气囊缓冲技术研究现状与应用启示

通过梳理气囊缓冲技术的发展历程和研究成果,总结缓冲气囊的一般构造、工作原理和设计流程。分别从气囊静态起爆展开特性研究、气体发生器与药剂研制、气囊动态起爆展开特性研究三个方面,介绍气囊缓冲关键技术。通过分析气囊缓冲技术典型特例——空气弹簧的研究现状,讨论既有气囊缓冲技术在工程结构隔震应用中所存在的问题,提出能够同时适用于天然地震动和爆炸冲击震动的地下防护工程概念性气囊式智能隔震系统构想。研究旨在拓宽气囊缓冲技术的应用范围,促进隔震系统向智能化、功能多样化方向发展。

充气式再入减速器研究最新进展

随着载人航天事业和行星探索任务的不断发展,再入返回运载工具受到运载火箭整流罩的大小限制越来越明显。针对降低返回系统重量以增加有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点。它具有易折叠包装、重量轻、展开阻力面积大,再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。重点对堆叠圆环型、单充气环薄膜型和双层锥形充气囊型等三种充气式再入减速器在结构设计、飞行测试、材料防热研究、气动特性仿真分析等方面的最近研究进展进行总述,并对充气式再入减速器的关键科学问题进行简要总结。

充气太阳能帆板展开动力学数值模拟预报

充气太阳能帆板是一种通过气体驱动支撑管展开的新型太阳能帆板。首先简要介绍其研究进展,然后针对充气展开支撑管,提出了分段式充气体积控制模型,基于LS-DYNA模拟了空间环境下Z型折叠充气太阳能帆板在支撑管无约束与有轴向约束控制时的展开过程,分析了支撑管每折叠段的气压变化,上横板的动力学特性以及基板的平面外振动,预报了展开过程中支撑管与基板的接触碰撞,并通过悬吊式展开试验验证了计算结果。结果表明,本文计算能够预报充气太阳能帆板在空间展开的动力学特性。

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。

空间折叠薄膜管的充气展开动力学实验研究

空间折叠薄膜管是空间充气展开结构的基本支撑部件,Z形折叠是充气展开管的基本折叠方式之一.针对空间微重力环境,建立了折叠薄膜管的充气展开实验系统,采用气浮导轨,解决了地面重力对充气展开过程的影响;采用非接触式的光电测量方式,有效地避免了接触式传感器对充气展开过程的干扰.针对V形折叠薄膜管,研究了不同的充气流量、薄膜管尺寸效应以及展开端有无有效载荷对充气展开动力学特性的影响;通过实验研究,选择充气流量、管子直径和载荷质量为主定参量,对充气展开过程进行量纲分析和实验误差分析,结果表明,折叠薄膜管的充气展开最大速度与充气的体积流量成正比,与管直径的立方成反比.

空间充气管展开动力学研究进展

最近空间充气展开结构引起了人们的广泛关注,这是因为空间充气展开结构具有折叠体积小,重量轻和展开可靠性高等优点,于是一些空间计划也开始考虑利用充气展开结构的优势,然而,在空间充气展开结构应用到太空之前还有一些重要的问题需解决,其中之一就是控制和掌握充气展开结构的充气展开动力学特性.充气管用于驱动展开并支撑空间结构是一种重要的构件.围绕充气管在展开过程中的动力学问题,详细地综述了近20年来国际上的研究进展情况,首先讨论了有关的充气展开模型,包括非线性铰链模型、卷曲折叠管展开模型、控制体积模型、能量法模型和流-固耦合模型等.然后介绍了有限元模拟研究进展,并分别评述了Z形、卷曲、多边形以及变直径伸缩等折叠管的充气展开实验研究.文章最后指出了充气管的充气展开的理论、有限元模拟以及实验在今后值得关注的研究方向.

可展开遮阳罩技术研究进展及其关键科学问题

可展开遮阳罩一般是由多层轻质柔性高精度无褶皱薄膜和展开支撑臂及其控制装置组成,在轨后展开支撑臂有序展开多层大面积薄膜实现光控制和热控制性能,能有效改善和防护空间航天器。针对可展开遮阳罩结构,依据一维轴向、二维平面与三维周向的展开方式分类总结国内外可展开遮阳罩技术的研究进展,并对不同遮阳罩结构形状、薄膜材料、层数与展开方式等进行对比分析;梳理出遮阳罩在杂光抑制、折叠与展开变形机理、极端环境下薄膜多场耦合、低温热控、太阳辐射光压力矩及其计算方法等方面的关键科学问题,并给出了中国研究遮阳罩的发展建议。

充气平面天线结构展开过程仿真分析

针对平面天线的充气支撑管,提出了一种分段式充气控制体积方法.在LS-DYNA软件基础上,模拟了Z形折叠充气平面天线结构在无重力环境下的充气展开;分析了该过程中充气支撑管的每个折叠段的体积和内部压力变化、上横梁的动力学特征、以及展开后反射面褶皱情况等;并研制了样机.结果表明本文计算能够很好地模拟充气平面天线结构的展开全过程,可为空间展开预报提供依据.

Z形折叠管充气展开过程数值模拟与试验

针对某型充气太阳能帆板的充气管展开过程,采用分段式充气体积控制模型,基于有限元方法模拟了Z形折叠管在空间零重力环境下充气展开过程,分析了管各折叠段内体积和压力的变化,讨论充气速率对展开动力学特性的影响,并与文献结果进行对比.建立了充气展开气浮导轨试验系统,进行了充气展开试验.结果表明充气速率对展开过程有明显影响,提高充气速率减缩因子可有效地降低管展开瞬时产生的冲击力作用.

单充气环薄膜型减速器气动特性分析

针对降低返回系统质量与提高有效载荷的日益需求,一种新型充气式再入减速器成为国际上研究的热点之一。它具有易折叠包装、质量轻、展开阻力面积大、再入时弹道系数低和产生的气动热量小等明显优点,为航天员应急返回、深空探测以及有效载荷的回收提供了一种新的技术途径。文章针对单充气环薄膜型减速器再入时的气动特性,对其外围流场进行了仿真分析,对比分析了充气式减速器不同锥角及阻力面形状对气动特性的影响,结果表明,减速器所受的气动阻力与其锥角有明显关系,且具有非线性特点,当减速器锥角保持不变时,其阻力面的形状对气动阻力也有一定影响,且减速器再入过程中的阻力面形状可以改变其压力分布。文章最后给出了充气减速器外围的流场、温度场和压力场,以及它们的变化特征,这能为充气式减速器的结构设计提供一定的参考依据。

气囊着陆缓冲过程仿真分析

针对气囊着陆缓冲与反弹问题,以对称的胶囊状双气囊缓冲系统为研究对象,提出了气囊的等效弹簧刚度和阻尼模型,讨论了着陆速度与气囊等效阻尼的变化关系。建立了双缓冲气囊的有限元模型,基于显式计算方法对双气囊有无排气孔的着陆缓冲过程进行了仿真,表明有排气孔气囊能实现软着陆。建立了有排气孔的芳纶织物双气囊缓冲试验系统,通过电磁快速释放装置完成了双气囊被动式排气孔的测试。结果表明,被动式排气孔的胶囊状气囊能有效起到缓冲作用,无侧翻和明显反弹,并验证了设计方法的正确性。

双层充气式气动阻力锥力学特性分析

为了研究双层充气式气动阻力锥二级展开对其力学性能的影响,文章首先基于有限单元方法,利用Newton-Raphson非线性迭代计算方法分析并比较了二级展开前后的气动阻力锥结构充压变形特征,并获取二者最大应力随充气压力的变化规律;然后引入气动阻力锥结构预应力刚化效应,计算预应力下气动阻力锥结构的振动模态;最后,研究二级阻力面展开瞬时对气动阻力锥最大压力、最大温度以及气动阻力等特性的影响。结果表明:气动阻力锥二级展开,在某种程度上会引起结构强度的下降;也导致结构第三阶模态频率降低,使结构更容易受到外界激励而产生颤振,甚至导致结构破坏;但气动阻力锥的二次展开可以使得结构气动阻力增加两倍之多,可保证气动阻力锥安全抵达地面。因此,合理选择二级展开对应的飞行速度可以增加结构的安全性。

可展开双Ω薄壳结构动态特性测试与分析

针对一种碳纤维复合材料双Ω薄壳结构中折叠展开变形以及局部损伤对动态特性的影响问题,基于Rayleigh方程,引入了纤维复合材料结构中铺层相关因子,讨论卷曲展开程度及薄壁结构局部损伤对结构动态特性的影响程度;建立了双Ω薄壳结构的动态测试系统,采用了单点激励多点响应的动态测试方法,得到了双Ω薄壳结构分别在展开、卷曲收拢和局部屈曲破坏后的一阶、二阶固有频率。测试结果验证了数值仿真结果的正确性,并表明卷曲后双Ω薄壳结构基频增大,局部屈曲破坏后的双Ω薄壳结构基频减小。

航天柔性展开结构技术及其应用研究进展

综述了航天柔性展开结构的技术特点及其在航天器中的研究应用情况,围绕航天柔性展开结构应用涉及的薄膜褶皱、充气张力结构的屈曲失稳、展开动力学、精度测试、刚化材料等关键理论和技术基础,评述了航天柔性结构技术应用中的关键问题及未来研究重点,最后给出了航天柔性展开结构技术的未来发展趋势。

大载重气囊缓冲性能分析及多目标优化

缓冲技术是航天器着陆与回收的关键技术之一,研究如何有效地降低航天器过载对于保障人体及其内部设备的安全具有重要意义。采用有限控制体积法与文献测试进行对比,验证了数值仿真方法的正确性。以大载重返回舱为研究对象,对6个组合气囊着陆时缓冲过程进行了仿真,单参数变化讨论了外气囊初始内压、排气孔开启时机与排气孔面积对缓冲气囊性能的影响。提出了评估返回舱发生触底与反弹离地的判据。以最大过载和大载重气囊的比吸能为优化目标,采用最优拉丁超立方选取方法给出了仿真样本点,构建神经网络代理模型,进行了多目标遗传优化分析,优化了缓冲气囊的初始设计参数。结果表明,优化后的最大过载降低了17.717%,且大载重装置没有发生反弹。

一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨展开试验

文章对中国"新技术验证一号"卫星搭载的一种新型充气式重力梯度杆的研制和在轨试验情况进行了介绍。重力梯度杆在小卫星控制领域中具有较好的应用前景,而充气结构具有轻质、占用空间小、发射成本低的特点,采用充气式重力梯度杆可避免传统机械式重力梯度杆质量重、尺寸大和机构复杂的缺点,它以充气伸展臂为主要结构形式,通过充气展开伸直成为重力梯度杆,既作为卫星重力梯度杆又通过在轨试验验证空间充气展开结构的性能。在轨试验结果表明充气式重力梯度杆展开稳定、有序、性能可靠,可以满足小卫星的性能和功能要求。该试验也是中国首个成功的充气展开结构在轨技术验证试验,标志着中国的充气展开结构技术初步具备了工程化能力。

三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析

微米尺度的沟槽是临近空间飞艇大面积减阻的一种可行的减阻形式.以临近空间飞艇减阻为研究背景,通过采用k-ωSST湍流模式,对微米尺度的三角形沟槽进行了流场分析,得到了三角形沟槽壁面流的速度场和压力场.通过计算不同尺寸三角形微沟槽的减阻率和沟槽内的流线形状,分析了微米尺度沟槽的减阻机理和不同沟槽尺寸对减阻能力的影响.研究表明,沟槽内的流线形状对沟槽的减阻能力有重要影响,尺寸合适的沟槽可以减小流体和壁面之间的切应力,减小流动阻力,对临近空间飞艇的蒙皮设计和减阻研究提供了一定参考.

薄膜充气环动态特性试验研究

针对具有轻质柔性、局部抗弯刚度低、几何非线性、高阻尼等特点的新一代大型空间薄膜结构主要支撑部件—薄膜充气环动态特性,建立柔性结构动态测试系统。用改进的激励方式,得到薄膜充气环面内、外振动频响函数。通过复模态指示函数识别极点数目,用多项式拟合识别出结构固有频率、阻尼比、振型。分析不同充气压力下结构动态特性变化规律,并对薄膜充气结构动态特性测试相关问题进行讨论,实验结果为空间薄膜结构有限元模型有效性验证提供依据。

充气展开自支撑臂振动模态分析

充气展开自支撑臂是由层合铝膜和离散自支撑壳组成,可在无充气压力下实现对有效载荷的支撑。为提高充气展开自支撑臂振动特性预测精度,首先,基于Timoshenko梁理论和哈密顿原理,推导了自支撑臂振动微分方程,提出了考虑充气压力的预应力和构型变化的梁单元模型。该单元模型考虑了结构自支撑壳的离散分布特性,使建立的质量矩阵更接近自支撑臂结构的真实值。然后,通过实验对该模型进行验证,结果表明本文方法比传统梁单元模型具有更好的精度。最后,分析了充气压力和自支撑壳宽度等参数对自支撑臂结构振动模态的影响规律,结果可为充气展开自支撑臂的设计提供理论参考。

大型反射面的充气展开动力学研究

为了掌握大型反射面从收拢状态到完全展开状态的动力学特性,采用气囊模型和控制体积(CV)法对反射面的充气展开过程进行研究。建立了包含中心轮毂、肋板、支撑杆、薄膜圆环和张拉绳的反射面有限元模型,提出逆解法获得折叠收拢状态下反射面的节点坐标,给出了充气展开动力学分析流程,获得了恒定充气速率下展开过程中圆环充气体积、环内压力等参数与展开时间的变化规律。结果表明,采用充气技术可进行大型反射面有序可控展开,反射面的充气展开过程分初始收拢状态、解锁释放、肋板展开、保压稳定四个阶段,地面充气展开试验结果验证了仿真分析的准确性。