空间站大机械臂锁合末端效应器设计及关键技术研究

论文首先对机械臂末端效应器的研究发展概况进行综述,对国内外典型的末端效应器的功能、技术指标、适应性特征进行综合对比分析;其次对大机械臂锁合末端效应器的结构组成、工作原理及特点进行介绍,并对其发展趋势进行分析;最后结合国内研制现状重点对锁合式末端效应器的关键技术进行研究分析。论文研究工作对于我国即将开展的空间站机械臂建设具有参考价值。     

纳米AP/Fe_2O_3复合氧化剂的制备及其机械感度和热分解特性

利用溶胶-凝胶法,通过引入1,2-环氧丙烷作为Fe(Ⅲ)离子的水解促进剂,在温和、无毒的条件下制备了纳米AP/Fe2O3的湿凝胶,经超临界干燥后得到AP/Fe2O3纳米复合氧化剂的气凝胶.利用TEM、SEM、EDS和DSC时样品微观形貌、表面元素组成和热分解特性进行了研究,并测试了它们的撞击和摩擦感度.结果表明,该复合氧化剂具有纳米尺寸,其中AP粒度在50～90 nm之间,Fe2O3粒度约加nm.AP/Fe2O3撞击感度普遍高于纯AP撞击感度.但AP/Fe2O3摩擦感度低于纯AP摩擦感度.另外,AP/Fe2O3分解放热峰温度较纯AP有很大程度提前,放热量也显著增加,其中含90%AP的纳米复合氧化剂高、低温分解峰较纯AP分别提前了124.96 ℃和113.02℃,放热量增加了438.85%.     

空间机械臂技术综述及展望

介绍了国外空间机械臂在轨技术验证与工程应用的概况,从任务类型、构型配置、末端执行器与操作方式方面分析了空间机械臂技术的发展趋势。综述了空间机械臂的任务规划、系统控制、路径规划、视觉感知、末端执行器、遥操作控制及地面试验验证7项关键技术。介绍了中国试验七号与天宫二号空间机械臂在轨验证情况,重点介绍了正在研制的中国空间站机械臂基本方案。最后,总结了目前空间机械臂技术存在的问题,并对中国未来空间机械臂技术发展提出了建议。     

冲击载荷作用下38CrMoAl渗氮钢损伤机理和耐腐蚀性能

为研究38CrMoAl渗氮钢材料在冲击载荷与海洋环境侵蚀共同作用下的损伤机理和耐腐蚀性能,对渗氮处理前后的38CrMoAl钢材料进行了冲击加载试验和腐蚀性能测试。研究发现渗氮38CrMoAl钢材料在高应变率下具有较强的正应变率敏感性。在冲击载荷作用下,试件表面渗氮层出现裂纹,并伴随着渗氮层的部分脆性剥落,但裂纹长度均在500~700 μm,裂纹只在渗氮层中扩展,并没有继续延伸至非渗氮层的金属基体内部。渗氮处理提高了材料表面硬度和强度,但降低了韧性。电化学测试结果表明渗氮处理显著提高了材料的耐腐蚀性能,其自腐蚀电位相对于未渗氮试件由-726.24 mV正移至-174.42 mV。但冲击加载后的渗氮试件由于表面渗氮层的破损,部分金属基体露出并与未发生破坏的表面形成电势差,进而发生较为强烈的电偶腐蚀。扫描开尔文探针测试结果表明,渗氮件表面阴阳极电位差及电位分散程度相对于未渗氮件增大,渗氮件更易发生局部腐蚀。冲击加载改变了渗氮层的表面状态,阴阳极电位差增加,使材料表面腐蚀变得更加不均匀。对试件耐腐蚀性能进行了盐雾试验验证,盐雾试验结果与电化学测试分析结果相一致,在舰载机维护保养中,应关注受冲击部位渗氮层的裂纹检查,并做好相应的防腐处理。     

航天飞机G417载荷研制及油滴与水滴接触微重力实验

文章介绍了曾经由航天飞机STS-64飞行任务搭载的编号为G417载荷的研制经验以及利用该载荷在航天飞机上开展的油滴与水滴接触微重力实验。北京卫星环境工程研究所承担了该载荷全部研制任务,其研制经验和飞行实验可为我国将来空间站开展微重力实验提供参考。     

柔性空间机械臂捕获卫星过程的碰撞动力学、镇定控制和柔性振动线性二次最优抑制

研究空间机械臂系统捕获卫星过程的碰撞动力学及受碰撞后不稳定系统的控制问题. 利用第二类拉格朗日方程推导得到空间机械臂系统的动力学模型. 在空间机械臂捕获卫星而受碰撞冲击过程中,利用动量冲量法评估碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态变化的影响效应. 为使受碰撞冲击后不稳定的空间机械臂与被捕获卫星组合体系统恢复稳定,设计了线性反馈和线性二次最优复合控制算法对受碰撞冲击后空间机械臂系统进行镇定控制和柔性杆振动抑制,所提出的控制算法无需控制漂浮基的位置,从而可以节省漂浮基位置控制推进器燃料消耗. 通过数值算例模拟了碰撞冲击对空间机械臂系统运动状态的影响效应并验证上述控制算法的效果.      

升级版加拿大机械臂

加拿大航天工业有一项独门秘技,就是研制太空机械臂。从航天飞机到国际空间站,加拿大研制的机械臂为人类的太空活动立下了汗马功劳。     

无反作用力矩空间机器人轨迹跟踪控制

针对目前关节驱动方式的不足,提出一种采用无反作用力矩驱动方式的空间机器人设计概念。系统平台与各节机械臂上均安装一组金字塔构型的控制力矩陀螺（CMGs）作为力矩执行机构,各臂间由自由球铰连接。采用Rodriguez参数描述平台姿态和机械臂角位移,利用Kane方程建立系统动力学模型。在此基础上,设计了渐近稳定的轨迹跟踪控制律,使得平台姿态和机械臂角位移跟踪期望运动轨迹;并设计了CMGs操纵律,使之准确输出期望控制力矩。此外,研究了机械臂工作空间到关节空间的轨迹规划算法,使得所设计的控制律也可应用于工作空间的轨迹跟踪控制。由三关节系统的仿真结果,验证了无反作用力矩设计概念的可行性和轨迹规划算法的有效性。     

“龙”飞船完美执行第三次空间站补给任务

2014年4月18日,美国太空探索技术（SpaceX）公司的猎鹰-9v1.1火箭升空,成功将＂龙＂飞船送入目标初始轨道,执行该公司第三次空间站补给任务。同时,火箭第一级在关机和级间分离之后还进行了海面软溅落回收验证试验,成为此次任务的最大亮点。随后,＂龙＂飞船用自身推力器提升轨道,4月20日与＂国际空间站＂交会,被站上机械臂捕获,停靠在和谐号节点舱上。此次任务中,＂龙＂飞船共向＂国际空间站＂运送约2268kg货物,任务持续一个月。5月18日,＂龙＂飞船携带1560kg系统硬件、科学货物和废物再入大气层,安全溅落在太平洋上。     

激光焊接带口盖加筋壁板剪切性能分析

针对双光束激光焊接带口盖加筋壁板开展了剪切稳定性试验,分析了带口盖加筋壁板在受剪状态下的屈曲载荷、屈曲形式、后屈曲承载能力及破坏形式。建立了壁板与剪切夹具的有限元模型,对壁板的剪切失稳形式及后屈曲承载能力进行仿真计算,并探究了口盖对加筋壁板的承载能力、应力变化及面外变形的影响。结果表明:带口盖加筋壁板在剪切状态下,当屈曲比达到1.95时,加筋壁板进入后屈曲,最终破坏载荷约为屈曲载荷的2.98倍。仿真与试验得到的载荷-位移曲线较为吻合,有限元法得到的屈曲载荷和破坏载荷与试验平均值误差分别为8.7%、1.02%。开口壁板的承载能力及刚度均下降,螺栓紧固口盖对加筋壁板的应力与面外变形影响较大。