Modeling and experimental validation of sawing based lander anchoring and sampling methods for asteroid exploration

This paper presents a novel lander anchoring system based on sawing method for asteroid exploration. The system is composed of three robotic arms, three cutting discs, and a control system. The discs mounted at the end of the arms are able to penetrate into the rock surface of asteroids. After the discs cut into the rock surface, the self-locking function of the arms provides forces to fix the lander on the surface. Modeling, trajectory planning, simulations, mechanism design, and prototype fabrication of the anchoring system are discussed, respectively. The performances of the system are tested on different kinds of rocks, at different sawing angles, locations, and speeds. Results show that the system can cut 15?mm deep into granite rock in 180?s at sawing angle of 60°, with the average power of 58.41?W, and the “weight on bit” (WOB) of 8.637?N. The 7.8?kg anchoring system is capable of providing omni-directional anchoring forces, at least 225?N normal and 157?N tangent to the surface of the rock. The system has the advantages of low-weight, low energy consumption and balance forces, high anchoring efficiency and reliability, and could enable the lander to move and sample or assist astronauts and robots in walking and sampling on asteroids.     

考虑磨损后含间隙指向机构运动特性

为了提高空间指向机构磨损寿命的预测精度,克服传统静态磨损寿命预测的缺陷,计及间隙、摩擦磨损耦合因素,以实现机构关节动态磨损的精确预测,并对综合考虑间隙、摩擦磨损等因素的空间二维指向机构动力学问题和磨损问题进行了研究。采用牛顿 欧拉法,将间隙变量嵌入动力学模型,构建含间隙二维指向机构的动力学模型。基于Archards磨损模型,找到运动副接触面不同位置处的磨损深度,重构运动副表面形貌,并对磨损前后含间隙指向机构的动态特性进行分析,得到了关节处接触碰撞力和切向摩擦力的变化规律;采用动态拟合变量法和离散处理法分别对含间隙运动副内部间隙与接触力间、运行时间与相对滑移速度间的对应关系进行拟合,并建立了动态磨损数学模型;进一步预测了二维指向机构在跟踪模式、调姿模式下的运行时间分别为1259192h、76444h。研究工作为二维指向机构的本体设计、制造与应用奠定基础。     

一种小型化宽频带微带阵列天线设计

介绍一种小型化宽频带微带阵列天线设计,采用矩形渐变切角结构和E 型开槽结构,实现微带天线 的宽带化和小型化。馈电网络采用多级并联式T 型功分网络,保证宽频带馈电形式。基于项目需求设计、加 工了一套4×6 单元的微带阵列天线,测试结果表明,该天线在10% 的频带内反射系数优于-10dB,增益大于 20dBi。     

退火对P(VDF-HFP)共聚物薄膜结构和介电性能的影响

设法提高电介质材料的介电性能和击穿特性,进而改善PVDF基的电介质脉冲电容器储能性能,对于促进其在军事和民用领域的应用具有重要意义。偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(P(VDF-HFP))是一类综合性能优良的电介质材料。为了进一步提高其介电性能,文章首先通过溶液流延法制得P(VDF-HFP)薄膜,在不同温度和时间下对其进行退火处理,以考察后处理对P(VDF-HFP)晶体结构及介电性能的影响。采用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和示差扫描量热分析(DSC)对样品的晶体结构、结晶度和电活性β相含量进行表征,并对薄膜的介电性能进行测试。结果表明,退火处理可有效提高P(VDF-HFP)共聚物的β相含量,在120℃下退火12 h,体系的β相含量可高达92.1%,对应的介电常数可达15.3(100 Hz),较原始薄膜提高45%,同时样品介电损耗可降至0.019。     

轴向间距对压气机通道堵塞及总性能的影响

为了研究转静子叶片排之间的轴向间距对压气机内部流动堵塞及气动性能的影响,选取某单级轴流压气机为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其5种不同轴向间距下的内部流场进行了全三维数值模拟。结果表明:在每一种轴向间距下,当压气机节流至某一工况之后,压气机通道内的流动堵塞区主要集中在转子叶顶间隙区域和动叶吸力面尾缘附近以及静叶吸力面轮毂角区内;在同一流量下,随着轴向间距的减小,转子叶根吸力面尾缘处的流动堵塞区有所扩大,但转子叶顶间隙区域及静叶吸力面轮毂角区内的流动堵塞区体积却不断减小,压气机通道内回流区的总体积也随之减小,其结果是压气机的静压升能力和流动稳定性增强且效率增大。通过进一步研究发现:在同一流量下,当轴向间距减小时,转子叶顶间隙区域内的主流轴向动量增大且泄漏流的轴向动量减小,其结果是转子叶顶间隙区域内流动堵塞区的体积减小。     

转子叶栅非同步振荡发声特性研究

轴流压气机转子叶片排振荡疲劳失效是常见的气动弹性失稳问题。当转子叶栅处于非同步振荡状态下时,压气机管道内部将伴随着异常噪声的产生,这类噪声的频率既不是分布在叶片通过频率及其谐波上,也不是分布在转子轴频率及其谐波上,同时也不满足简单多普勒效应。为了解释这种异常噪声现象,以三维升力面理论为基础,讨论叶片对其附近流体施加非定常载荷的发声问题,给出了转子叶栅振荡异常发声问题的物理解释,建立了声场频率及模态特性与转子声源特性的直接关系式,并给出了频率特性不同于叶片通过频率且不符合简单多普勒效应的完整解释。在此基础上,通过机理性实验研究证实了该模型的正确性。实验结果表明,理论预测声场的频率和周向模态特性与实验结果完全一致。     

基于放大因子与Spalart-Allmaras湍流模型的转捩预测

为了验证放大因子输运方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型耦合对转捩现象的模拟精度,选取Schubauer and Klebanoff(S-K)平板、S809低速翼型、30p30n多段翼型以及复杂的三维HiLiftPW-1构型进行自由转捩计算,并将计算结果与实验进行比较分析,其中针对S809算例,还与Langtry-Menter(L-M)转捩模型进行了比较.算例结果表明:放大因子输运方程与S-A湍流模型的耦合能够较好的捕捉转捩位置以及转捩发展过程,对分离泡诱导的转捩的模拟相比L-M转捩模型更精确,转捩位置的捕捉精度提升了10%;对比实验,多段翼转捩位置的捕捉误差最大为6.5%;针对三维高升力增升构型,以实验作为参考,全湍流计算与考虑边界层转捩的对比显示考虑边界层转捩能够更加精确的模拟气动力系数,升力和表面摩擦阻力系数的模拟精度精度提升1%.