面向空间机械臂任务验证的硬件在环半物理仿真系统研究

针对空间机械臂在轨任务进行高保真地面仿真和验证的需求,搭建了空间机械臂操作任务验证平台(MTVF)系统。该系统基于硬件在环技术,将空间机械臂动力学仿真模型、两台地面模拟机械臂和测量系统通过实时仿真计算机实现软硬件的整合,具有响应速度快、跟踪精度高的特点。开发了闭环稳定算法和阻抗控制算法以保证MTVF系统的高保真性能,并通过搭建仿真计算模型以及设计地面试验等方法对MTVF系统的性能进行验证,结果表明,该系统能够反映真实微重力环境下空间机械臂的动力学特性,能够实现对真实微重力环境下的空间机械臂在轨操作任务进行高保真的地面试验和验证。     

金属材料空间3D打印技术研究现状

空间3D打印技术对航天器维护及深空探测具有重要意义。结合金属材料3D打印技术的特点及空间的微重力环境,从热源适应性、材料适应性、成形工艺适应性等方面探讨了金属空间3D打印所面临的困难。在此基础上,提出了空间3D打印宜选取电子束或激光为热源、丝材为原料的技术方案,并简述了目前国际上3D打印技术在微重力环境下金属材料制备方面的研究现状,分析了微重力条件下金属材料凝固时气孔等凝固缺陷的形成及元素偏析行为。围绕空间站建设和载人深空探测需求,讨论了金属材料空间3D打印在空间站自我修复及金属构件在轨制备等方面的应用前景。     

用于空间舱火灾预警的气体检测技术研究

针对空间舱火灾的风险和早期预警需求,提出了一种用于空间舱火灾预警的气体检测装置设计方案。该方案首先基于微重力条件下燃烧特征和相关非金属材料燃烧试验,提出了适用空间舱火灾预警的目标气体类型和对应的指标要求以及组分气体火灾报警策略,并以此为根据设计了基于激光吸收光谱技术用于火灾探测的四通道气体检测系统,同时搭建了单通道气体检测装置。试验结果显示:单通道气体检测装置的T90响应时间约为1 s,且在-30～60℃范围内温度对浓度测量的影响小于1%,响应快速性及免标定功能均得到了试验验证。     

基于优化SPOT和D-S证据理论的测试性验证方案

针对现有基于序贯验后加权检验的测试性验证方案对测试性设计指标之间的模糊参数空间考虑不足,以及未能充分运用测试性多源先验信息的问题,提出一种优化序贯验后加权检验和D-S证据理论相结合的测试性验证方案。首先,考虑测试性设计指标之间的模糊参数空间,构建三参数空间复杂假设,并基于Bayes理论研究序贯决策规则,同时确定决策因子以及决策阈值;其次,以测试性指标构成的参数空间为辨识框架,分别构造基于专家信息以及测试性试验数据等先验信息的基本信任分配函数,建立融合多源先验信息的优化序贯验证方案;最后,结合实例进行研究,并与经典验证方案、传统Bayes验证方案、序贯概率比检验方案以及序贯验后加权检验方案进行了对比分析。结果表明,该方案由于考虑了模糊参数空间以及充分融合了多源先验信息,有效解决了模糊参数空间的处理问题,同时所确定的平均故障样本量在决策支持的参数空间均优于其他方法。     

空间密闭系统中高等植物生长发育的研究

通过对"实践八号"育种卫星留轨舱中进行的密闭培养系统中高等绿色开花植物青菜(Brassica parachinensis Bailey)从种子萌发、幼苗生长到开花授粉各个阶段的实时图像观察,与地基对比实验的研究,初步了解到空间微重力对高等植物从营养生长到生殖生长转变,以及开花等重生理过程的影响。这是我国首次在空间进行的密闭培养系统中高等植物生长发育过程的实时图像观察实验,采用显微图像观察技术、空间植物培养技术、培养环境控制技术与生物目标观察固定技术等,为空间生命支持系统提供重的技术依据,并通过显微实时观察装置的研制与空间应用,加强对空间生命科学实验过程的在线检测和实时监控能力,为空间生命科学研究的遥科学方式建立技术基础。     

各国空间材料加工试验的发展

空间材料加工是空间工业中的新型技术领域之一,本文从空间微重力环境对材料加工过程的影响、空间材料试验及加工制造技术等几方面介绍了各国空间材料加工试验的进展状况。     

机器人航天员精细操作方法及在轨验证

针对航天员舱外活动风险与空间探索的效率问题,建立了具有双臂手的机器人航天员系统。该机器人航天员由多自由度机械臂、仿人灵巧手及具有双目视觉系统的头部等构成,具有位置、力矩、视觉等多种感知功能。为了验证机器人航天员及在轨人机协同关键技术,在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证试验,为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累了经验和数据。     

月面重力环境效应的地面模拟方法

月球探测和月球基地建设涉及各种月面操作活动,相关技术的地面验证需要建立等效月面环境.针对月面重力环境效应的地面模拟问题,首先介绍了空间微重力环境效应地面模拟方法的原理及优缺点,分析了其用于模拟月面重力环境效应的可能性;然后归纳分析了星体表面操作地面试验现状及面临的问题;在此基础上,介绍了一种液磁混合悬浮模拟方法,阐释了...     

微重力下热泵压缩机承载与润滑技术研究

针对空间微重力下热泵压缩机的承载与润滑,提出了基于气浮轴承的承载与润滑方案,对气浮轴承的静态特性进行了数值仿真分析,并建立了高速气浮轴承试验系统,获取了高速气浮轴承的静态和动态承载特性。证明了所提出的气浮轴承以氟利昂工质可实现高速稳定运行。     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

利用试验数据的产品可靠性综合验证方案确定方法

常用抽样检验的方法进行产品可靠性验证,根据这一方法所确定的验证试验方案,在一定的风险下所需样本量较大,有时在工程上是不可接受的。针对这一问题,提出利用产品研制期间的试验数据,重新确定抽样方案,从而减少验证试验所需样本量或降低风险。由于这种方法充分利用了产品研制期间的试验信息,因此在保证有较好的验证效果的条件下,与传统的验证方案相比,可以减少试验样本量,降低风险。     

在轨加注任务中变质量特性下的空间操作臂状态扩展自适应镇定控制

模块更换方式在轨加注任务面向不同类型的多个待加注目标与推进剂模块,过程中涉及航天器对接与分离、推进剂模块拆卸与组装等多种操作,研发时需要考虑系统中质量特性变化复杂,以及地面验证中存在的全周期、遍历性的任务级微重力模拟试验难以实现的问题。首先,针对地面调试良好时在轨加注空间操作臂系统可能被掩盖的非线性动力学特性,分析了一定参数范围下,任务执行过程中负载和基座质量特性变化对空间操作臂动力学特性和控制性能的影响。随后为实现对控制对象及环境改变的自适应性,基于惯性矩阵分解与重力载荷矩阵线性化,设计g的自适应律,并扩展系统状态变量,建立系统的Hamilton模型,进而基于能量函数整形与阻尼注入的无源性控制思想,设计预置镇定控制律,提出一种可对不同工况下的系统非线性实现自适应镇定的控制方案。最后,通过仿真研究验证了所提控制方案的有效性。     

空间动态水气分离器失重飞行试验研究

长期载人航天中必须突破的关键技术是水和氧气的循环再生。微重力下,水和氧气的循环再生首要解决的问题是气液两相流的分离。空间动态水气分离器利用离心力原理实现气液分离,但由于地面无法长时间模拟微重力环境,因而无法评价动态水气分离器在失重条件下的工作性能。2010年3月利用法国NOVESPACE Airbus A300 ZERO-G失重飞机,对空间动态水气分离器的水气分离效果进行了研究。结果观察到抛物线飞行过程中,分离液体中的含气率变化总体效果与地面重力条件下一致;而分离气体中观察到可视液滴,与地面重力条件下无可视液滴的结果不同。说明空间动态水气分离器的工作性能受重力影响,地面评价方法还需进一步完善。2012年10月再次利用法国的失重飞机,对改进后的动态水气分离器进行了搭载试验,结果显示分离性能已满足要求,验证了改进方法的正确性。     

套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼地面展开重力卸载研究

大型空间展开机构在微重力环境工作,自身不具备克服地面重力展开的能力,在地面进行展开试验验证时,需对机构进行重力卸载。套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼存在在轨展开步骤多路径复杂、活动部件多、收拢构型紧凑而展开尺度大的特点,地面重力卸载难以实现。以过程无需调整航天器姿态就完成全部展开步骤为目标,利用气浮法、配重法、悬吊法等对展开过程的不同步骤设计了相应的重力卸载方案。采用特殊构型的工装解决了干涉问题,采用主动牵引的方法消除了工装引入的摩擦力。方案得到地面展开试验验证,具有工程借鉴价值。     

空间植物栽培用OLED平板光源的设计与实现

针对空间植物栽培对光照的需求,研制了一种高效、高亮度,能在特殊环境中长时间稳定工作的叠层OLED平板光源样机。测试结果表明,该平板光源在15 V电压的驱动下,发光亮度高达2198 cd/m2,在电流密度为25 m A/cm2条件下,达到最大发光效率46.5 lm/W。根据器件EL光谱分析可知,其发射光谱范围在400~830 nm之间,分别在475 nm、551 nm和612 nm处出现蓝、绿、红三原色的发射峰,红橙光和蓝紫光较饱和,适合作植物栽培光源。     

基于仿真数据的测试性验证序贯设计方案

针对当前测试性验证试验设计方案均存在确定的故障样本量较大以及验证周期长的问题,提出了一种基于仿真数据的测试性验证序贯设计方案。首先,基于二项分布模型确定序贯设计的判决阈值;然后,在序贯试验下基于给定的样本量分配和故障模式选取方法,采用仿真的方式生成相应的故障模式并进行验证试验。同时,以序贯方式计算相应的概率比,通过其取值动态判定接受/拒收。结果表明,与传统方法相比,该方法与经典验证方法具备几乎相同的抽样特性,能达到有效减少测试性验证试验所需故障样本量的目的。     

基于序贯回归的小样本测试性验证试验方案

针对现有测试性验证试验方案难以实现较小样本量下满足置信水平要求的测试性评估问题,提出了基于序贯回归的小样本测试性验证试验方案。提出并证明了成败型试验序贯样本回归可行性假设;对序贯样本进行回归分析,实现了小样本下的测试性评估;建立了评估优化方案,实现了满足置信水平要求的测试性评估。实例验证表明:该方法可同时适用于有双方风险要求和置信水平要求的场合,且完所需样本量明显减少,在案例中平均减少了22.3%,最大减少了85%。      

机电产品寿命与可靠性综合验证试验技术研究

 大量机电产品既有可靠性指标要求,又有寿命指标要求,且在研制阶段结束时,需通过试验给出两种指标的验证结果。在对寿命与可靠性综合验证试验的可行性研究的基础上,提出了对其可靠性与寿命指标同时进行综合验证的试验方案。主要介绍该试验方案中的关键内容 :试验时间、失效 (故障 )判据、试验接收与拒收的判决准则的确定、试验结果的评估方法等。该试验方案的应用,为部分机电产品的寿命与可靠性试验验证提供了一个合理的、高效费比的技术途径。     

卫星留轨舱微重力防火实验研究

介绍卫星搭载实验项目导线着火前期特性硬件研制以及实验结果。空间飞行实验中获得了导线着火前期的温度和辐射特性,继而研究了导线过载电流、导线捆绑方式对导线绝缘层着火前期特性的影响,同时将微重力下的实验结果与地面功能模拟的实验结果进行了对比。实验结果表明,微重力环境下自然对流基本消失,导线和电子电气元件的散热情况恶化,在过载情况下就可能过热,从而导致失火。空间飞行实验中导线先期着火征兆的获得,将为开发我国微重力下的着火监测和早期报警装置提供新的技术途径。     

微重力条件下卫星贮箱中的推进剂管理问题

微重力条件下贮箱中液体管理的主要问题是控制液体推进剂在箱中的位置,保证向发动机输送不含气泡的推进剂.对用于自旋稳定卫星的梨形贮箱,在透明的有机玻璃缩比模型中用去离子水作试验介质进行落塔试验.在弹星分离以后,卫星自旋以前通过落塔试验确定气液界面的形状,排出液体时夹气现象和发生夹气时剩余液体的体积,试验为贮箱设计提供可靠的依据.在长寿命的卫星上将采用一种大型表面张力贮箱,在微重力条件下将要进行相关的液体流动特性试验,如气液界面的平衡位置,挤出效率,液体流动的阻力损失,流体的晃动等,验证设计的合理性.