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。对压电换能器模型和超声波钻探器集成模型分别进行了综述,指出了各种模型的优缺点及适用条件。对超声波钻探器驱动电源进行了综述,给出了设计驱动电源需重点关注的问题。依据星体探测的任务特点,对超声波钻探器在未来星体探测中的预研成果进行了探讨。最后对超声波钻探器研究和应用的发展趋势进行了展望。     

小管径高精度超声波流量计设计

航天器推进剂在轨剩余量测量一直是航天器在轨管理所面临的一个难题.提出采用超声波流量计测量推进剂在轨剩余量的方法,并给出了超声波流量计的设计方案.设计的新型超声波流量计结构,通过改变超声换能器的安装方式,从而延长了超声波传播路径,减少了传播过程中超声波的衰减.通过以单片机和FPGA为主控制器、以高精度时间测量芯片作为数据采集模块的流量计软硬件系统实现了超声波流量计对液体流量的高精度测量.通过恒速测试、交变流速测试和总量测试表明,该系统测量精度达到了0.5%,可满足目前航天器推进系统推进剂剩余量的在轨测量要求.     

月壤剖面锥型螺旋刃成孔钻头设计

针对月壤剖面钻进成孔探测需求,提出一种锥型螺旋刃成孔钻头,建立其钻进排屑性能的理论模型,并以此开展钻头结构参数的优化设计。在此基础上,分析螺旋刃切削姿态及其切削参数,基于直线刃平面切削理论建立锥型螺旋刃成孔钻头钻进切削负载预估模型,开展锥型螺旋刃成孔钻头模拟月壤剖面钻进负载特性试验验证。研究结果表明,相比于直线刃钻头,锥型螺旋刃成孔钻头的钻进排屑性能更优,而且钻进切削负载模型与试验结果具有较好的吻合度。研究成果对我国拟实施的月面钻取采样工程具有重要的借鉴价值。     

空间机器人一体化仿真系统的研究与实现

为对空间机器人关键算法进行验证和评估,开发了一套一体化仿真系统。该系统基于模块化设计思想,由遥测遥控接口、轨迹规划与控制、系统动力学模型、系统3D几何模型、相机成像模型、图像处理与位姿测量、碰撞检测与安全预警等模块组成。其中,3D实体模型及仿真场景由OSG(Open Scene Graph)建立,各关键模块的算法采用C语言编程实现,可对空间机器人执行在轨任务的关键算法进行闭环验证。最后对两种典型工况进行了仿真实验,结果表明了该系统的有效性。     

超硬刀具和材料的研究与应用

超硬复合材料是一种非常有发展前途的刀具材料,金刚石和立方氮化硼是其中的2种,在应用领域具有较好的互补性.先进的切削技术离不开先进的刀具,超硬刀具符合现代高速、高效、低成本以及环保的要求,是一种理想的切削刀具.切削加工是现代制造业应用最广泛的加工技术之一.据统计,国外切削加工在整个制造加工中所占比例约为80%～85%,国内则高达90%.     

模拟月壤钻进负载分析与试验研究

月壤与采样机具间的相互作用在月球自主采样器的设计、性能评价、控制和仿真等方面具有重要作用,目前对于月壤与采样机具间相互作用中的钻进负载研究尚不充分。本文基于被动土压力理论,根据不同的土体切削状态,将切削刃前土体分为堆积区和破坏区,重点分析堆积区土体和破坏区土体对总钻头负载的贡献,建立了月壤取心钻头钻进松散土体的钻进负载模型。HIT 2型取心钻头和HIT\|LS1#模拟月壤的钻进试验结果表明,钻进负载理论模型与实际情况具有较高的吻合度。     

小管径超声波流量计去噪方法

超声波流量计中存在各种噪声,直接影响流量测量的精度。文章首先分析了小管径超声波流量计中噪声的来源,从实时性的角度出发,提出了一种直接对测量时间差进行去噪的方法,避免了对原始超声波信号进行采样、分析带来的实时性差的问题。针对随机噪声和声学噪声引起的时间差数据中的误差,以硬阈值小波滤波作为第一级滤波、中值加均值滤波为第二级滤波进行处理。通过流量测量实验,验证了去噪方法的有效性,结果表明,去噪后流量计的瞬时测量误差小于1%。     

磁悬浮飞轮位移传感器谐波扰动的主动抑制

针对磁悬浮飞轮转子位移传感器谐波噪声引起的多频扰动问题,提出了一种基于级联相移陷波器的全转速自适应控制方法。首先根据多频扰动特性,构造分级的自适应相移陷波器,每级陷波器对应一个陷波频率;然后,将陷波器级联,分别设置相角补偿矩阵解决闭环控制回路在全转速范围内的稳定性问题。最后,以五自由度磁悬浮飞轮为实验对象进行实验验证,实验结果表明,所提出算法能够在全转速范围内有效地抑制谐波扰动。     

不同磁暴条件下GEO卫星表面充电电位分布

文章利用1989-2004年间"Los Alamos"7 颗地球同步轨道卫星的数据对不同磁暴条件下处于地球同步轨道高度等离子体片区域的卫星表面充电电位和热电子(0.03~45 keV)温度随地方时的分布及随磁暴发生时间的变化规律进行统计分析.根据对磁层顶电流修正后的Dst指数(Dst*)将磁暴分成弱磁暴、强磁暴以及超大磁暴.在随地方时的分布上,弱磁暴时卫星最可能在午夜后侧负向强充电(＞800 V);随着磁暴强度的增加,在超大磁暴情况下该区域会沿东西方向扩展到夜晚21时到凌晨4时的区域.在随磁暴发生时间的分布上,弱磁暴下卫星表面充电到高负电位主要发生在Dst*最低点前3 h和后2 h的时刻,强磁暴下主要发生在Dst*最低点时刻,而超大磁暴下主要发生在恢复相,持续时间达十几个小时.表面电位的分布规律和热电子温度的分布规律表现一致:卫星表面负电位超过100 V的区域主要集中在热电子温度大于2 keV的区域,而表面负电位最可能超过800 V的区域主要集中在热电子温度大于2.5 keV的区域.通过统计分析看出,对于那些极可能发生高负电位充电(＞8 kV)情况下的卫星表面电位分布与磁暴的强弱并无明显的相关性,但发现在弱磁暴情况下明显集中在正午前侧区域.     

太阳宇宙线在电离层D层中的电离

本文根据带电粒子对D层大气电离的理论,导出了太阳宇宙线在D层的电子产生率Q(h)的表达式,并计算了不同级别的太阳宇宙线事件、不同能谱参数下,Q(h)在极区随高度的分布。结果表明,不同级别、不同能谱的太阳宇宙线事件在极区产生的电离有显著的差别。同一级别,能谱指数γ越大,在较高的高度上电子产生率越大;能谱指数越小,在较低的高度上电子产生率越大。电子产生率的分布曲线出现明显的双峰,一个峰位于60公里左右,另一个峰位于85公里左右。前一个峰主要由太阳宇宙线中质子产生的,后一个峰主要是z≥2的重粒子成分产生的。本文所得结果明显好于Velinov等人的结果。