载人月球车全向(全局)月面路谱模型研究

为保证载人月球车等月面高速移动机器人路谱模型的准确性和规范性,对月球表面月谱进行了数学建模与仿真。利用谐波叠加法建立了二维路谱模型,通过增加横向特征,建立了三维路谱仿真模型,并建立了月表陨石坑和石块的典型模型,从叠加了陨石坑和石块模型到三维的平坦月海、高地和崎岖月海的数学模型中,获得了典型月面路谱的数字化特征,该特征与月貌真实情况一致。该路谱模型可以作为载人月球车的平顺性和操纵稳定性动力学仿真模型的输入,为载人月球车的性能评价和优化奠定基础。

对接机构动力学仿真

以神舟飞船的对接机构为研究对象,介绍了不同研制阶段仿真的任务规划,给出了研究中的对接机构仿真分析的捕获缓冲参数设计、数字样机、对接过程动力学仿真评估、试验验证与模型修正,以及对接动力学试验等。

飞网捕获机构中受约束绳索的建模方法研究

针对飞网捕获系统中大量非光滑接触以及刚柔耦合造成的动力学建模困难问题,提出一个简化模型。该模型将收口绳索与收口环和分离体之间的接触视为滑移关节,并采用约束方法开展动力学研究。考虑到滑移关节的碰撞,引入接触刚度,建立滑移关节的接触动力学方程。利用绝对节点坐标法描述绳索单元,采用虚功原理建立绳索单元动力学模型;对于分离体等刚体,采用四元数描述,建立刚体含约束动力学方程。对收口系统的收口过程建模仿真,得到绳索和牵引质量块的运动规律,并对比不同收口环数目下的收口时间和收口程度。研究结果表明,收口环的数目增加可以使边线绳收缩得更加紧凑,但较多的收口环会延长收口时间,降低收口效率。

一种扭转式载人月球车及其高速移动性能研究

针对阿波罗载人月球车在崎岖月面行驶车身晃动幅度过大,车轮离地时有发生的问题,分析月面地形路谱对车身纵向、横向以及对角车轮跳动差的需求,在总结月球车、火星车以及地面车辆提高接地性措施的基础上,提出一种前后车身可相对扭转的载人月球车,通过相对扭转对车轮跳动进行补偿。仿真对比了两种载人车在不同路面下的高速移动能力、平顺性、通过性以及稳定性,对比研究表明:该扭转式载人车在交叉正弦路面具有更高的行驶速度,在随机路面同等行驶速度下具有更高的平顺性,在低速越障、过坑能力等方面也具有明显优势,车身扭转自由度明显增加了载人月球车对崎岖路面的适应性。

驱动激励下的柔性太阳翼系统振动及抑制研究

针对太阳翼驱动机构不平稳激励所引起的系统振动问题,分析了驱动激励下柔性太阳翼系统振动响应,发现刚柔耦合作用会大大增强系统在驱动作用下的微弱振动。指出旋转运动控制是太阳翼系统振动控制的关键,提出了一种在驱动机构与太阳翼之间安装旋转磁流变阻尼器的系统振动抑制方案,以振动干扰抑制为控制目标。运用PID算法计算旋转运动控制的阻尼力矩需求,定量地研究了旋转振动控制对柔性太阳翼系统振动抑制效果。仿真结果表明:旋转振动控制能使系统振动的干扰力矩衰减达89%,有效抑制驱动激励下的太阳翼系统振动,对提高航天器的运行稳定性及定位精度具有重要意义。

太阳电池阵展开与锁定过程的多体动力学分析

柔性太阳电池阵展开动力学分析一般将板间的铰链视为理想铰,展开到位时施加与角度相关的撞击力矩模拟锁定过程.本文采用多体动力学方法,在动力学建模时将板间铰链视为物体,考虑太阳电池阵的刚柔耦合效应,基于Hertz接触理论,建立锁销和锁槽的碰撞模型.然后实现了太阳电池阵展开锁定全过程的动力学数值仿真,并研究了碰撞模型中参数的选取对仿真结果的影响.研究结果表明,碰撞参数的选取不仅影响铰间碰撞力的大小,还会影响整个系统锁定后的频率响应.最后给出了如何选取碰撞参数进行太阳电池阵展开与锁定动力学仿真的策略.

空间站对接碰撞能量计算的简化分析

空间站建造和运营过程中对接的新变化是大吨位和大偏心,必须计算各种构型对接碰撞需要缓冲的能量,周边式对接机构碰撞情况复杂,能量计算困难。针对任意两航天器碰撞式对接,建立三维等效模型计算碰撞能量,根据空间站构型将三维模型简化成二维模型,避开求解常微分方程,直观、方便、快速地计算对接碰撞产生的能量,并对空间站"I"、"L"以及"T"字构型时的对接碰撞能量进行分析,用于对接机构的性能设计。

对接机构方案样机轴向缓冲力仿真分析与试验验证

在对接机构方案样机缓冲试验中发现了轴向缓冲力超标的问题.针对这一问题,理论分析了轴向缓冲力过大的原因,进行了仿真计算,给出了降低轴向缓冲力的措施,并在对接机构方案样机上实施了部分措施进行验证试验,验证试验数据表明仿真正确、措施有效.仿真也复现了飞行器模拟件自振频率对轴向缓冲力的影响,并存飞行器模拟件的模态测试中得到了验证,仿真给出了必须对试验数据进行滤波分析的结论.

空间站转位机构转臂捕获基座误差分析

基于空间封闭矢量方法,针对齿轮支架相对实验舱以及基座相对核心舱的安装误差、对接环推出误差、主被动对接环环环间隙这4个环节的误差,建立了空间站转位机构转臂捕获基座之间的相对位置姿态误差模型。通过蒙特卡罗方法分析了误差,并给出误差范围及分布特性。分析结果可以给地面捕获连接试验和仿真验证工况的制定提供依据。

带Stewart平台的航天器刚柔耦合动力学建模与仿真分析

本文采用柔性多体系统单向递推组集的建模方法,基于速度变分原理建立了带Stewart平台、柔性帆板和CMG组件的航天器刚柔耦合动力学模型.由于该模型自由度较大,无法满足实时控制的需求,因此建立了简化的Stewart平台等效模型,并通过与柔性Stewart平台完整模型对比,验证了所建立的动力学简化模型的正确性与高效性.分析了星体平台运动及柔性帆板的振动对有效载荷动力学响应的影响,指出了设计Stewart平台的微振动抑制方案时不能忽略下平台的运动及柔性附件的振动.本研究为带Stewart平台的航天器的微振动减振设计与高精度指向提供了有效的技术支撑.

空间站舱体转位试验系统动力学匹配设计与仿真

针对空间站舱体转位地面试验二维模拟空间三维动力学特性的等效性问题,通过第二类拉格朗日动力学方法,建立起在轨与地面试验系统之间的动力学关系,进行了质量特性匹配性设计。基于设计的质量特性,进行了在轨转位和地面试验转位两种仿真分析,仿真结果表明,在轨与地面动力学仿真结果在趋势和峰值两方面一致性很好,所设计的实验舱模拟器质量特性可以用于地面试验系统的研制。

基于阻抗控制的空间机械臂目标捕获技术研究

针对7自由度空间机械臂在目标捕获过程中的应用,根据机械臂末端执行器与目标适配器导向插入过程中存在接触碰撞的特点,提出一种阻抗控制方法,将机械臂末端测量的反作用力和力矩转化为位置增量,从而提高机械臂的主动柔性。并建立MATLAB/ADAMS联合仿真模型进行仿真验证,利用ADAMS的碰撞模型模拟接触捕获时的力学过程。仿真结果表明,本文提出的阻抗控制方法可以减小机械臂末端作用力和关节的驱动力矩,补偿了机械臂位置控制的误差,从而保证了机械臂对目标的捕获精度。

可重复使用垂直起降运载火箭软着陆动力学仿真研究

随着航天技术的飞速发展,可重复使用运载火箭成为未来运载火箭技术的发展趋势。结合一种可重复使用垂直起降运载火箭着陆系统,基于ADAMS软件平台,开发了模拟作为主要缓冲材料的铝蜂窝力学性能子程序。建立了软着陆动力学仿真模型,实现了对可重复使用垂直起降运载火箭着陆过程的动力学仿真分析。仿真结果对可重复使用垂直起降运载火箭的研究具有一定参考价值。

太阳帆板联动机构同步机理分析与动力优化

通过对绳索联动机构(CCL)进行等效简化,分析CCL同步展开机理,并建立数学模型。详细推导了含CCL联动系统的动力学方程,以某型太阳帆板展开同步性为例,仿真分析展开动力学过程以及大幅不同步产生的原因。以整个展开过程中最大不同步量最小为优化目标,建立联动系统优化模型,并采用序列二次规划算法(SQP)对驱动力矩参数进行了优化设计。相对驱动力矩为正值的传统设计方法,根部驱动力矩为负值的优化结果有效降低联动绳索负载,改善了太阳帆板展开同步性。

空间站柔性展开机构仿真方法研究

空间站展开机构是典型的大型多柔体系统,其展开收拢过程涉及非线性大变形以及接触碰撞问题。首先采用绝对节点坐标法作为柔性体的建模方法,建立了梁单元的有限元单元格式,然后基于拉格朗日方法和Hertz接触理论建立了考虑接触碰撞问题的柔性多体系统动力学方程,采用向后差分方法数值求解柔性多体系统的微分代数方程,最后以自由梁、简支梁和柔性单摆进行数学仿真验证。结果表明,该方法可用作我国空间站大型柔性太阳电池翼的设计分析参考。

基于MFC的悬臂梁振动抑制设计与试验研究

为研究压电材料MFC在太阳电池翼等低频梁板结构振动抑制中的应用,搭建压电悬臂梁试验系统,辨识得到系统传递函数,分别设计了位移开关控制器、速度开关控制器以及根轨迹控制器,对控制器的实际振动抑制效果进行了试验,试验结果表明系统阻尼比由原来的4%分别上升为3%、6%和5%,表明所设计的控制器在压电悬臂梁的一阶弯曲模态振动抑制中控制效果明显,分析了三种控制效果产生差异的原因,其中速度开关控制效果最好。

转位机械臂捕获初始条件分析

对接环的推出精度、主被动环的间隙是转位机械臂捕获锥捕获初始条件偏差的主要来源;二者与捕获初始条件偏差的关系由转臂的尺寸、舱体的尺寸决定;用矢量分析的方法,建立了从转位机械臂到节点舱接纳锥空间位置姿态关系的解析数学模型,应用Adams和Matlab软件对捕获初始条件范围进行了计算和分析,为接纳锥尺寸设计及机械臂方案提供了依据。

小型弱撞击式对接机构对接动力学建模方法研究

针对深空探测小型弱撞击式对接机构对接动力学问题，基于Lagrange乘子法接触动力学模型，开发一套能够较为准确地反映新型“弱撞击式”对接动力学过程的仿真分析模型。该模型可以针对不同对接初始条件，对主动飞行器和目标飞行器对接过程进行模拟，提供飞行器相对姿态、相对位移等动力学信息以及较为准确的结构载荷。同时，针对弱撞击式对接机构仿真情况，对设计方案进行预示并提出合理改进意见。目前，该模型已在弱撞击式对接机构研制过程中取得良好效果。