模块化空间折展机构研究现状与展望

模块化空间折展机构具有拓展灵活、通用性好、适应性强等特点,可满足长距离深空探测、长期在轨空间站建设和超广域卫星通信等重大航天工程对大型/超大型空间折展机构的需求,是一种新型关键的航天装备。针对应用需求,阐述了模块化空间折展机构领域的研究进展,重点介绍了伸展臂、太阳翼和空间可展开天线等3类折展机构中具有模块化特征的典型构型,分析了模块化空间折展机构的结构组成、展开原理、驱动方式及应用现状,从机构创新设计方法、地面微重力试验及仿真、空间在轨装配技术、空间在轨建造技术等4个方面,展望了模块化空间折展机构未来的发展方向,旨在为大型空间折展机构的研究和应用提供借鉴与参考。     

内孔结构对旋转空化发生器水力特性的影响

空化普遍存在于工业生产、舰船推进、航空航天等领域.使用高速相机对闭式循环试验台的旋转空化发生器内部流动进行试验观测,然后基于RNG k ε湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型开展了旋转空化发生器流场的数值模拟.结果表明数值模拟结果与试验观测数据吻合较好,验证了本文数值模拟方法的准确性和可靠性.受离心力作用,转子孔内的压力从内径到外径逐渐增大.内孔底部由于轴向旋涡的作用,产生较大旋涡并耗散能量.内孔顶部流体与腔体区主流相互作用,在内孔顶侧产生碰撞并形成较小漩涡.不同内孔结构对旋转空化发生器的空化效果具有重要影响,在相同工况下椭圆形内孔的空化率小于圆锥形和圆柱形,说明型线光滑的内孔结构局部损失小,产生的空化较弱.不同内孔结构下,旋转空化发生器内部压力脉动的主频为转频fi或24fi(对应圆周方向开孔排数),压力脉动最大幅值出现在进口管侧和出口管侧,主要原因是受动静干涉作用影响.     

一种面向空间非合作目标的强化学习多臂协同俘获策略研究

针对空间非合作目标清除任务中的目标适应性以及俘获动作规划复杂性等问题,提出了一种基于强化学习方法并结合“多臂分组协同”机制的包络俘获策略。首先构建了多臂俘获机构的物理模型和运动学模型,之后利用SAC(soft actor-critic)算法并引入前演训练（PT）设计了强化学习控制器,接着基于“多臂分组协同”奖励机制设计奖励函数以训练得到最优俘获动作。为了验证俘获策略对单目标作业的高效性和对多目标作业的高适应性,对各种目标分别进行仿真实验。仿真结果表明：所得的俘获策略可以对多种构型的目标实现高效、高适应地俘获。     

基于数值模拟的孔构件挤压强化疲劳寿命预测

为研究飞机机身7050铝合金孔构件挤压强化后的疲劳增益,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对孔构件的挤压强化过程、疲劳加载过程、疲劳裂纹萌生和裂纹扩展过程进行研究。通过数值模拟探究了孔构件在不同状态下危险截面的应力分布和对应的疲劳行为,分析了残余应力场对疲劳性能的影响,探讨了残余应力与疲劳裂纹萌生和裂纹扩展的内在联系,建立了孔构件挤压强化疲劳寿命数值预测模型。结果表明：孔挤压强化引入的残余压应力可以减小孔构件在受载时孔壁最大拉应力,改变疲劳裂纹的萌生位置,抑制疲劳裂纹萌生和裂纹扩展,提高7050铝合金孔构件疲劳寿命近2倍,疲劳寿命数值预测模型误差在12%以内。     

突加不平衡下GTF发动机转子系统瞬态响应分析

针对GTF发动机低压转子系统突加不平衡瞬态响应问题,基于有限元法建立了考虑啮合单元、行星架单元、膜盘联轴器单元的多体接触、多转子耦合动力学模型,介绍了考虑非线性因素下突加不平衡瞬态响应计算方法,求解了低压转子系统的突加不平衡瞬态响应,并分析了关键部件刚度对突加不平衡的影响规律。结果表明：当风扇转子发生突加不平衡时,各部件均表现为振动幅值突增,后迅速趋于稳定,低压涡轮转子发生明显拍振,突加不平衡载荷主要由行星架结构和第1.5支点刚性支承承担;行星架刚度主要影响风扇转子突加不平衡响应、第1.5支点和行星架处的外传力;膜盘联轴器刚度主要影响增压级突加不平衡响应、转子在突加不平衡之后稳定运转情况。     

边倒圆型气膜孔流动换热特性研究

为提高涡轮叶片气膜冷却效率,根据主流与射流间的相互作用关系,并以圆柱型气膜孔为基础,在气膜孔出口前缘位置进行边倒圆处理,同时对该新型的边倒圆型气膜孔结构进行了实验及数值计算研究。分析了边倒圆型气膜孔的流动换热机理,得到了新型气膜孔下游全表面气膜冷却特性分布及气膜孔的流量系数。结果表明:边倒圆型气膜孔内流动均匀,出口涡强度有所降低,进而能够减弱主流通道内的反转对涡强度;同时由于边倒圆孔的扩张作用使得射流法向动量降低、展向动量增强,从而提高气膜冷却效率。边倒圆型气膜孔的孔下游区域气膜贴壁性较好,气膜展向覆盖面积较大。相比于圆柱型气膜孔,边倒圆型气膜孔下游区域换热系数较高,远孔区域换热系数较小。新型气膜孔的流量系数比圆柱型气膜孔约大5%,孔内流动损失较小。整体上看,边倒圆型气膜孔具有较好的流动换热特性。     

柔性空间机械臂在轨操作仿真与分析

针对挠性航天器利用柔性空间机械臂在轨操作目标进行分析.首先利用Kane方程和假设模态法对挠性航天器上安装有柔性空间机械臂的系统进行动力学建模.其次,采用修正的罗德里格斯参数描述机械臂末端相对服务航天器的姿态,利用五次多项式对机械臂末端的相对位置与姿态进行规划,并将目标航天器的相对运动进行补偿,基于雅克比矩阵的广义逆求解机械臂关节运动规律.然后,将反馈控制与扩张状态观测器结合,分别设计了航天器姿态稳定控制器和机械臂轨迹跟踪控制器.最后,对柔性空间机械臂捕获目标航天器以及安装模块的过程进行闭环数值仿真,结果表明,所设计的控制器能够使机械臂跟踪期望轨迹,同时使得航天器姿态趋于稳定,机械臂可以较高精度完成在轨操作.     

基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划

为了使太空机械臂在关节锁定故障后仍能继续完成后续任务,提出一种基于位姿可达空间的太空机械臂容错路径规划方法。基于牛顿-拉夫逊法计算太空机械臂关节人为限位,完成满足任务需求的退化工作空间求解,通过构造姿态可达度指标,在退化工作空间的基础上建立故障机械臂基坐标系下的位姿可达空间。通过在代价函数中增加最小奇异值代价项改进传统A^*算法,基于改进A^*算法在所建立的位姿可达空间内完成太空机械臂容错路径规划。所提方法综合了位姿可达空间与改进A^*算法各自的优势,实现了关节锁定故障太空机械臂同时满足避奇异与位姿可达要求的轨迹搜索。通过建立7自由度太空机械臂运动学模型开展数值仿真研究,仿真结果验证了所提容错路径规划方法的有效性。     

航空制孔末端执行器中调姿机构的设计与实验

针对飞机装配中的机器人制孔垂直度问题,设计了一种双偏心盘调姿机构.首先采用4个激光传感器测量工件制孔点处的法向量,求出钻头中心线与调姿平面的交点.然后计算调姿机构需转过的角度,调姿电机驱动该调姿机构对钻头姿态进行调整.该机构的特点是在保持钻头顶点不动时,调整钻头姿态.因此,避免了二次移动钻头位置.最后,在ADAMS中对该调姿机构做了仿真,并在机器人制孔平台上做了制孔实验,验证了其原理的正确性.      

球铰接杆式支撑臂展开过程中横向振动分析

针对展开过程中球铰接杆式支撑臂时变构型的横向振动问题,推导了支撑臂等效连续体模型的各向等效刚度,基于Hamilton原理推导了支撑臂展开过程的控制方程,采用加权余量法将偏微分控制方程转化为常微分方程,利用Runge Kutta法对方程进行了数值求解。计算结果表明：在收拢过程中,支撑臂末端的横向振幅越来越小,收拢过程是安全可靠的;而在展开过程中,末端的横向振幅随展开进程而增加,且振幅随末端负载质量增加而增加;若不考虑锁定冲击,展开速度对支撑臂横向振动的振幅影响可忽略,若考虑锁定带来的周期性冲击时,支撑臂的横向振幅将显著增大。为减小支撑臂的横向振动,必须对支撑臂展开速度加以限制。研究结果为航天器支撑臂在轨展开的控制提供了参考。