全球最大推力、首型全固体捆绑式运载火箭成功首飞

2024年1月11日,全球起飞推力最大的固体运载火箭、中国乃至世界首型全固体捆绑(固体芯级+固体助推动力)运载火箭(表1)——“引力一号”在山东海阳附近海域顺利升空,成功将云遥一号第18~20号卫星送入预定轨道(图1)。此次“引力以一号”火箭首飞成功,全面检验并考核了捆绑式运载火箭构型下固体发动机的强适应、高可靠和易用性,对进一步扩充我国中低轨卫星多样化、规模化发射能力和拓展我国运载火箭型谱、推动空间科学发展具有重大意义,标志着固体动力在宇航和商业航天运载领域的应用拓展取得了新的突破。

探讨快速大推力电机械转换器结构优化设计

关于电-机械转换器性能提升的研究,现有研究主要以智能化、数字化和高精度为主,专门针对改善比例型电-机械转换器内部结构的研究较少,因此本次课题所研究的“快速响应大推力电-机械转换器”通过利用线圈缠绕永磁体的复合结构替代传统弹簧复位,以减少不必要的力矩损耗,从而使得电-机械转换器的响应性能有所提升,这将有助于实现对目标对象的快速响应和精准控制,也为后续更加深入的研究提供基础。本文优化设计了一种快速响应大推力电-机械转换器,利用3D建模、磁路解析、数据分析等方法研究使用线圈缠绕永磁体的复合结构替代传统弹簧复位,从而改善电-机械转换器的性能。首先利用UG12.0建模软件对“比例型电-机械转换器”、“快速响应大推力电-机械转换器”进行零件建模、组装。以电磁场理论为基础,建立比例型电-机械转换器弹簧结构和线圈式复合结构的等效磁路模型,得出弹簧结构和永磁式复合结构电-机械转换器的静态力矩表达式,通过对比分析弹簧结构和永磁式复合结构得出相应结论。 。

单边直线感应电机动态最大推力输出的滑差频率优化控制

为了实现单边直线感应电机(single-sided linearinduction motors,SLIMs)的高效动态控制,提出了一种在SLIM运行过程中动态输出最大电磁推力的滑差频率优化控制方法。以SLIM的T型一相等值数学模型为基础,研究了不计及边端效应时,基于恒滑差频率的绝对最大电磁推力控制;为了减缓推力受边端效应影响而衰减的速度,研究了计及边端效应时的相对最大电磁推力变滑差控制策略。结合一台低速磁浮用SLIM,给出了涉及初次级阻抗互感的5个动态参数的离线辨识算法。实验测试表明了所提控制方法的有效性,该方法不仅能细化研究SLIM的电磁推力输出特性,还能为SLIM的滑差优化控制提供参考。

同步电动机电磁力角与最大推力控制策略的研究

针对垂直运动永磁直线同步电动机的特点 ,通过对其力移特性分析 ,得出了电磁力角与最大推力控制策略 .该控制策略将电机的稳定控制引入到最大推力控制中 ,根据电机实际位移量的变化 ,直接控制直线电机的电磁力角 ,实现直线电机的速度控制 ,响应速度快、超调量小 ,有效地提高了永磁直线电动机垂直运输系统运行的稳定性。

低速大推力圆筒永磁直线电动机磁场分析

介绍了一种在合理的假设条件下计算低速大推力圆筒永磁直线电动机磁场的方法。利用磁场分析法,用许克变换直接解算空载、负载气隙磁密波形,并同非线性有限元分析结果进行了比较,得出了该方法的可行性。而计算量仅相当于一般的磁路法,并且容易在计算机上编程实现。

V形大推力直线型超声电机的运动机理分析

随着超声电机应用的进一步深入,在工业机器人、航空航天等应用领域,需要一种具有较大输出力的直线型超声电机。因此,如何提高直线型超声电机的输出力成为超声电机研究者所关心的课题,国内外很多学者都曾致力于大输出力的直线型超声电机的研究,以进一步扩大其应用领域。目前,国内外的研究多集中于电机内部结构的各种改进方案上。1999年,日本学者Kurosawa提出了一种可用于直线型超声电机的高速、大推力压电振子,该振子利用面外振动模态工作。加上动子,即可构成直线型超声电机,它具有结构简单,输出速度和力较大的特点。该文采用运动矢量分析法,对该种电机的运动机理进行分析,并在此基础上设计制作了样机,该样机的最大速度可达0.9 m/s,最大推力可达20 N。

大推力液体火箭发动机结构中的力学问题

依据大推力液体火箭发动机工作时极端的力热环境状态,阐述分析了大推力发动机强振动、大静载、多源激励和传递路径复杂的力学特点.静力学方面介绍了整机结构载荷分析和组件静力学分析方法,动力学方面介绍了整机低频模型、精细化动力学修正、多源载荷等效等问题的研究情况.针对发动机典型的部件,梳理了大推力发动机研制中面临的力学挑战,包括高温高压燃气摇摆装置、转子动力学、动静干涉流体激振、诱导轮汽蚀振荡、大范围轴向力平衡、超音速涡轮颤振、推力室热疲劳、喷管侧向力载荷、总装管路疲劳断裂等问题,指出了力学需求和未来研究方向.最后对发动机结构概率失效分析的现状进行了简要介绍,为大推力液体火箭发动机研制提供力学支撑.

低速大推力直线电机样机的研制

为了推广直线电机的应用,成功研制了低速大推力直线电机样机LNMT300-5。通过变频控制,直接将电能转换为载物台的直线往复运动,实现了运行速度的无级调整;同时,利用初、次级之间的电磁吸附力达到了悬浮承载的目的。室内试验结果表明,该样机效率和功率因数高,且具备智能化控制的有利条件。

双兰杰文式定子驱动的大推力直线平台的设计

利用圆柱状弹性体的一阶纵振和二阶弯振模态设计出一种兰杰文式定子,用两个定子并联驱动一个精密直线平台,该平台的尺寸为250mm×250mm×49mm,有效行程为120mm。研究了两定子的并联同时驱动和差分异步驱动的平台驱动方式,设计了平台的驱动电路。通过对定子的扫频实验和模态修正,实现了定子的纵振、弯振模态频率的一致性,并使两个定子的幅频和相频特性也分别趋于一致,从而保证了两个定子驱动足能对平台进行协调驱动,使平台的最大输出推力达23N,空载时的最大速度可达65mm/s。

大推力发动机高温隔热屏设计及优化研究

以卫星用大推力发动机高温隔热屏为研究对象,根据传热机理建立了其瞬态传热模型。对不同边界温度条件下高温隔热屏的瞬态传热过程进行数值仿真,且经对比,仿真计算出的隔热屏温度值与试验结果吻合良好,验证了模型的准确性和适用性。利用该模型设计了某卫星高温隔热屏,并分析了隔热屏覆盖层发射率、反射屏发射率、比热容等对隔热屏瞬态隔热性能的影响。研究结果为隔热屏的设计和优化提供了依据。

拉压负载下的大推力压电直线作动器

为解决压电直线作动器在受到拉力和压力负载时的驱动问题,本文提出了一种双向压电直线作动器。该作动器主要采用双向螺旋箝位原理,实现双向大推力作动。结构上,将两个压电叠堆对称布局,梯形丝杠螺母组成螺旋箝位,匹配二者驱动时序实现压力和拉力下的驱动。为研究双向尺蠖驱动机理,设计了双向螺旋箝位机构和作动器总体结构;而螺旋箝位作为尺蠖驱动的关键因素,为了准确地表达箝位的可靠性,研究了力矩电机与柔性联轴器及压电叠堆的匹配关系,并通过ANSYS软件对箝位功能进行了仿真分析。设计加工的样机机身总长为233mm,最大外径为63mm,质量为1.1kg。搭建样机的测试系统,试验表明:该作动器的最大输出力可达190N,最高速度可达2.58mm/s,行程为60mm。

大推力发动机在轨羽流热效应监测与反演方法

为了获得相对准确的大推力发动机在轨真实羽流热效应数据,提出了一种在轨羽流热效应监测与反演方法,并将其应用于嫦娥四号着陆器.该方法突破400℃宽温区对400 kW/m2短时超高羽流热效应进行精确监测的技术,获得发动机周边温度数据,建立发动机羽流到达目标表面的反演模型.反演结果与嫦娥四号着陆器在轨实测结果一致,验证了该方法的正确性.该方法反演所得羽流热效应数据,可为后续月球着陆器热防护设计提供参考.

V形大推力直线超声电机定子振动的有限元分析

为适应需要大推力的直线超声电机的应用场合,提出了一种具有双变幅杆的V形电机。电机主要包括定子和动子两部分。定子由互相垂直、头部相连的两个兰杰文振子组成,它们完全对称且具有相同的一阶纵振模态。两个一阶纵振模态合成并通过定子和动子之间的摩擦作用,驱动动子作直线运动。为了获得较大推力,将V形电机定子设计成具有一定锥度的变幅杆。电机定子的结构参数对其动态特性有着重要的影响,用有限元法计算了不同结构参数对电机定子的一阶纵振频率和头部振幅的影响,计算了电机定子的一阶纵振频率和头部振幅对结构参数的灵敏度。建立定子优化模型来获得头部较大振幅以及具有合适的工作频率。参考灵敏度分析结果,设置设计变量时,灵敏度较大的结构参数变化范围设置较大些,以增大定子头部振幅为目标函数。根据仿真结果研制了电机样品并进行了性能实验,当激励电压的峰-峰值V_(p-p)=300 V、工作频率f=27.3 kHz时,电机的最大输出推力接近40 N,最高输出速度为100 mm/s,电机的输出性能呈现出低速、大推力的特点。

喉部曲率半径对最大推力喷管性能的影响

针对不同喉部结构进行了最大推力喷管型面设计计算,分析了不同曲率半径对喷管流量系数、几何效率、推力系数、扩张损失和分离点位置的影响。结果表明:流量系数随上游曲率半径的增大而增大,推力系数和几何效率随下游曲率半径的增大而减小;下游曲率半径的增大导致扩张损失在小范围内不断减小,分离点位置后移。

基于拓扑优化的大推力测量工装设计及应用

数控机床验收过程中,对于功能指标的验证,需要采用辅助的工装来实现,尤其是特殊且至关重要的参数,不但必须满足测量需要,还要保证测量的精度和合理性。通过借助有限元分析软件以及拓扑优化的方法,对大型机床的推力测量工装进行优化分析计算,确定工装的结构形状和尺寸参数,可大大减轻工装的重量,提高测量结果的精度和可靠性。

基于最大推力电流法的凸极式永磁直线同步电动机无速度传感器推力直接控制

针对凸极式直线永磁同步电动机的推力生成机制,本文提出了一种高性能的直线永磁同步电动机伺服驱动——基于最大推力电流法的无速度传感器直接推力控制。这一控制方式充分利用了磁路结构不对称所生成的磁阻推力,并将其与结构简单、响应快速的直接推力控制结合,使得电动机效率得以提高,功耗降低,响应速度更快。仿真实验结果证实了该方法的有效性。

我国大推力氢氧发动机发展思考

对国内外氢氧发动机发展历程进行综述,指出了国外氢氧发动机的发展规律和国内氢氧发动机的发展现状和差距。结合我国重型运载火箭应用需求、国内氢氧发动机技术基础和航天强国发展目标,论证了我国大推力氢氧发动机选择补燃循环技术方案是恰当选择,还进一步给出了我国220t级补燃循环氢氧发动机的技术参数,提出了未来发展展望。

大推力六相直线感应电动机数学模型及工作特性

为深入研究适用于大推力密度场合的新型动初级六相直线感应电动机的性能,对其数学模型及工作特性进行了研究。首先,将该电机初级绕组布置于动子上,提高了电机的效率和功率因数;然后,建立了abc坐标系和dq0坐标系的基本数学模型,据此阐述了电机内部复杂的电磁耦合关系;最后,基于T型等效电路,分析了大推力六相直线感应电动机的工作特性并进行了试验。试验结果与计算结果吻合较好,验证了模型的正确性。

基于最大推力原理VPP计算模型的建立与实现

围绕国家帆板队备战2008年奥运会亟待解决的问题,利用风洞试验建立帆翼空气动力模型,利用水池建立了板体水动力模型,在此基础上基于最大推力原理建立风帆空气动力与板体水动力平衡方程求得各条航线上的最大船速。提出了一套完整的帆板VPP计算模式,并详细论述了其实现过程,为今后展开帆板的VPP研究与航线选择奠定基础。

一种新型大推力直线压电作动器

设计了一种新型大推力直线压电作动器,采用螺旋箝位的方式实现对压电叠堆微小位移的累积输出,实现了大推力和长行程。对该种作动器的驱动机理和作动器设计过程中的关键技术问题进行了详细的分析,包括力矩电机的转速设计、上下柔性联轴器的扭转刚度设计、螺母和丝杠之间相关机械参数的设计以及对所选压电叠堆进行性能测试并选择其最佳工作频段。原理样机长为140mm,最大直径为45mm,重量为0.7kg,行程为40mm。在力矩电机转速为300r/min,压电堆驱动频率为100Hz时,作动器的最大输出力可达130N。