3D打印机攻入太空

在过去的一年中,全球科技技术领域大举挺进,其中不乏里程碑式的突破。美国《麻省理工学院技术评论》杂志从中挑选出2014年十大突破科学技术,涉及生活、生产、医疗等行业。而这些进步是否将会成为各行业的强大推动力量?又或是成为业内强有力的储备力和竞争力?本刊将目光聚焦刚刚攻陷最后一块领地的3D太空打印机。     

微重力环境模拟作业训练机器人碰撞力反馈控制

针对航天员在地球表面进行微重力环境中操作训练时微重力环境模拟作业训练机器人存在的碰撞力反馈控制问题,建立碰撞力反馈模型、提出单个柔索驱动单元控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略。利用Matlab/Simulink软件对碰撞力反馈模型和控制策略进行仿真验证,该模型和控制策略可以实现机器人碰撞力反馈,且具有计算量小、实时性好、不需要额外增加传感器等优势;结合提出的柔索驱动单元复合控制策略和机器人系统碰撞力反馈控制策略进行机器人碰撞力反馈控制实验,提高机器人控制的准确性和实时性。结果表明,基于干扰观测器的柔索驱动单元复合控制策略将柔索驱动单元主动控制精度提升11%,被动控制多余力消除率达到81.82%;机器人碰撞力反馈控制策略可以有效提升航天员作业训练时碰撞力临场感体验。     

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。     

空间胶体晶体生长结构变化的研究

为研究微重力条件下胶体晶体生长动力学和结构变化的规律,设计了空间胶体晶体生长实验装置。实验装置同时搭载三个实验样品,每个实验样品有两个实验工位。通过对胶体晶体的实空间成像及倒易空间衍射(Kossel衍射)成像分别实现样品形貌及样品晶体结构的观测。在完成的空间搭载飞行任务中,获得的大量空间及地面实验数据,结果表明微重力环境中的胶体晶体样品有更好的稳定性。     

Fuzzy adaptive robust control for space robot considering the effect of the gravity

Space robot is assembled and tested in gravity environment, and completes on-orbit service（OOS） in microgravity environment. The kinematic and dynamic characteristic of the robot will change with the variations of gravity in different working condition. Fully considering the change of kinematic and dynamic models caused by the change of gravity environment, a fuzzy adaptive robust control（FARC） strategy which is adaptive to these model variations is put forward for trajectory tracking control of space robot. A fuzzy algorithm is employed to approximate the nonlinear uncertainties in the model, adaptive laws of the parameters are constructed, and the approximation error is compensated by using a robust control algorithm. The stability of the control system is guaranteed based on the Lyapunov theory and the trajectory tracking control simulation is performed. The simulation results are compared with the proportional plus derivative（PD） controller, and the effectiveness to achieve better trajectory tracking performance under different gravity environment without changing the control parameters and the advantage of the proposed controller are verified.     

微重力环境中质量测量方法的研究

分析微重力环境下质量测量的特点,介绍目前国际上主要研究的基于振动定律、牛顿第二定律以及动量定理的测量方法,并进行了比较,最后简述我国关于人体质量测量仪器研究情况。     

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

微重力场中通风换热的数值研究

为在地面模拟空间站舱内的流动与换热,以两顶角集中进风,两底角集中出风的通风方式为对象,研究了微重力是条件下复杂深间内的对流换热地面相似模拟问题,采用数值分析方法,分别考察了方腔中无隔离物,有绝热隔离物,有等温隔离物以及有等温悬浮物的几种有代表性的不同情形,给出了每种情形下不同比例模型的流动与换热情况的数值模拟结果,并针对各种不同情形进行了分析说明,分析表明,集中通风方式更有利于抑制自然对流的影响。     

冷原子干涉重力仪在深空环境下的微重力探测

主要介绍了冷原子干涉的基本概念和原子干涉重力仪的发展;介绍了原子干涉的基本原理和在微重力环境下原子干涉重力仪的优势;阐述了国际上微重力环境下原子干涉重力仪的研究现状及其可能的应用。相对其他重力仪而言,原子干涉重力仪成为深空重力场测量的上佳选择,并且深空微重力环境可以有效延长原子干涉仪的干涉时间,提高仪器灵敏度。