碳膜原子氧传感器研制及地面性能测试

研制低地球轨道(LEO)原子氧(AO)探测器并且开展AO环境在轨监测对于LEO航天器设计及防护具有重要意义。基于电阻分析法的碳膜AO传感器因工作时间较长、响应线性度较好且无污染,在国内外得到较多应用。为优化AO在轨监测手段,设计了一种矩形碳膜AO传感器:采用阴极电弧放电工艺制备了厚约2.5μm的AO敏感碳膜;利用AO地面模拟设备,测试了传感器的性能,并表征了碳膜在AO作用前后的形貌。结果显示,传感器碳膜的初始电阻与AO试验过程中的实时测量电阻的比值R0/R与AO积分通量F具有较好的线性关系。根据测试结果推导,该传感器能探测的最大AO积分通量约为2.29×10^(21)atom·cm^(-2)。

载人月面移动系统着陆行进一体化设计与验证

针对载人月面移动系统在月球表面直接着陆缓冲并完成大范围移动任务的需求,设计了一种由可调姿态双横臂式金属弹簧悬架系统组成的着陆行进一体化移动系统,核心部件悬架单元由双横臂悬架构型和变阻尼摩擦式减振器组成,并由调姿组件实现悬架的构型变化和阻尼参数调整,在满足大范围平顺性移动要求的同时,能够适应大冲击着陆缓冲。根据双质量振动原理,构建了悬架参数分析模型和行驶平顺性动力学仿真模型,并开展了着陆行进仿真分析和样机着陆缓冲试验。分析和试验结果表明:载人月面移动系统设计可满足月面大冲击着陆缓冲和行驶平顺性的要求。

星球车松软星壤的轮腿式探测系统:Ⅰ-概念设计

为提高星球车在松软星表的穿越通过能力和危险探测能力,提出了一种前置轮腿式探测系统(WOLS)概念设计,以期能够用于轮壤相互作用的接触探测。提出了面向松软星表穿越的星球车WOLS概念设计和功能需求,建立了WOLS机构的运动学和力传递分析模型,并用于指导机构尺寸参数的优化设计。最后,实车测试验证了不同工况WOLS的设计目标和功能实现。

星球车松软星壤的轮腿式探测系统:Ⅱ-感知车轮

为增强星球车松软星壤的穿越通过能力,提出了轮壤交互接触信息的感知车轮设计。该车轮是一种星球车的前置轮腿式探测系统(WOLS)的关键部分,可实现动态轮壤交互的关键量测量(轮壤作用力/力矩、轮壤接触角和车轮沉陷量)。研究分析了轮壤力学的关键测量参量及其分组,完成了感知车轮的硬件设计和集成,提出了待测参数的在线测量模型和方法,通过标定校准和实车测试验证了该感知车轮的性能。

航天用大展收比豆荚结构变形规律模型及其仿真验证

豆荚结构又称可盘卷管状伸展臂,是一种具有大展收比的弹性伸展结构,可以被压缩成板状装载在航天器上,需要时自行展开为空心筒,用于展开太阳翼、卫星天线等组件,能够缩小航天器发射时的体积。设计豆荚结构尺寸时需要考虑其力学性能。针对豆荚结构收纳过程中力学特性影响因素变化多、计算量大等问题,利用力学分析设计了一种数值模型,可以计算不同尺寸参数的豆荚结构整个压缩过程中的压缩力变化。利用有限元分析软件ABAQUS对压缩变形进行仿真分析,对比数值模型的计算结果与仿真结果误差小于10%。通过数值模型分析得到了豆荚结构尺寸参数对压缩力的影响。

高折展比载人月球应急返回车设计与分析

月球探测用应急返回车的相关技术研究是我国未来载人登月探测的重要任务。根据应急生保和月面短距离移动需求,本文从安全舒适性、操作可靠性和工作空间出发,设计了一种立方体载人月球应急返回车,对车身构型、折展模式、驱动方式、底盘结构、悬挂转向和车轮等多个模块进行了设计优化,并进行了试制和试验。结果表明,整车能够实现自动折展,具有较高的展/折比(大于17),满足行驶、转向、越障、爬坡等移动需求。

半刚性自适应可展开伞状减速装置设计与分析

针对可展开式减速器的辐条在复杂气动载荷下易发生弯曲变形的问题,提出一种具有刚度自适应性可展开伞状减速装置,通过合理布置预张紧柔索使辐条的抗弯刚度随外界气动载荷的增大而增强。首先,基于载荷方程建立减速装置支撑结构的理论模型,分析刚度自适应性的作用原理,其次,利用有限元分析软件创建无索与含索减速装置的对照模型,验证含索减速装置的刚度自适应性。最后,建立运动微分方程与虚拟样机模型,分析减速装置展开过程。分析结果表明,在直径10 mm,初始应力10 MPa的预张紧柔索作用下,辐条最大挠度随载荷的变化曲线变为单调递增的平滑凹曲线,曲率随预张紧柔索初始应力的增大逐渐减小;含索减速装置整体的最大变形在0~60%极限载荷区间低速稳定增长,最大挠度减小超过50%,展现出较理想的刚度自适应性。

地外天体固体样品封装技术综述

采样返回任务是目前地外天体探测中重点发展的航天技术领域,针对样品容器密封失效导致样品被污染的问题,文章总结了20世纪以来国内外地外天体样品封装技术的研究进展和成果。重点从密封和封装机构两项封装核心技术对地外天体样品封装进行了综述,并对目前应用较为广泛的橡胶圈密封、金属挤压密封、爆炸焊接和钎焊焊接等密封技术进行了对比分析,最后对我国地外天体样品封装技术的发展趋势进行了展望。

火星上升器发射技术综述

火星作为太阳系中与地球最为类似的行星,其表面可能存在生命的迹象。尽管现有探测机器人能够在火星表面进行较大范围勘察,但科学家仍无法像在地球上一样利用大型先进设备对样品进行更深入的研究与分析,因此火星采样后返回地球任务具有非常重要的意义和科学价值。火星表面数十公里厚且不稳定的大气环境,使得将装有火星样品的上升器安全、稳定地从火星表面送至轨道器的任务十分具有挑战性。火星上升器发射技术是火星采样返回任务中的关键技术,关系到任务的成败。本文分析了国外火星上升器发射技术的发展现状,总结了已有各类发射方案的技术特点,以期为中国后续开展火星采样返回任务提供可参考的火星上升器发射技术方案。

宇宙尘埃轨迹探测器信号提取方法及反演精度影响因素分析

利用基于多层金属丝栅网的尘埃轨迹探测器(DTS)可获得宇宙尘埃粒子的速度及电荷信息,对确定粒子起源、揭示带电尘埃粒子与行星际空间环境的相互作用具有重要意义。文章针对利用DTS探测信号提取尘埃粒子速度和电荷信息的方法进行研究,并仿真分析反演精度的影响因素。结果表明,尘埃粒子电荷量和速度大小的探测误差随尘埃粒子速度的增大而增大,随探测器电荷噪声比(QNR)的增大而减小,不受尘埃粒子入射角θy和尘埃带电量的影响;当QNR大于10时,对尘埃粒子的电荷量、速度和运动方向的反演精度分别优于1.5%、0.8%和0.6°。以上结果可为DTS设计及其后续空间应用提供参考。

月球着陆器新结构的ADAMS仿真研究

为了解决月球着陆器等航天飞行器类产品研制和试验费用十分昂贵的问题,提出并试验了月球着陆器机械结构仿真研究方法.采用ADAMS动力学仿真软件,对月球着陆器3种典型结构进行了动力学建模、优化及在月球重力场下着陆缓冲等仿真研究.以冲击隔离系数的大小为具体评价指标,对月球着陆器3种典型结构缓冲性能进行了评价.结果表明斜腿式两级缓冲月球着陆器新结构缓冲效果最好.

基于多工况的新型着陆器软着陆性能优化

以新型腿式着陆器为研究对象,建立其刚柔耦合动力学分析模型,实现着陆器软着陆过程的仿真。通过仿真计算,确定着陆器最易翻倒、底面最易与星球表面岩石碰撞、主体承受最大碰撞力的3组恶劣着陆工况。分析着陆器缓冲机构构型选取设计变量,基于仿真得到的3组恶劣工况,应用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现着陆器软着陆性能的优化,优化目标为增强着陆器抗翻倒能力、降低着陆器底面与星球表面岩石碰撞的可能性、降低着陆器主体最大受力值。将优化所得参数代入模型重新进行仿真,着陆器不再发生翻倒,着陆平台底面与星球表面最小距离提高4.2%,主体最大受力值降低12.1%。

一种模拟月球着陆器低重力着陆试验方法

针对月球着陆器模拟着陆试验中低重力实现困难的问题,对国外已有低重力着陆试验方法进行了分析比较.在考虑试验成本和试验场地为主要因素时,得出了滑轮平衡法为经济实用方法的结论.在考虑滑轮转动惯量和转轴摩擦的基础上,应用拉格朗日方程推导了配重块质量及着陆器加速度相对误差计算公式,并对所得公式进行了实验验证.

半刚性机械展开式气动减速技术述评

针对传统的再/进入航天器存在载荷运输能力有限、再/进入载荷环境恶劣、研制成本较高等问题,美国提出了一种区别于柔性充气式展开的半刚性机械展开式气动减速技术。文章详细分析了该技术的结构组成;通过与传统再/进入气动减速技术比较,总结了该技术的技术特点及关键技术,并介绍了其研究进展。通过分析可知,半刚性机械展开式气动减速技术以其独特的结构形式及柔性防热系统,使其具备受整流罩包络约束小、运载效率高、减速效果好、过载及热量密度峰值低以及自定位、自缓冲、模块化通用接口等优点,具有广泛的应用前景,可为拓宽中国可展开气动减速技术研究途径提供思路。

基于金星探测机械展开式进入飞行器技术述评

传统的金星进入飞行器存在弹道系数高、热流密度高、过载大等缺点,对热防护系统和设备的要求比较严苛。针对金星探测的任务需求,美国提出了一种基于机械展开式结构的金星进入飞行器,该飞行器发射时处于折叠状态,进入时展开形成较大的气动面,可以显著地降低弹道系数、热流密度、过载等。文章介绍了该飞行器的结构组成和展开过程,对机械展开式进入飞行器的研究现状进行了介绍,重点对比了机械展开式进入飞行器与传统形式的不同,通过对构型、工作流程、效果的对比,可以看出机械展开式进入飞行器在金星探测上具有很大的优越性,最后对其优势进行了总结,并提出了未来需要研究的问题。

半刚性机械展开式气动减速技术机构特征研究

半刚性机械展开式气动减速技术作为可展开气动减速技术的一种,其气动面结构区别于柔性充气式展开技术的气囊结构,它主要是一个由辐条、连接杆、头锥及主体等部件构成的连杆机构系统。连杆机构系统是半刚性机械展开式气动减速技术重要组成部分,对其开展特征研究是有效利用火箭整流罩空间、保证气动面构型稳定的基础。文章首先根据半刚性机械展开式气动减速技术结构特点及受力情况,建立了连杆机构几何模型和力学模型;然后采用数学解析法半定量分析和有限元法验证的手段,从几何参数、收拢包络、机构变形、系统刚度等方面对机构特征进行了分析与比较。通过研究,得出了最小收拢包络条件及最小变形条件;确定了变形最小、刚度最好、收拢包络最小的连杆机构状态;给出了连杆机构几何参数选择建议。文章研究内容及结论为进行半刚性机械展开式气动减速技术工程实施及机构优化设计提供了参考。

着陆姿态不确定下的着陆器缓冲机构优化设计

以某型着陆器为研究对象,建立其软着陆过程的动力学仿真模型,并结合Monte Carlo法研究不确定着陆姿态下的某型软着陆性能。然后,分析着陆器的软着陆性能与其缓冲机构构型参数之间的相关关系,并基于实验设计方法与动力学仿真模型得到样本点,建立以着陆器缓冲机构构型参数和着陆姿态参数为输入、软着陆性能指标值为输出的响应面模型。最后,基于响应面模型,考虑着陆器姿态的不确定性,运用结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)和多岛遗传算法(MIGA)的分级优化方法实现了着陆器缓冲机构的优化计算,得到了最佳缓冲机构构型参数。通过仿真模型校验,优化后着陆器的抗翻倒能力与底面抗损坏能力分别提升了3.546%和5.140%。

蜂窝材料率相关本构模型及其在月球探测器中的应用研究

蜂窝材料是探测器缓冲装置中使用最多的缓冲介质之一,研究其力学特性对探测器缓冲器及上升器月面起飞稳定性设计具有重要意义。首先分析了蜂窝材料面内面外等效力学特性,在考虑蜂窝结构率相关特性的基础上,建立了蜂窝结构横观各向同性率相关本构模型;其次,基于有限元法编写了横观各向同性率相关本构模型用户子程序,并验证了其可靠性;最后,以四腿悬架式探测器为研究对象,研究了不同率敏感系数对探测器着陆过程的影响。结果表明:随着率相关系数的增加,缓冲器吸收的能量先增大再减小,当率相关系数为0.6时最大;探测器的最大冲击加速度一直增大,且当率相关系数较大时,最大冲击加速度增长速度较率相关系数较小时要大。

星际探测太阳帆行星和太阳借力轨道全局优化

以太阳帆在20年内飞行至距离太阳200 AU以远进行星际探测为目标,研究太阳帆通过行星借力和太阳借力的轨道全局优化问题。建立太阳帆时间最优转移轨道数学模型,分析行星借力和太阳借力的约束条件,并用这些约束条件构造目标函数,从而将轨道优化的四点边值问题转化为求解无约束条件下的多变量优化问题。通过选取合理的约束权重,采用遗传算法获得大范围的粗略解,代入到序列二次规划算法中获得高精度解。仿真结果表明,虽然太阳帆通过太阳借力已获得相当大的加速度,但加上木星借力仍然可以节省相当多的飞行时间。提出的轨道优化思路,可以为太阳系逃逸任务轨道初步设计提供参考。

空间微振动模拟平台优化

为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题,设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台,能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先,利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式,并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化,使得平台固有频率满足5~250 Hz的模拟带宽。最后,提出了一种基于传递函数的控制方法,验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4 Hz,第7阶基频356 Hz,满足带宽要求;通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%,说明该方法适用于平台的控制;上平台输出最大平动加速度为399.3 mg,最大角度扰动为1979.3μrad,满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点,能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。