低重力环境下三维液体非线性晃动的数值模拟

本文讨论低重力环境下三维液体非线性晃动问题。采用ALE (任意的拉格朗日 欧拉 )运动学描述跟踪自由液面 ;对于ALE描述的Navier Stokes方程 ,在时间域上采用分步离散方法中的速度修正格式进行数值离散 ,在空间域上利用有限元方法进行数值离散 ;推导了考虑表面引力效应时有限元边界条件的弱积分形式 ;给出了表面张力的数值计算公式。模拟了考虑表面张力情况下圆筒型贮腔中液体的非线性晃动 ,并得到了贮腔壁面处自由液面位置变化的时间历程、作用在贮腔上的晃动力变化的时间历程等非线性动力学特性。揭示了微重力液体非线性晃动的重要特性并将所得结论与现有的实验结果进行了比较。

低重力环境下复杂结构航天器动特性研究的实现途径

文章从试验技术与理论计算结合的角度,对解决复杂结构航天器低重力环境下大幅度液体晃动非线性动态特性问题和模拟月球重力环境下月球探测器动力学性能的研究,进行了建设性的论述。

超低重力环境下液体推进剂的特性

通讯卫星上液体推进剂的质量比值大会对卫星的姿态产生影响,这与卫星的力学特性和流体运动间的相互作用有关。卫星贮箱内液体燃料的自由表面波动或液面晃动是一个公认的问题。本文提供了作用于贮箱上,且量值相当大的重力或等量加速度力的数值结果,但这种力变小时就应把其它的力考虑进去,如液体燃料与液面上部的气体之间的面际张力。在 ALCATEL SPACE 和 LEMMA 的共同努力下,已开发出 ANASLOSH 软件包,其目的是给任何即便是很小的加速度力提供准确测定晃动模式的方法。首先,考虑表面张力及液-气界面与贮箱壁交点处的接触条件,确定稳态平衡表面的形状,接着,计算出了自由表面的微小振荡。电推进机动飞行过程中通讯卫星晃动模式的确定就是其一项工业应用。

低重力环境下基于超弹性铰链的某折展机构展开动力学研究

针对地外行星、月球探测中杆状天线对轻量化折展机构的需求,提出了一种基于超弹性铰链的两折杆折展机构,天线展开长度可达1.3 m,折展机构重量小于200 g;建立了超弹性铰链的薄壳大变形模型和机构的有限元分析模型,同时引入重力场影响,对不同重力场下机构展开动力学行为、展开时序进行了分析,并对天线末端特征点最大位移进行了预测;利用该折展机构原理样机开展了地球重力条件下的展开试验,使用高速摄影对展开过程进行记录并反演获得特征点位移信息,验证了特征点实际最大位移与分析值的一致性。基于超弹性铰链的两折杆折展机构的设计思路与分析方法,可以为我国后续深空探测更长尺度天线折展机构的设计与分析提供新的思路。

暗弱低重力环境下机器人智能控制与智慧作业管理

针对未来月球南极和火星峡谷等暗弱低重力环境探测需求,研究智能高效的机器人控制与协作管理方法,使机器人能够高可靠地完成星表复杂操作任务,支持月球及火星基地建设与长期驻留开发非常迫切。文章在阐述界定暗弱低重力环境的内涵和分析论述机器人作业最新进展的基础上,探讨了暗弱低重力环境对机器人带来的挑战,总结了暗弱低重力环境下机器人智能作业发展趋势,并从机器人智能化行为控制与智慧化作业管理的角度对机器人智能技术发展提出了建议。

航天人·天津·何华东 在地面模拟太空微低重力环境

十年前,他还是刚走出校园的毛头小伙儿,为了实现自己的航天梦想来到了渤海之滨;十年后,他已在航天精密制造领域独当一面,参与并见证了嫦娥五号探月任务的圆满成功。他将自己的青春和汗水洒在滨海新区这片热土上,他将追逐梦想的满腔热忱融入中国航天的伟大事业中。他就是天津航天机电设备研究所精密制造中心副主任——何华东。

一种模拟低/微重力新型啮齿类动物悬吊自动控制装置

针对模拟低重力环境啮齿类动物部分承重模型的建立过程,因人为因素的干扰易导致测量结果精度不足的问题,设计了一种模拟低/微重力环境的啮齿类动物悬吊自动控制装置。首先,采用SBT440压力传感器模块实现啮齿类动物重力值的自动测量;然后,采用基于STM32单片机控制步进装置实现啮齿类动物悬吊高度的自动调节;最后,使用JAVA语言编写STM32单片机软件控制程序,通过软硬件综合调试以实现模拟低/微重力环境,以此达到啮齿类动物部分承重模型的建立。实验结果表明:啮齿类动物1/6 G平均测量误差为0.8%,初步验证了悬吊装置的可行性。

带多充液圆柱贮箱航天器刚-液耦合动力学研究

文中以在低重环境下带多充液圆柱贮箱刚性航天器中刚-液耦合方程的建立和求解为主要研究目的。推导航天器中充液圆柱贮箱内任意点的牵连运动方程,根据壁面边界条件给出了贮箱内液体牵连晃动势的表达式;利用第二类边界条件下的傅立叶-贝塞尔级数展开法对低重力环境下的弯曲自由液面处的复杂动力学边界条件进行处理,建立以液体相对晃动势的模态坐标和晃动波高的模态坐标为状态向量的液体耦合晃动力学方程,通过积分分别得到了耦合晃动力和耦合晃动力矩的解析式;运用准坐标系下的拉格朗日方程建立以航天器主刚体姿态坐标和轨道坐标为状态向量的刚体耦合运动动力学方程,进一步联立上述耦合方程得到航天器整体系统的刚-液耦合动力学状态方程;最后,编制出适用于带多充液圆柱贮箱航天器内刚-液耦合动力学计算的模块化计算程序,通过计算实例验证所编程序的准确性的同时,研究了携带多充液箱航天器系统贮箱布局、外激励方式对航天器刚-液耦合系统动力学特性的影响。

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.

我校基础力学在教与学方面的过程改革举措——虚拟仿真实验建设

本校建设的虚拟仿真实验以地外天体探测为背景,四足机器人总体设计为目标,通过机身负载、支撑腿的几何设计及运动规划来实现机器人期望的运动,考察在随机坡度与低重力环境下的行走稳定特性。实验采用“虚实结合”的手段引导学生自主探索力学基础知识在机器人运动特性设计上的运用,帮助学生理解低重力环境对结构力学特性的影响。实验具有设计自由、交互性与扩展性强的特点,能培养学生综合运用基础理论知识解决复杂工程问题的能力。

面向空间航天器机器人学习算法研究的高保真仿真平台

针对空间航天器失重服役环境下样本数据少、实验测试难等问题,构建了一个面向空间航天器的机器人学习算法研究的高保真仿真平台.该平台依照机器人学习领域标准的数据交互模式,支持直接调用各类主流机器人学习算法库,以及按照Gym交互模式开发的控制/学习算法;利用微重力模拟系统的实验数据,采用数据驱动的方式构建航天器动力学模型,用于仿真平台中的状态更新;以航天器位置姿态稳定任务为例,在所构建的仿真平台中完成了主流强化学习算法Soft Actor-Critic的训练和测试,验证了所构建的仿真平台用于机器人学习算法研究的可行性.

身手不凡的系绳卫星

身手不凡的系绳卫星陈云金系绳卫星系统基于物理学上的动量矩守恒原理，采取系绳将卫星与航天飞机连接，由航天飞机将卫星带入地球轨道释放和回收。航天飞机既可拖着系绳卫星在相同的轨道上飞行，也可像放风筝似的使卫星在航天飞机上面１００多公里的轨道上飞行，还可像垂...