响.为验证反射阵天线大规模实际应用于空间探测的可行性，研究了反射阵天线可能出现的形变误差对其辐射特性的影响，从理论上分析了反射阵单元发生位移、旋转、变形时反射相位的变化规律，并且从反射阵天线设计实例出发，利用科学计算和电磁仿真软件对天线的方向图、增益等特性进行仿真分析，研究形变对反射阵天线电性能的影响.      

国外3D打印技术在航天领域的应用分析

2014年12月17日,美国商业公司研制的全球首台微重力3D打印机在"国际空间站"依照美国航空航天局从地面发送的设计文件打印出套筒扳手。3D打印机未来有望用于制造"国际空间站"30%以上的备用部件。近年,美、欧、日等国家或组织积极开展了3D打印技术(又称增材制造技术)在航天领域的研究与应用。尽管目前在太空中进行3D打印尚处于试验验证阶段,但已规划与实施的诸多在地面上进行增材制造的项目表明:3D打印技术已在卫星与火箭等航天制造领域显示出重要的发展价值和应用潜力。调查显示,其在航空航天工业领域的应用份额已占全部应用领域的10%以上。     

轻型空间相机主承力基板结构拓扑优化计

针对目前轻型空间相机主承力基板在结构设计过程中难于同时保证重量轻且刚度高的问题,提出了采用拓扑优化设计思想进行设计的方案.通过建立基于变密度方法的拓扑优化设计数学模型,运用Nastran软件对相机主承力基板进行拓扑优化设计,给出了主承力基板的最优设计方案.经过拓扑优化后相机主承力基板质量从初始的36.8 kg降低到15.4 kg,轻量化程度达58.2%.采用有限元分析方法对拓扑优化的结果进行了模态分析,以验证主承力基板刚度分布是否合理.通过0.5 g扫频振动试验对有限元分析结果进行验证,振动试验结果表明,主承力基板结构一阶自然频率理论分析与试验结果偏差1.86%,充分证明理论分析结果的正确性和准确性.整个优化设计过程证明,采用拓扑优化设计方法大大提高了研制效率,增强了空间相机主承力基板结构的性能,有效降低了基板的重量,满足系统设计要求.     

天基空间碎片光学探测影响因素分析及仿真

光学手段在天基空间碎片探测中被广泛应用,但容易受到杂光等因素影响。结合在轨试验数据,从探测器和碎片两方面分析了影响天基空间碎片光学探测的因素。影响探测器探测效果的因素包括太阳光、月光、地气光、大气辉光等杂光及南大西洋异常区辐射等;影响碎片可见性的因素包括地球遮挡、地影及反射的太阳光等。分别给出了上述影响因素涉及的特征量及规避影响的计算方法。基于某天基探测设备的仿真结果表明,上述影响在自然交会及姿态机动模式下均可能发生,在试验设计时需被充分考虑。最后,针对某天基空间碎片探测任务进行了规划。文章对天基光学探测试验设计具有一定的指导意义。     

3D打印,不只看上去很美

<正>时下,"3D打印"是个炙手可热的新词。"百度"一下"3D打印",与之相关的网页达2880万个。事实上,3D打印不仅仅是"看上去很美",最近发生的几个事例表明,它已经在航天制造业的一些领域,得到实实在在的应用。据3Ders网站8月31日报道,美国航宇局(NASA)成功地在马歇尔空间飞行中心测试了采用3D打印技术生产的复杂的火箭发动机零件——喷油器。用传统方式生     

碳纤维/环氧复合材料的原子氧剥蚀效应试验研究

碳纤维/环氧树脂用在空间飞行器上时,面临着空间环境中各种因素特别是原子氧效应的影响,因而在地面模拟设备中对这种材料进行了原子氧剥蚀效应试验研究,并且考察了温度变化的影响.通过比较试验前后试样的质量及表面形貌,得出了材料在设备中的反应特点以及温度变化对材料原子氧效应的影响规律.同时,还对设备中存在的离子氧在材料的质量损失中所起到的作用进行了定性的研究.     

空间核电推进系统比质量优化建模及其木星探测应用分析

空间核电推进(Nuclear Electric Propulsion,NEP)系统是一种将核热能转换成电能,并驱动大功率电推力器而产生推力的革命性空间推进技术。和传统推进技术相比,NEP具有高比冲、大功率、长寿命等技术优势,非常适合未来大规模深空探测任务。基于NEP系统组成和小推力轨道理论,建立了以有效载荷为目标的NEP系统比质量优化模型。该模型能够解析NEP航天器的轨道运行时间、比质量、功率与有效载荷比的复杂耦合关系,为任务优化提供了计算依据。最后,利用该模型对NEP系统完成NASA "Juno号"航天任务进行了技术指标评估分析。计算表明,当NEP系统比质量达到4.8 kg/kWe时,其能将"Juno号"航天任务的地木转移时间由2 266 d缩短至665 d,有效载荷由160 kg提高到1 179 kg,极大地提高了航天器的探测能力,为任务方案的可行性论证和后续设计提供参考。     

天文观测卫星动中探测机动测试系统设计

天文观测卫星普遍采用动中探测模式开展空间探测任务。为了实现动中探测姿态机动模式的地面有效验证，设计了整星机动集成测试方案。设计惯性空间基准的地面动力学仿真，满足惯性空间扫描仿真；设计整星各分系统间高精度时间统一系统，为整星机动测试提供统一基准；基于STK与Matlab接口模块，设计基于实时遥测数据的可视化判读系统，可提高测试判读实时性与准确度。整星测试结果表明，该方案有效验证了动中探测任务中姿态机动功能的正确性和指标符合情况，为开展整星地面测试和在轨应用提供了参考。     

组织等效参考人体模设计与研究

为了开展人体对电离辐射吸收剂量研究,利用3D打印技术研制了组织等效参考人体模。对体模材料的有效原子序数及单位质量电子密度进行了计算,利用实验验证了密度、元素组成比及质量衰减系数等参数,并基于蒙特卡罗方法模拟得到体模材料的质量衰减系数,将上述参数与标准值进行比对。验证结果表明体模制作材料具有针对~(60)Coγ射线的组织等效性。在~(60)Coγ辐射场中开展了器官吸收剂量实验,利用指型电离室测量了体模组织器官中的吸收剂量。基于MCNP软件获得部分修正因子及各器官材料与空气质能吸收系数之比,得到各器官吸收剂量值,为放射治疗质量保证工作提供参考。     

红外导引头平台底座拓扑优化设计

为了提高红外导引头动静态性能，以底座轻量化为设计目标，静刚度和基频为限制条件，采用变密度法的拓扑优化理论，利用三维设计软件和有限元分析软件对红外导引头平台底座进行拓扑优化设计。并对比分析了拓扑优化前后底座结构的各项指标，结果表明优化后的底座在质量减小了26.3%的情况下，最大变形量减小了7.6％，最大应力基本不变，基频提高了11％，有利于红外导引头轻量化水平的提升和整机性能的提高。最后，通过冲击振动试验，验证了红外导引头的跟踪性能，说明了红外导引头平台底座拓扑优化的可行性。     

电磁监测试验卫星矢量磁场探测方法

电磁监测试验卫星是中国第一颗近地轨道电磁场科学探测试验卫星, 探测空间背景磁场是其重要任务之一. 空间背景磁场探测需要在卫星平台上对空间矢量磁场进行长期稳定准确探测, 电磁监测试验卫星采用磁通门磁强计和基于CPT效应的绝对磁场校准装置(Coupled Dark State Magnetometer, CDSM)分别探测空间相对矢量磁场以及绝对标量磁场, 通过数据处理, 使最终的矢量磁场探测数据具有准确性. 这种数据处理方法在理想模型下拥有解析解, 实施过程中载荷的噪声、 准确度及稳定性影响模型的准确性, 会产生数据校准误差. 通过对在轨磁场探测的模拟确定了这种数据处理方法的性能, 验证了在载荷设计性能的基础上电磁监测试验卫星的磁场探测可以实现1 nT的准确度.      

日地L1点探测任务设计与结果分析

日地L1点是太阳观测任务的理想观测点，对于中国后续太阳观测任务具有重要意义，因此在嫦娥五号的拓展任务阶段设计并实施了中国首次日地L1点探测任务，通过在轨飞行验证了日地L1点转移轨道、环绕轨道设计的正确性，对日地L1点的测控链路环境、太阳辐照环境、三体动力学环境、空间辐射环境等飞行环境进行了探测和验证。轨道飞行和各项环境探测的结果与设计模型的预示结果之间比对一致性较好，通过在轨飞行数据验证了设计模型的正确性。各项试验获得了预期的技术成果，进一步丰富了嫦娥五号任务的成果产出，对中国后续深空探测任务和产品的设计具有重要借鉴意义。     

轻量化红外成像制导镜头设计与仿真

根据红外成像制导系统的轻量化、小型化、低成本发展需求,针对制导系统中的光学镜头进行轻量化设计。通过分析超透镜的波前调控原理和加工工艺,利用传输相位调控原理设计了基于硅和氟化钡材料的中红外波长超透镜,工作波长3 μm,镜头厚度小于1 mm,口径50 mm时重量小于10 g,热膨胀系数较低环境适应性好。利用时域有限差分法对超透镜进行了仿真,通过设置对称边界条件缩短了仿真时间。仿真结果表明,当超透镜数值孔径为0.45时,聚焦效率为85%,焦斑半高宽3.4 μm。     

3D打印火箭人族-1测试性飞行的特点分析

<正>1任务简介2023年3月8日，美国民营航天公司相对论空间公司（Relativity Space）的人族-1(Terran 1)火箭在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场进行首次测试性飞行。这次发射任务代号为“GLHF”，意思是“祝你好运，玩得开心”（GoodLuck,Have Fun）。相对论空间公司成立于2015年，计划采用3D打印技术、人工智能以及自主机器人相融合的新方法来实现火箭的设计、制造、试验与飞行任务，