扇形太阳翼重复折展机构运动仿真及其功能试验

传统折叠式太阳翼体积与重量大, 采用一次性展开锁定机构易引起航天器调 姿或变轨时的颤振. 为此提出了一种新型扇形太阳翼重复折展机构. 基于 ProE/Adams联合仿真, 建立虚拟样机模型, 获取不同电机转速下扇形太阳翼转 动导板展开运动参数的变化规律, 对所研制的扇形太阳翼重复折展机构原理样 机进行展开功能试验. 对比仿真与试验结果可知, 在电机允许转速范围内调节 转速, 扇形太阳翼重复折展机构均可在规定时间内完全展开锁定, 具有重复折 展与锁解功能, 且仿真与试验数据高度吻合, 表明其符合设计要求.      

重复折展锁解式太阳翼多体系统动力学建模与分析

为研究重复折展锁解式太阳翼展开力学特性,针对其有根树链式拓扑结构特点,依据一阶模态刚度分析假设模型,由Jourdain变分原理建立太阳翼树形柔性多体系统动力学理论模型;结合太阳翼关节铰机构运动规律,采用单向递推组集建模方法构建太阳翼展开过程正逆混合动力学模型;基于重复折展锁解式太阳翼结构参数和物理性能参数进行数值仿真,研究蜂窝夹层复合式基板柔性结构对太阳翼展开力学规律的影响,得到太阳翼各基板质心运动规律及其展开过程所需施加的驱动力矩. 所得结果可较好地预测太阳翼展开过程的动态行为,为其后续工程应用提供依据.      

厚板三浦折展机构的几何设计与运动分析

空间折展机构与一般运动机构不同,其对构件的几何形貌有着严格的要求。基于厚板折纸理论构造出两种三浦厚板折展单元——Bennett机构单元和球面四杆机构单元,在保证机构可以从展开状态运动到收拢状态且不发生物理干涉的前提下,以折展单元可无限次叠加组网为设计目标,分析构件几何参数应满足的约束条件,阐述模块化组成大尺度厚板三浦折展机构的原理和过程,提出Bennett组网和混合组网两种模块扩展方式。通过建立Bennett扩展模块和球面扩展模块的运动学模型,验证两种厚板三浦折展机构的运动等价关系。研究不同几何参数对机构折展率的影响规律,提出一种根据给定折展率要求对机构进行优化设计的方法,为厚板三浦折展机构的运动特性分析和几何参数优化奠定了理论基础。     

模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。     

五面体可展桁架单元展开特性分析

为满足大型空间桁架结构太空在轨装配的需要,根据五面体可展桁架单元可以组合成多种类桁架结构的特点,设计了一种五面体可展桁架单元,发射到太空后用于桁架结构的组装。为分析五面体可展桁架单元的运动特性,利用螺旋理论对该五面体可展桁架单元进行了自由度分析;采用了D-H坐标变换方法对该五面体可展桁架单元进行了运动学分析,并推导了展开过程的运动学方程;采用拉格朗日法对五面体可展桁架单元进行了动力学分析,给出了展开过程的动力学方程。分析结果表明,该五面体可展桁架单元展开过程中自由度为1;推导的运动学公式曲线结果与Adams仿真软件的仿真结果高度吻合,能很好地描述该结构的展开运动过程;增大扭簧的刚度对展开的运动参数变化趋势没有明显影响;节点的加速度不仅与扭簧的驱动力有关,还和节点位置和速度有关。在展开后期,节点位置和节点速度对节点加速度的影响比较明显。     

太阳翼联动装置预置张力设计及分析

联动装置是常用的太阳翼部件同步展开控制机构,绳索预置张力直接影响到太阳翼展开的同步性能。通过展开动力学仿真,设计了太阳翼联动装置绳索预置张力,并进行了太阳翼展开仿真分析,验证了设计结果的合理性。     

模块化抛物面折展机构设计与优化

抛物面天线作为卫星上重要的功能组件，是实现遥感测量和无线通信等功能的基础。为了解决模块化抛物面天线折展机构构型设计与刚度匹配困难的问题，提出一种基于剪刀机构的肋单元折展机构的构型方法，并设计了肋单元折展机构。通过运动学分析，验证了该机构通过参数的修改，可以实现同一折展机构展开状态包络不同抛物面拟合球面。给出一种包络锥法实现多模块折展机构展开过程的求解思路，为可转动肋单元的运动副配置提供依据。构建多模块折展机构的有限元模型，以提高固有频率和降低整体质量为优化目标，对肋单元折展机构的构型参数进行优化。采用非劣排序遗传算法完成优化迭代计算,得到具有高刚度、轻量化的折展机构设计参数，在相同条件下优化后调和平均固有频率提高了67.4%，天线整体质量下降了35.2%。     

空间冗余度机器人混沌自运动研究

建立了空间自由飘浮冗余度机器人的模型和运动学方程,分析了其Jacobian矩阵,得出相应的运动学逆解,通过仿真验证了空间自由飘浮冗余度机器人自运动中存在混沌运动,利用混沌分析的直接观察法、时间历程法、相图法和poincare映射法,对一个空间3R刚性冗余度机器人,采用PD控制器控制其末端执行器重复跟踪工作空间内一平面路径时连杆的自运动进行了研究.结果表明,该机器人的自运动存在混沌运动.     

基于ANCF的挠性太阳翼动力学建模及模态辨识研究

可展薄膜结构平面太阳翼由于极具纤薄和轻柔的特性,导致其动力学性能参数显得相当复杂.为全面、准确地明晰大挠性太阳翼动力学特征对新型百公斤级低轨卫星姿态控制性能的影响,采用ANCF(absolute node coordinate formulation)索梁模型和ANCF薄膜单元构建主要挠性附件,基于索梁预应力建立大型空间可展结构的动力学模型.通过建立的动力学模型,综合考虑太阳光压力、气动阻力、重力梯度力矩和地磁力矩在内的复杂空间环境干扰,采用复模态指示函数(complex mode indication function, CMIF)进行薄膜结构平面太阳翼模态参数在轨辨识的研究.辨识结果与仿真分析结果的对比表明,CMIF方法能够有效地识别可展薄膜结构平面太阳翼的低阶固有模态,为该技术的工程实施提供了坚实的理论研究基础.     

基于Bennett机构的柱面拟合可展机构设计及分析

可展机构既可展开至指定构型用于工作,也可收拢以便于运输,在航天和建筑等领域具有广阔的应用前景。本文提出并设计了一种以Bennett过约束机构为基本组成单元的可展机构,该机构的工作形面可拟合柱面,且具有全部杆件可紧凑折叠成一束的收拢构型。对Bennett机构进行了几何描述,并分析其运动学特性;利用剪式机构实现了单元机构的组合连接,保证了设计关键点准确位于目标参数曲面上,计算了所设计的可展机构的展收比;对机构的运动学及动力学性能进行了仿真分析,验证了所提出的设计,为后续的样机研制提供了理论依据。验证结果表明:本文提出的Bennett过约束机构单元组合简单、形面拟合精度高、刚度大,能够很好地应用于该圆柱面天线的设计。该研究对航天可展机构的设计分析具有参考价值。     

绳索断裂对二维二次太阳翼展开过程影响分析

为识别二维二次太阳翼关键环节和预示其在轨展开故障模式，开展不同位置绳索断裂失效对太阳翼展开的影响程度分析。采用考虑绳索断裂的绳索联动轮力学模型，建立了适应于不同联动轮半径的联动轮受力模型，提出角度触发约束消除方法，解决了太阳翼第2次展开过程连续仿真问题，建立了太阳翼第2次展开动力学方程，分析了不同位置绳索断裂失效对太阳翼各板展开角度、展开构型和其他绳索张力的影响。分析表明，越靠近星体的绳索联动机构失效对太阳翼展开过程的影响越大，其中连接架上绳索联动机构失效可直接导致二维二次太阳翼在轨展开失败。     

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法(UVLM)计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT(矩形分割)全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。     

带翼潜航器动力学建模及动稳定性

带翼潜航器具有面积较大的升力面,滚转运动是带翼潜航器的基本机动方式之一.利用计算流体力学(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法研究了带翼潜航器的动导数,计算结果表明:粘性力以及主翼对机体和尾翼的干扰对加速度导数影响较大,不能将加速度导数简化为附加质量系数.带翼潜航器水动力模型直接采用加速度导数,动力学和运动学方程组考虑滚转运动参数的影响.利用小扰动假设将动力学和运动学方程组线性化,并将方程组分为纵向和横航向两组.通过计算扰动运动方程组的模态研究了带翼潜航器的动稳定性.提出的动力学模型及动稳定性分析方法可用于带翼潜航器的稳定性分析以及运动控制系统的设计.     

新型折叠翼机构设计

为了进一步缩减折叠翼飞行器（如舰载机、无人机、飞行汽车等）的展向尺寸来节省储存、运输空间,设计一种新型的折叠翼机构方案.它由内翼、中翼和外翼3部分组成,采用连杆机构作为翼面折叠机构,能进行两次折叠.简化运动模型,建立运动微分方程,分析折叠翼机构在地面（无气动载荷）情况下的运动特性;利用多刚体动力学软件进行动力学仿真分析;通过在内翼和中翼间的铰链添加扭力弹簧,改善了折叠翼的驱动性能;开展折叠翼地面折叠/展开实验,实验结果与计算机仿真基本吻合.翼面折叠/展开运动平稳,大幅缩减了折叠翼飞行器地面展向占用空间.      

C/E复合材料螺旋铣孔切屑形状与切削温度研究

碳纤维增强环氧树脂基体(C/E)复合材料具有优异的性能,广泛用于制造飞行器结构件。在加工C/E复合材料连接孔过程中容易出现分层、撕裂等加工缺陷,而切削温度过高是导致加工缺陷的主要原因之一。螺旋铣孔作为新的制孔技术,加工C/E复合材料时表现出许多优于传统钻孔的特点,受到广泛关注。本文采用专用加工装备开展了C/E复合材料制孔试验,利用红外热像仪实时监测切削温度,分析了螺旋铣孔加工参数对切削温度的影响规律。根据螺旋铣孔运动学规律和切削原理,从未变形切屑形状特点入手分析了螺旋铣孔切削温度的来源和影响因素。研究结果可对深入理解螺旋铣孔加工机理、制定合理的螺旋铣孔加工工艺提供依据。     

卫星太阳阵展开的动力学方程

研究了卫星太阳阵展开的动力学问题，将卫星太阳阵的结构视为树形多体系统，利用给出的自由形式树形多刚体系统运动微分方程建立太阳阵系统的动力学方程，应用为该系统动力学方程编制的计算程序，可对太阳阵展开过程中卫星本体姿态的改变量以及太阳帆板在展开过程中的运动参数进行数值计算。     

利用频谱分析确定空间目标太阳翼定向模式

分析对比了空间目标与可控飞行器轨道确定的不同,论述了太阳翼定向模式的不同对轨道运动特性的影响。通过地面站的测距与测角数据,推算出测量数据的地心距频谱。假定一种太阳翼定向模式,利用测量数据进行轨道确定,利用定轨数据计算地心距频谱并与测量数据的频谱比对,由此可确定太阳翼定向模式。利用数值仿真对近地太阳同步轨道和地球静止轨道两种情况进行了验证,仿真结果表明该思路和方法是有效的。     

蝴蝶悬停飞行流体力学实验模型的仿生设计

由于蝴蝶形态学上的特点(翼面宽大,展弦比小,翼型复杂)以及其特殊的飞行方式(拍动频率低,翅膀几乎垂直于身体拍动;翅膀没有翻转运动,但在翅膀拍动时身体有明显的俯仰运动和振动),蝴蝶成为探索昆虫飞行高升力机理的特殊研究对象.为了深入研究蝴蝶悬停飞行时的流场和高升力机理,设计制作一套模拟蝴蝶悬停飞行的流体力学实验模型显得尤为重要.介绍一种新设计的电控蝴蝶实验模型,该模型与真实的蝴蝶一样,包含左右翅膀和身体,并且可以实现精确定位和模拟蝴蝶不同的运动模式,包括翅膀的拍动、身体的俯仰运动和振动.研究小组应用此实验模型进行流动显示实验和PIV(Particle Image Velocimetry)实验,对蝴蝶的悬停飞行进行研究.