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。     

空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析

针对空间绳网捕获应用,进行了多收口质量块收口过程的动力学分析。以一种自适应双卷筒卷取机构为研究对象,考虑包含有三个质量块的收口系统,通过建立收口质量块质点运动微分方程、收口绳长约束方程并利用非正交变换方法,给出了各收口质量块质心运动与缆绳卷取运动耦合的动力学模型,仿真分析了质量块平动发射和系统自旋发射等典型收口过程的运动特点,给出了一些收口过程的驱动控制策略,同时也说明此类自适应收口质量块具有较强的自适应性和容错性,适用于空间绳网捕获系统。另外,以上分析也适用于采用缆绳控制的绳系卫星编队系统。     

一种用于空间系绳卷取的自适应机构

针对空间绳网系统的缆绳收口要求,介绍了一种由双转子电机、双卷筒和自由导绳套筒组成的自适应缆绳卷取机构,给出了机构的设计思路。通过建立其系统动力学方程,据此得到系统各状态变量的稳态解,理论和实验分析缆绳卷取过程的特性,证实此卷取机构的有效性和一定的适应性,为类似空间绳系的卷取机构设计提供参考。     

空间相机定标机构退出装置设计

针对星载空间相机定标机构卡滞在光路里会引起相机成像功能的损失问题,设计了一种退出装置,采用记忆合金驱动器带动离合器分离齿轮和负载轴,排除电机和控制电路的故障;退出驱动源选用卷簧,独立于负载轴支撑,借助记忆合金致动器触发卷簧动作。经ADAMS软件运动仿真和退出试验,验证了该退出装置无运动干涉,能够实现退出功能。结果表明:退出装置的驱动力矩达到电机传递给负载轴力矩的2.3倍,可以解决定标机构的电机、控制电路失效以及摩擦力矩上升至超过电机驱动能力引起的卡滞问题,并且质量较冗余设计节省32%。     

空间飞网抛射展开动力学建模与仿真

空间飞网是由轻质绳索编织的在轨展开网状物体,主要用于在轨捕获。作为在轨服务的 关键技术之一,飞网捕获技术受到国际空间技术领域越来越广泛的关注。当前国际上空间飞 网的展开方式主要有三种：旋转展开、刚性构件支撑展开和直接抛射展开。其中,直接抛射 展开方式的发射装置结构最为简单,但飞网的动力学行为最为复杂。本文针对飞网直接抛射 展开的动力学过程,建立了正方形绳网、牵引质量块和发射器机构的力学模型,提出了飞网 抛射效果的衡量标准,分析了影响飞网抛射效果的主要因素。为了分析飞网展开过程,建立 了正方形空间飞网运动的解析模型;应用绝对节点坐标方法建立了正方形空间飞网的有限元 模型,并在软件THUsolver上进行了数值仿真。本文选取多种不同工况,应用上述两类模型 进行计算和仿真,并分析结果数据,得到主要因素对空间飞网抛射效果的影响。两类模型所 得定性结论相一致。
     

空间索杆铰接式伸展臂设计与试验研究

给出了空间索杆铰接式伸展臂的工作原理以及驱动原理,研制了一套空间索杆铰接式伸展臂及其套筒式驱动机构,该驱动机构能够实现顺畅的展开和收拢伸展臂功能。设计制作了重力平衡装置,并且对伸展臂展开和收拢进行了零重力地面模拟试验。对伸展臂展开、收拢过程中临界刚化时刻进行了力学分析和计算。通过试验测试了伸展臂在展开、收拢过程中驱动机构电机输出力矩的变化情况,并与理论分析进行了对比,验证了理论分析的正确性。通过试验分析了重力、展开速度以及伸展臂前端负载质量及惯性扰动对驱动机构动力特性的影响。通过试验测量了伸展臂的重复展开精度,验证了空间索杆铰接式伸展臂具有较高的重复展开精度和定位精度。
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空间飞网捕获机器人系统时变惯量姿态动力学研究

空间飞网捕获机器人系统提供了一种新的以柔性飞网为作业方式的在轨捕获模式,其捕获过程当中系统姿态动力学与普通航天器相比有较大的不同,主要表现在飞网抛射及捕获过程中系统质量特性不断发生变化,使得该系统姿态动力学呈现出丰富的特性.详细研究了飞网捕获机器人捕获前后二维轨道平面内的姿态动力学模型,在考虑重力梯度力矩的情况下建立了飞网抛射及捕获过程当中系统的惯量时变姿态动力学模型,并根据不同的初始条件完成了数值仿真.仿真结果说明在飞网抛射及目标捕获过程中系统会发生明显的面内天平动.该文的研究结果为后继飞网捕获过程当中的姿态协调控制及射网路径规划的研究提供了理论支撑.     

国外航天器在轨捕获技术综述

论述了国外延寿飞行器设计方案中采用的各种在轨捕获技术,典型捕获机构包括伸缩杆、机械臂、飞网或飞爪等,比较分析了技术复杂性、成本、工程可实现性等问题,最后建议采用通用性好的空间机械臂作为在轨捕获机构,以充分满足在轨延寿、离轨和在轨维修等任务需求。     

运载火箭推力调节电机驱动反馈信号滤波方法

在运载火箭推力调节系统中,广泛采用基于电流斩波技术的步进电机驱动电路,电机励磁绕组驱动电压的波形随驱动频率的变化呈现出较大差异的振荡状态。本文提出一种采用变频采样技术和固定滤波窗口方案的均值滞回滤波算法,实现在电机驱动频率[800Hz,3200Hz]范围内对电机驱动反馈信号的鲁棒滤波。试验结果表明,该滤波方法能很好地消除反馈信号的振荡状态,可精确实现反馈信号脉冲计数与测频功能,能可靠地应用于运载火箭推力调节系统的故障诊断与遥测等应用场合。     

二自由度行波型超声波电机的研制

二自由度行波型超声波电机是一种新型多自由度超声波电机,其电机结构较复杂和实现相对困难,但其又具有独特的优点。从二自由度行波型超声波电机的驱动机理和基本结构出发,阐述此类电机所需要解决的一些基本问题,并就电机的结构实现、驱动球转子的最佳定子结构以及调谐问题进行了分析和介绍,具体提出了对心对中调节机构、外缘大倾角内缘线接触的行波定子、以及微调定子外缘倾角的调谐方法。研制样机的球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为119mNm,空转转速12r/min,且各方向运转平稳,输出性能比较一致,为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提高和控制等奠定了一定基础。
     

航天用大力矩高精度超声波电机研究

超声波电机与传统电磁型电机不同 ,它是一种靠摩擦驱动的新原理电机 ,具有低速大力矩、响应快和功率质量比大等特点 ,能直接驱动 ,适合航天领域的应用。先简单介绍超声波电机的特点及其在航天领域的应用情况 ,随后介绍了所研制的一种低速大力矩超声波电机的结构、摩擦材料、特性和步进定位控制策略 ,其结构型式为纵扭复合型 ,样机直径为 80 mm ,堵转力矩达到了 13Nm,转速 12 .5 r/min,重复定位精度优于 0 .0 2 0°,纵扭振动的一阶谐振频率较接近 ,电机的工作频域较宽 ,近 7k Hz,起动时间在 5 m s左右 ,关断时间在 2 m s以内。     

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。     

永磁同步电机驱动太阳翼扰动力矩建模与仿真

建立太阳翼驱动机构(SADA)永磁同步电机的电磁方程,并利用固定界面模态综合法建立SADA驱动太阳翼耦合系统的振动方程;设计模拟柔性负载,对SADA驱动该柔性负载的扰振力矩进行仿真分析。结果表明,SADA驱动柔性负载运行过程中所产生扰振力矩主要由两个原因引起：1)电流噪声引起的力矩波动;2)控制参数选取不当引起的转角波动。     

地外天体超声波钻探器研究与应用综述

分别探讨了国内外各科研机构研制的超声波钻探器的原理及性能特点,重点针对超声波钻探器的钻进过程优化问题,分析了现有的超声波钻探器作动方式的改进过程,结果表明:超声波钻探器在理论及试验研究方面都相对成熟,是未来地外天体采样任务中优势突出、可工程实现的钻探平台;并且轻质、结构紧凑的回转冲击式超声波钻探器更具有应用前景.对压电...     

一种双框架磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动抑制方法研究

为了抑制谐波减速器运动误差对双框架控制力矩陀螺伺服系统速率平稳性的影响, 提 出一种角加速度反馈的控制方法。建立了带有谐波减速机构的陀螺框架系统的数学模型,对 谐波减速器的运动误差进行了分析。通过设计非线性微分跟踪器得到加速度信号构成加速度 反馈,对谐波减速器运动误差所造成的速率波动进行抑制。对框架伺服系统进行仿真,仿真 结果证明了该控制方法的有效性,在双框架磁悬浮控制力矩陀螺原理样机上进行了实验验证 ,实验结果表明,在5度／秒的转速情况下,使框架转速波动量减小了59％,显著提高了 转速精度.     

某型舵机放大器电老炼模拟负载方案论证

通过对舵机放大器电老炼各类负载进行权衡论证,研究出功率电阻与电感串联的模拟负载。经过方案论证和充分的试验,设计特定的激励信号,对该方案不断地优化和完善,最终基本模拟了电机特性。证明该方案可最大限度地模拟了实际负载电机的工作特性,更适合本单位目前的批生产状态。     

自锁式形状记忆合金馈源锁紧机构

提出了一种形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA）丝驱动的自锁式馈源组件锁紧机构。该锁紧机构利用自锁原理实现锁紧,采用双路冗余的SMA丝实现解锁。为校验该锁紧机构的功能及性能,完成了原型机的生产,并开展了锁紧试验、电性能试验和高温环境试验。结果表明,该机构在1700N的载荷下仍能保证可靠自锁,在2.5~4.0A电流下均可正常工作,对应的解锁时间为15.8~4.2s,功耗为140 ~95J,此外,机构能在小于92℃的高温环境下正常工作。基于上述试验结果,该机构具有突出的锁紧性能、宽松的工作电流范围以及良好的高温性能,在空间旋转结构的锁紧方面具有非常大的工程应用潜力。     

基于TMS320C6701的程序冗余加载设计方法

为满足航天产品高可靠性、高安全性的要求,用户对软件存储和加载方式也提出了更多的需求,如程序三区冗余备份、在轨重构等。TMS320C6701是一款高精度浮点数字信号处理芯片,其运算速度快、实时性高,近年来广泛应用于电机控制、轨道运算等宇航软件产品中。TMS320C6701内部程序区和数据区独立,设计师需要编写二次引导程序实现代码和数据的先后加载。根据TMS320C6701的加载特性,将二次引导与重构功能结合,设计了一个引导系统。引导系统对应用软件进行三取二判决,将判决结果加载至RAM中运行,并通过总线实现应用软件的更新。实验证明,该系统可以通过总线通信对应用软件重构升级,大大提高了软件的可靠性和可维护性,且缩短了单机研制周期和维护成本。     

空间大型末端执行器捕获动力学与实验研究

以绳索式末端执行器为研究对象,基于离散化方法,采用六维弹簧柔性连接方式建立了绳索动力学模型,并引入绳索与目标间的非线性接触碰撞力和摩擦力模型,获得末端执行器捕获动力学模型,并设计了末端捕获冲击实验,验证了模型的正确性。所建模型可充分考虑绳索的空间运动状态以及捕获过程中绳索与目标间的接触碰撞过程,基于此模型可预示并预防捕获过程中瞬时的较大冲击。对于机构设计和控制器调试具有一定意义,并可作为物理试验的有效补充,解决我国未来空间大型目标捕获任务地面试验验证困难的问题。