基于相似理论的星球车牵引通过性模型

深空探测车辆在星球表面巡视过程中,应避免过度沉陷,保障其可靠的通过性能具有重要意义。月球和火星表面重力加速度分别约为地球表面重力加速度的1/6和2/5,地面实现低重力环境的模拟具有一定局限性,因此基于相似理论进行轮壤相互作用系统的量纲分析,研制二分之一缩比模型车;开展缩比模型车轮壤试验,重点研究滑转条件下车轮沉陷行为和牵引特性;基于地面力学理论,结合轮壤接触应力分布的线性化方法,建立与沉陷和滑转率相关联的星球车挂钩牵引力预测模型。通过土槽试验数据对模型进行验证,结果表明该模型具有较高的准确性。能够为星球车通过性评估提供一定的理论技术基础。     

火星车行驶环境研究综述

参考国内外火星环境的研究结果,总结了火星地形地貌基于陨石撞击以及火山喷发的特征以及形成原因;对火星车行驶性能影响较大的土壤、岩石等通过对比的方法进行力学特征及物理特性的分析;提出了模拟火星土壤、石块以及坡度等的重要参数以及模拟火星车行驶环境的可行性设计方案,可为我国火星车系统设计、火星探测器性能试验、火星环境模拟等提供技术依据与参考。     

基于月球车轮地作用地面力学积分模型的月壤力学参数辨识方法

月壤力学特性参数的研究可以使人们了解更多的星球地质学信息,也是进行月球探测车等设备开发以及未来从事人类月球活动的工程基础.利用月球车轮地作用测试平台和模拟月壤对6种不同尺寸和轮刺的车轮进行试验,利用传统压板试验和剪切试验测量土壤力学参数.针对月球车轮地作用地面力学积分模型进行耦合度和参数敏感度分析,进而将8个力学参数分...     

典型模拟火星土壤研究进展

火星土壤(简称火壤)是广泛分布在火星表面的细粒风化物质,其物理力学性质是火星着陆及巡视探测需要考虑的重要因素之一。回顾了火壤的探测历史,根据研制需求的不同,对国内外不同类型模拟火壤的物质组成、物理性质、力学特征等进行了对比分析。在此基础上,认为在模拟火壤研制方面面临以下困难和问题:缺少可供参考的火壤深层剖面数据;模拟火壤种类不全面;模拟火壤制备技术有待进一步改善。因此,未来模拟火壤的研制工作需要在以下几方面加强:①利用地表风化玄武岩剖面,进行模拟火壤剖面类比研究;②开展(含盐)冻土型、极端工况型等多种类型模拟火壤研制工作;③积极探索模拟火壤研制新方法。     

基于轮地作用参数和PLSDA方法的月壤力学性能评估

为评估在轨月球车周边环境月壤力学性能,以月球车辙信息、轮上载荷和滑转率作为基本参数,提出了16个二元及三元标识量,结合偏最小二乘判别方法(PLSDA)建立评估月壤力学状态模型。根据容重对模拟月壤力学状态进行分级,分别为松软状态、自然状态和紧实状态。应用轮壤相互作用试验台共采集247组试验数据,每种模拟月壤状态的试验数据按照2:1比例随机划分为校正集样本和预测集样本,最终校正集和预测集样本个数分别为166和81个。考虑到原始数据值相差大和所提出部分标识量包含冗余信息的特点,因此在建立PLSDA模型时,应用均值中心化预处理方法对原始数据进行数据预处理,并优选10个标识量建立识别月壤力学状态的PLSDA模型,对应的校正集的准确率和预测集的准确率分别为90.96%和90.12%。结果表明,应用PLSDA方法并结合月球车的车辙信息、轮上载荷和滑转率以及优选标识量所建立的评估月壤力学状态判别模型,其计算快速准确,可用于月球车在轨评估车轮前方月壤的力学特性和通过性能评估。     

轮地力学模型参数灵敏度分析与主参数估计

在星球探测过程中,星球车需要估计地面力学参数以及时调整控制策略,快速适应地形变化。针对形式复杂,参数耦合的轮地相互作用模型,采用Sobol灵敏度分析方法,分别对模型中的地面承压特性参数和剪切特性参数的灵敏度进行定量分析,筛选出沉陷指数与内摩擦角作为模型的主导参数,用于反映地面承压特性和剪切特性的变化。基于轮地相互作用力学平衡方程,通过简化应力分布公式,进一步推导出主导参数的解析表达式。通过以典型值固定非主导参数,利用系统状态参数和滤波处理完成地面力学特性主导参数的估计。结果表明,所提出的地面力学主导参数解析式及相应的估计方法能够快速反映地形的变化,沉陷指数估计的平均相对误差为2.8%,内摩擦角估计的平均相对误差小于3%。估计结果可准确预测车轮牵引力,为实现实时控制提供必要信息。     

滑转条件下月球车轮沉陷模型研究

 月球车在月面行驶时,为保证月球车的通过性能,应尽量避免沉陷。然而传统车辆沉陷量数学模型不适用于动态滑转条件下的月球车,为此对月球车行驶时车轮沉陷量的计算模型进行了研究。基于车辆地面力学理论,从模拟月壤力学参数和滑转率两个方面,在适合于刚性轮静态沉陷计算模型基础上建立了适用于滑转条件下月球车轮的沉陷计算模型。通过轮壤土槽试验,将试验测得的月球车轮沉陷量与模型计算得到的沉陷量进行比较,验证了修正模型的正确性。所研究的模型能够为滑转条件下月球车沉陷量的预测提供理论技术基础。     

某直升机专用交流地面电源车PSPICE模型仿真分析

针对某直升机专用交流地面电源车系统,建立了PSPICE软件的仿真模型,且进行了系统仿真,研究了基于独立源及受控源的SPWM波产生方法,分析了滤波器参数分布对于系统性能的影响。仿真结果表明该电源系统对于雷达、吊声类冲击性负载有较好的适应性。     

星球车非结构化环境行驶稳定性分析

针对星球车在星球表面非结构化环境行驶过程中可能存在由于稳定性不足而发生倾覆的问题,提出了一种星球车在非结构化环境下的稳定角计算模型,用于分析星球车在非结构化环境行驶过程中整车的稳定性。首先,搭建了星球车运动学模型,确定了星球车行进过程中车轮质心与整车质心之间的位置关系;其次,建立了星球车稳定角计算模型;最后,利用Matlab/Simulink搭建稳定角计算模型,在Adams软件中建立了星球车坡道转移、垂直越障和爬坡3种典型工况,通过联合仿真分析得到了星球车坡道转移、垂直越障以及不同坡角下星球车稳定性,验证了计算模型的有效性。     

不同粒径分布模拟月壤承压特性试验研究

月壤的承压特性决定月面巡视探测器的行驶阻力和沉陷,是影响月面可通过性的主要特征之一。为了得出不同粒径分布的模拟月壤在巡视器地面载荷和月面载荷下的承压特性,通过压板试验获取了3种不同粒径分布模拟月壤的承压性能曲线与参数。分析表明:粒径分布对模拟月壤承压性能影响大,粒径粗且分布均匀的JLU-1模拟月壤承压能力最强,其次为JLU-3模拟月壤,而粒径细且分布窄的JLU-2模拟月壤承压能力最弱;3种模拟月壤的变形指数在其他模拟月壤的范围内,松软状态时接近月壤值,在小载荷作用且松软状态时变形指数小于1;3种模拟月壤的内聚模量在其他模拟月壤的范围内,但大于月壤值;松软状态时3种模拟月壤的摩擦模量在其他模拟月壤的范围内,中密和密实状态下均大于月壤值。研究结果对月面探测器行走机构的仿真和路径规划具有参考意义。     

可折展载人月球车移动性能仿真与试验分析

为更加有效地研究载人月球车移动系统低重力环境下的移动性能,建立了载人月球车仿真模型,并对地月两种不同重力环境下的移动性能进行了仿真对比分析,在地面重力条件下极限越障高度明显降低。轮地相关参数不变,仅改变重力加速度,仿真得到载人月球车移动系统地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度,土壤相关参数一致,重力加速度不同的情况下,地面重力条件下移动系统质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在移动性能仿真分析基础上,对可折展载人月球车移动系统地面原理样机进行了搭建,在保证地月不同重力环境下车轮及悬架承受的有效载荷一致的前提下,在地面重力条件下,利用实验室松散沙土模拟月壤进行了越障和爬坡等通过性能试验,验证了所设计的移动系统满足设计约束要求,为后续载人移动系统的深入设计奠定了基础。     

火星着陆发动机羽流与火壤的相互作用

火星探测器着陆过程中的发动机羽流与火壤发生复杂的相互作用,一方面探测器底部的火壤表面成分及分布形式被破坏,影响探测器的着陆过程;另一方面受发动机羽流作用而扬起和悬浮的颗粒,会影响探测装置的可靠工作.针对此问题,利用数值模拟,对火星探测器着陆过程中的发动机羽流和火壤相互作用进行了研究,获得了不同发动机高度和推力下火壤颗粒...     

轮腿式火星探测机器人的多目标协同控制

火星探测任务要求机器人具有对未知的不规则地形的自适应能力和动态稳定性。针对轮腿式火星探测机器人,提出了基于运动学反解模型、车体姿态和轮壤接触力的多目标协同控制策略。通过车体姿态调整运动学建模、一阶低通滤波及腿部阻抗控制算法和基于腿部运动危险系数的重心高度调整算法,实现了车体姿态的跟踪控制、轮壤恒力接触控制和重心最优高度控制,提升了轮腿机器人在非结构地形中的自适应能力、运动稳定性及腿部运动空间的安全性。在MATLAB和UG中建立联合仿真模型,验证了控制策略的有效性。     

一种航空发动机全状态性能模型

采用基于脊背特性的压气机和涡轮部件性能的参数表示方法建立了航空燃气涡轮发动机全状态性能仿真计算模型.使用该模型对某单轴涡喷发动机的地面节流特性进行了计算模拟,并且与传统的发动机性能模型的计算结果进行了对比.结果表明:主要截面参数的平均相对误差不超过07%,说明该模型在慢车以上转速与传统模型具有相同的计算精度.使用该模型同时对该单轴涡喷发动机的空中风车状态、地面起动加速的全过程、以及减速全过程进行了数值模拟,验证了该模型的全状态性能仿真能力,计算结果定性地符合发动机在各个不同工作状态的物理特征及变化趋势.      

月球钻取采样机构的钻杆结构与运动参数分析

针对月球钻取式自动采样机构空心外螺旋钻杆取样过程,分别建立了月壤内聚力和月壤内摩擦系数随月壤深度变化的数学模型,建立了钻进过程中钻杆运动参数(钻进速度和钻杆转速)与钻杆结构参数(钻杆螺旋升角、外径、槽宽比和螺旋槽深等)之间的关系。建模过程考虑了月壤物理和机械特性随钻进深度变化特性、钻杆钻进牵连速度及月壤微元相互间的抗剪性,使得钻杆参数符合月球钻取采样的实际工况。对模型进行了验证,利用该模型开展了钻杆结构参数对运动参数的影响分析,给出了钻杆结构参数对钻杆运动参数的影响规律,获得了钻杆结构参数的最佳取值范围。以钻杆转速与钻进速度比最小为优化目标,以结构参数为设计变量,基于遗传算法对钻杆结构参数进行了优化,优化后的钻杆转速与转进速度比降低了13.8%。该优化结果降低了系统能耗,提高了钻取采样输月壤效率,可为钻取式自动采样机构的设计提供理论依据。     

火星着陆发动机气凝胶材料热防护装置设计

大推力着陆发动机高温热防护技术对火星着陆任务安全至关重要。基于多级热辐射反射结构的常规发动机高温隔热屏在火星大气环境中使用时,因内部气体换热导致隔热性能显著衰减。为解决这一问题研发了一种基于气凝胶隔热材料的新型发动机热防护装置。根据火星探测工程任务服役环境防隔热需求,建立了考虑低压气氛与高温热流边界影响的瞬态传热模型,开展了新型隔热系统的外形锥度、隔热层厚度等关键结构参数的优化设计,通过三维瞬态仿真分析及与发动机联合试车地面试验验证了设计有效性。气凝胶热防护装置成功应用于天问一号火星着陆巡视器,实现了对着陆发动机1 500℃超高温的有效屏蔽。对在轨遥测数据进行反演分析,提出了基于气凝胶材料的高温隔热设计的优化改进方向。     

蓝宝石的纳米压痕试验与有限元仿真研究

在对蓝宝石进行纳米压痕试验的基础上,利用有限单元法建立了纳米压痕试验的数值模型,对蓝宝石的纳米压痕试验进行模拟、计算和分析,确定了蓝宝石表层的材料性能和力学特性.该模型可以研究在加工过程中,主要工艺参数对加工效果、加工效率、所导致的加工表面损伤层的影响,确定它们之间的相互关系,进而优化工艺参数,完善蓝宝石材料精密研磨加工的水平.     

足垫垂直冲击月壤理论模型研究

为分析足垫冲击月壤运动特性,基于岩土力学理论,细化了足垫月面冲击环节,构建了足垫垂直冲击月壤的理论模型,可以快速预测足垫与月壤的相互作用特性;开展了离散元仿真验证,提取了着陆缓冲过程中冲击响应时间、足垫侵入月壤深度、轴向力及着陆过载等动力学特征参数;对比了不同着陆速度、不同足垫质量冲击工况下,离散元仿真与理论模型的计算结果。研究表明:理论模型可以反映足垫冲击月壤的运动特性及力学特性,与仿真计算误差在15%以内:理论模型在分析足垫冲击月壤时,可以代替离散元仿真分析,用于指导方案设计,具有工程实用价值。     

飞机壁板复杂载荷试验技术

针对火星表面低温大气环境下多层隔热组件隔热性能大幅衰减、不能满足火星车保温需求的难题,提出了一种新型、高效、轻质纳米气凝胶隔热装置设计方法,采用在真空和火星大气环境下导热率极低的纳米气凝胶为隔热材料,通过基于低导热复合材料的盒盖式局部支撑封装、气凝胶与结构间填充缓冲泡沫进行多余物过滤、铺设反射屏进行辐射漏热隔离、开设排气孔等设计方法,解决了力学性能增强、多余物控制、辐射漏热隔离、快速泄复压等工程应用难题,成功完成纳米气凝胶在祝融号火星车的工程应用。地面试验测试结果表明,1 400 Pa、二氧化碳气氛、25℃时纳米气凝胶隔热装置总导热系数低至0.008 0 W/(m·K),有力保障了祝融号火星车舱内设备在零加热功率补偿条件下在轨温度仍处于允许范围内。火星车纳米气凝胶隔热装置总质量为5.95 kg,仅占火星车总质量的2.5%。     

祝融号火星车纳米气凝胶隔热装置设计及应用

针对火星表面低温大气环境下多层隔热组件隔热性能大幅衰减、不能满足火星车保温需求的难题,提出了一种新型、高效、轻质纳米气凝胶隔热装置设计方法,采用在真空和火星大气环境下导热率极低的纳米气凝胶为隔热材料,通过基于低导热复合材料的盒盖式局部支撑封装、气凝胶与结构间填充缓冲泡沫进行多余物过滤、铺设反射屏进行辐射漏热隔离、开设排...