基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术研究

对数字孪生技术和运载火箭结构设计制造与验证的数字化技术现状进行介绍,在此基础上对基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术开展论证,主要包括基于数字孪生的结构设计技术、基于数字孪生的结构制造仿真技术和基于数字孪生的结构试验仿真与控制技术3个方面。与现有技术相比,基于数字孪生的火箭结构设计制造与验证技术增加了面向过程的虚拟映射、模型驱动和数字管理等关键要素,加强了模型和数据对结构研制过程的预测、监测和控制作用,能够进一步提高设计效率,加快试验周期,提升结构的精细化和轻量化水平。     

空间黏附足式爬行机器人的稳定性判据及蠕动步态

面向空间在轨服务任务中的黏附足式爬行机器人应用需求,提出一种通过足端和腹部黏附实现爬行的机器人构型,分析了空间黏附足式爬行机器人的稳定性原理,推导了一种以机器人黏附和脱附力矩平衡为稳定条件的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据。在此基础上,分析得出空间黏附足式爬行机器人3+1步态的不稳定性,并规划了一种适用于黏附足式爬行机器人在空间微重力环境下的稳定行走步态,即蠕动步态。最后,通过仿真验证了所提出的空间黏附足式爬行机器人稳定性判据及所规划蠕动步态的有效性。     

面向GEO目标的快速在线在轨服务任务规划

针对地球同步轨道多对多在轨服务任务规划问题,提出了一种基于拍卖算法和先验知识的改进启发式拍卖算法(IHAA)。首先,建立了基于Lambert变轨的任务规划问题表征,设计了给定变轨时长约束下的快速燃料最优估计策略。其次,针对考虑J 2摄动影响的航天器在轨服务规划问题,提出了一种基于拍卖算法的快速求解流程。其中,为确定每一轮拍卖算法任务列表,提出了基于变轨先验知识的目标优先级排序启发式策略,实现了快速的服务时序确定方法;此外,为减少因部分航天器服务能力低导致的分配失败情况,设计了一种基于失败任务再分配的重拍机制。最后,将所提算法与遗传算法、模拟退火算法进行了对比,结果表明IHAA可以快速给出相对适应度较高的规划结果,可用于突发事件星上在线自主规划,亦可提供优化算法初值以提升规划效率。     

轻型刚性陶瓷填充材料性能表征及其空间环境效应试验研究

轻型刚性陶瓷因其稳定的介电常数和良好的耐压性能,已经作为填充材料应用于航天器器件中。文章对介质陶瓷材料的结构、组织形貌、力学性能和微波介电性能开展了系统研究,探讨了结构的各向异性对力学性能和电性能的影响。重点对介质陶瓷的空间环境效应开展研究,试验结果发现其具有低的真空出气总质损和可凝挥发物含量,以及一定的空间总剂量辐照耐受能力。陶瓷经历湿热处理后,结构强度出现了一定程度的下降,分析发现是由陶瓷内部含有的少量B_2O_3黏结剂吸水生成硼酸导致。     

动态环路法磁矩测量系统标定与误差评估

为保证磁矩和磁心位置测量精度,需要对动态环路法磁矩测量系统进行标定。在分析系统测量误差组成及其影响的基础上,提出了对动态环路法磁矩测量系统标定的方法,即采用以不同大小标准磁体为被测对象的标定方案,利用最小二乘法给出了5个标定系数值。通过测量2组用于模拟真实被测对象的组合磁体,评估了标定后动态环路法磁矩测量系统的实际测量性能。结果表明,标定后的动态环路法磁矩测量系统对偶极磁矩的测量误差不大于4.6%,磁心位置测量误差不大于7.2%。     

驱动机构动态磁场干扰处理技术

空间磁场探测器在工作过程中会受到附近其他设备的磁干扰,影响磁场探测精度。文章通过对磁场探测器工作环境的干扰分析,并利用地面设备模拟磁干扰源进行评价试验。文章使用小波分析方法对磁场探测器的测量数据进行处理,评估驱动机构的电机工作时对磁场探测器的测量影响。磁场探测器通过多探头配置及在轨标定和数据处理等方法,可以对平台的静态剩磁及动态磁干扰进行有效处理。     

火箭发动机七机并联机架预应力模态分析及优化

针对新一代载人运载火箭七台火箭发动机并联机架在大推力作用下的非线性振动问题,开展了七机并联传力机架的预应力模态分析及优化设计方法研究。以该研究为基础,发展了一种预应力条件下机架材料等效替换方法。在不改变结构传力路径的情况下,通过结构预应力频率优化设计,能够有效降低机架材料物性参数改变所带来的低阶预应力频率误差,以此降低传力机架在动静联合试验时的试验成本。针对七机并联机架结构开展了钛合金和不锈钢材料等效替换,结果表明优化后的不锈钢机架相比原始的钛合金机架,刚度和动力学特性变化维持在合理变化范围之内,验证了该方法的有效性。     

锥体目标进动的宽带雷达特征分析

进动是锥体目标空间自旋飞行时特有的运动特性,通过刚体姿态动力学原理,采用微动分析方法分析了光滑表面锥体弹头目标的空间进动模型,并由雷达电磁散射原理建立了目标宽带回波模型.通过散射点仿真模型和电磁仿真数据,采用周期检验的方法分别对锥顶和锥尾散射点的进动参数进行提取,验证了分析和模型的正确性.     

Practical approaches to handle the singularities of a wrist-partitioned space manipulator

Space robotic systems are expected to play an increasingly important role in the future. However, the control methods based on the inverse kinematics are affected by singularities. In this paper, practical approaches are proposed to solve the problems of a wrist-partitioned space manipulator. For spacecraft-referenced end-point motion control, we presented the singularity separation plus damped reciprocal (SSPDR) method, which separates the singularity parameters from the inverse of the Jacobian, and replaces their reciprocals using the damped reciprocals. For another control strategy, i.e. inertially referenced end-point motion control, including spacecraft attitude-controlled mode and free-floating mode, the linear momentum equation is used to eliminate three independent variables. With modifying some expressions, the SSPDR method is utilized to solve the singularities of spacecraft attitude-controlled space robot. When the space robot is free-floating, the singularities, i.e. the so-called dynamic singularities, cannot be predicted according to its kinematic structure. Combining with the measured angular velocity of the base, the dynamic singularity handling problem is transformed into real-time kinematic singularity avoiding problem, which can be solved by the SSPDR method. Since the SVD decomposition, the estimation of the minimum singularity value, and the calculation of the generalized Jacobian matrix are not required, the algorithm has lower computation load. Another advantage is that, only the accuracy of part velocity components is reduced by adding the damped coefficients. Simulation results verify the proposed approaches.     

基于改进的蚁群算法的亚轨道再入飞行器弹道优化

基于阻力与能量再入导引律,用改进的蚁群算法优化SLV再入阻力-能量关系剖面,其优化的性能指标为总吸热量最小,并采用LQR法跟踪参考弹道.仿真结果表明,优化方法简便易行,跟踪器性能良好.