Space applications for ionic polymer-metal composite sensors, actuators, and artificial muscles

Ionic polymer-metal composites (IPMCs) are composites of a noble metal, conductive polymer or carbon/graphite, and charged polyelectrolyte membrane. IPMCs have shown considerable progress in producing actuation in electric fields. These composites are also capable of sensing motion by producing a voltage difference when bent by a mechanical force. Work to date has yielded a force greater than 40 times the weight of an IPMC and large bending displacements with very low-input voltages.There is sufficient reason to believe that artificial muscles with viable strength can be produced with these composites. The IPMC, in addition to being resilient and elastic, is also lightweight and has a reaction speed that ranges from 1 microsecond to 1 second. For space missions, devices based on IPMCs will have numerous applications. On planetary surfaces, robotic arms and end effectors, motion-producing motors, actuators, and controllers are just a few examples of devices that can be produced using IPMCs. In this paper, examples of various envisioned space applications of IPMCs will be provided. The impacts of these applications on future space missions will also be discussed.     

高强低模Zr基非晶合金的性能实验和张力计构件制备

Zr基非晶态合金具有高强度和低弹性模量,符合航天器弹性体构件的设计要求。文章采用铜模铸造法制备了Zr基非晶合金张力计构件,并对该合金的结构、热性能、力学性能进行了系统的测试和表征,着重分析了该非晶合金的铸造尺寸、成分配比与非晶形成能力的关系。研究成果有助于推动非晶合金在空间领域的工程化应用。     

基于湿热老化试验的NEPE推进剂贮存寿命预估

用NEPE推进剂进行湿热加速老化试验获得了推进剂在不同湿热老化条件下抗拉强度和弹性模量随老化时间的变化规律,建立了推进剂湿热老化失效物理模型,并提出了将弹性模量作为失效判据预估推进剂贮存寿命的方法。分别用抗拉强度和弹性模量作为失效判据,对推进剂贮存寿命进行估算。结果表明：将弹性模量作为失效判据预估NEPE推进剂贮存寿命的方法可行。     

三维角联锁结构复合材料的力学模型

基于等应力、等应变和文中提出的其它3个不同的组合力学模型,采用取向平均法,对4种不同结构的三维角联锁结构复合材料的工程弹性模量进行了预测。理论预测与实测结果的对比表明,组合力学模型更适用于预测三维角联锁结构复合材料的工程弹性模量;一种组合力学模型适用于预测一种三维角联锁结构复合材料的工程弹性模量,而且即使对同一种角联锁结构材料而言,沿不同方向的工程弹性模量也应选用不同的组合力学模型来预测。     

弹性机翼对机载导弹子惯导系统导航精度的影响分析

弹性机翼的振动及杆臂效应会引起机载导弹加速度计输出中的附加干扰加速度，从而引起导弹子惯导系统的导航参数误差。本文通过建立机翼弹性振动模型及惯导误差传播模型，从理论上分析了机翼弹性振动及杆臂效应对子惯导系统导航精度的影响，并进行了计算机仿真研究。     

Chaotic oscillations of spacecraft with an elastic radially oriented tether

A mechanical system consisting of a spacecraft with weightless elastic tether and load is considered in the paper. The spacecraft motion under the action of tensile force of a radially oriented tether is investigated. It is shown that elastic tether oscillations can result in appearance of chaotic modes of spacecraft motion. By means of the Melnikov method a condition is obtained, allowing one to determine the measure of damping sufficient for prevention of these chaotic modes. The influence of system’s mass-geometric and elastic characteristics on the form of phase portrait and on the value of periodic disturbance, caused by oscillations of the elastic vertical tether, is studied.     

皮卫星星箭分离动力学模拟及其灵敏度分析

皮卫星能源有限、姿控能力差等特点决定其对星箭分离初始姿态要求较高。在采用自主研发的皮卫星星箭分离机构的基础上,以多体动力学理论为基础,采用ADAMS软件建立了皮卫星及其星箭分离机构虚拟样机模型,分别就皮卫星质心偏离量、分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对入轨初始姿态影响展开了分析。分析结果表明：质心偏心量对分离姿态影响最明显,分离弹簧与舱门扭簧弹性系数对其影响次之,合理配置分离弹簧与舱门扭簧弹性系数有利于卫星保持良好的姿态分离。在轨分离试验显示：分离时刻皮卫星滚动角速度、俯仰角速度、偏航角速度分别为-0.18（°）/s,-1.6（°）/s,0.95（°）/s,与在轨环境下仿真结果基本相符;入轨初始姿态能满足皮卫星的姿控要求,为其后续工作提供了保障。     

基于均匀化方法的三维编织复合材料等效弹性性能预测

由于三维编织复合材料具有复杂的空间拓扑结构,其力学性能分析通过宏观有限元方法往往因为占用大量的计算机内存而难以实现。从细观结构入手,计算材料的等效弹性模量可大大降低计算量。现建立了等效弹性模量的均匀化列式及有限元求解方法,运用该方法对三维编织复合材料的等效弹性性能进行了预测,并提出了三种单胞模型的周期性边界条件的施加方法。通过该方法得到等效弹性模量与实验结果较为吻合,从而有利于进行下一步的细观应力场计算。     

弹性飞行器敏感元件位置设置与参数优化综合

本文研究了弹性飞行器敏感元件位置的设置问题，分析了敏感元件位置对弹性飞行器稳定性的影响，提出了几类飞行器自动驾驶仪敏感元件可能合适位置的选择准则。从飞行器弹性振动闭环系统方程出发研究了弹性飞行器参数优化综合的某些方法。通过算例得到控制系统返馈系数，陀螺位置，舵面位置优化综合的数值模拟结果。这些结果与该飞行器实际采用的值符合较好。     

捷联惯组空间五点减振的振动耦合分析

针对某型光纤(FOG)捷联惯组(SINS)的轻量化设计要求,采用了空间五点减振的布局方案。基于弹性中心理论计算了空间五点减振系统的弹性中心和偏心量,在捷联惯组存在质心偏移的情况下,增设第五点减振器可以将减振系统的弹性中心和捷联惯组惯性测量系统质心之间的偏心量减少到1.42mm。从刚体动力学出发对振动耦合的解耦条件进行了讨论,指出捷联惯组在惯性主轴偏移的情况下,空间五点减振系统无法实现角振动的解耦,但是通过调整IMU结构布局的质心,或通过调整减振器的刚度比,都可以实现线振动和角振动的解耦。用有限元方法对上述两种解耦方案下捷联惯组的冲击响应进行了计算,仿真结果表明,调节质心和调整减振器刚度两种方法对于降低IMU振动耦合的效果均较为理想,由线冲击引起的角振动降低了约29~100倍。