基于非线性特性的空间站转位机构拓扑优化

针对含非线性特性的空间站转位机构轻量化设计问题,建立了考虑非线性特性的结构/机构拓扑优化分析方法,通过模拟静力试验过程方法得到其力–位移曲线,按照特定的原则提取出非线性结构的等效刚度,得出转位机构捕获连接机构考虑非线性特性的分析结果与静刚度试验结果误差在10%以内,满足工程实际应用需要,说明了捕获连接机构非线性刚度分析方法的可行性.采用变密度法(SIMP),建立了含非线性特性的转位机构拓扑优化模型,开展了空间站转位机构中间支架拓扑优化分析和减重设计,结构减重24%.分析结果表明,转位机构满足刚度和强度要求,实现了空间站转位机构轻量化设计的目标,说明了该分析方法的有效性.本研究建立的含局部非线性特性的拓扑优化分析方法为空间站转位机构轻量化设计提供了解决途径,也为其他非线性结构机构拓扑优化提供了参考,同时为中国空间站重点工程项目的建设提供了技术支撑.

空间绳网捕获碰撞动力学分析与优化

逐年增加的太空碎片以及失效卫星对空间轨道资源的可使用性和可持续性构成了极大威胁。空间绳网捕获作为一种新型高效的太空碎片清除方式,其核心部件——绳网系统的设计与优化是在轨捕获任务圆满完成的重要前提。本文重点关注空间绳网系统与目标物的碰撞过程,基于有限元法和赫兹理论建立空间绳网系统动力学和绳网-目标碰撞动力学模型,利用Abaqus对空间绳网不同构型及参数的捕获碰撞过程进行了仿真分析,借助Design-Expert在网目形状确定的基础上设计了三因素的响应曲面实验,经过多组实验数据的交互响应分析与优化,得到了最优的绳网构型以及参数。经过仿真验证,该绳网系统的最大接触法向力为83.9 N,最大滑移量为14.379 mm,最大弹性应变能为836.4 J,与优化目标量之间的差值均在7%以内。该优化策略减小了绳网捕获碰撞过程的接触法向力与滑移量,能够降低捕获过程中绳网缠绕、撕裂等意外发生的概率,同时保障了足够的弹性应变能以满足能量缓冲的要求,对空间绳网构型及参数设计具有一定的参考价值,可为空间在轨捕获任务提供安全可靠的保障。

柔性机械臂干扰力观测与无模型振动控制

为了抑制柔性机械臂运动过程中的非线性振动,提出一种基于干扰力在线观测的无模型轨迹跟踪和振动抑制混合控制策略。采用拉格朗日方程和奇异摄动法对存在未知干扰的柔性机械臂进行动力学建模和解耦,将其分解为表征刚性运动的慢变子系统和表征柔性振动的快变子系统;考虑到建模的复杂性和模型参数的不确定性,采用PD控制方法实现轨迹跟踪,并提出无模型自适应控制算法以实现柔性臂杆的非线性振动控制。针对未知外界干扰可能引起的控制发散问题,提出了改进的干扰力状态观测器,用于干扰力矩的在线估计和实时补偿,有效提高无模型振动控制算法的收敛性能。仿真试验结果表明,所提算法在存在干扰力的情况下对柔性机械臂的振动抑制效果显著,且具有良好的动态性能和鲁棒性。

电路微导线激光驱动微滴喷射沉积打印

激光驱动微滴打印是一种高分辨率、高柔性和材料适应性广的金属微增材制造工艺,能实现纯金属微结构打印。面向电路微导线打印,目前的激光驱动微滴沉积工艺规律认识还不清晰。因此基于纳秒光纤激光驱动微滴打印系统,实现了直径5μm的铜微滴阵列的沉积,沉积位置偏差为±5μm。研究不同工艺参数下的激光驱动微滴沉积微导线形貌,发现由于存在微滴沉积位置偏差,交替沉积策略比微滴顺序沉积更适合打印微导线;当沉积微滴搭接间距减至1.5μm时,可形成联通的导线打印;微滴转移间距从50μm增至200μm,打印微导线的线宽增加约2倍;实现线宽为15μm的微导线打印,并通过四探针法测试获得的微导线电阻率为实体材料的9倍。

大尺寸天线在轨组装测量方案的设计与评价

针对在轨组装测量场景需求,提出了基于摄影测量与激光雷达扫描测量组合的测量方案设计与测量不确定度分析方法。对大尺寸结构型面几何测量的仪器和方法进行探讨,确定了在轨组装天线型面精度测量的总体方案,建立了摄影测量与激光雷达扫描测量组合的测量不确定度分析计算模型;对在轨组装天线型面精度测量的多测站布局方案进行评价,并对测量不确定度受到的影响进行了分析,为大尺寸天线在轨组装测量方案的设计、评价与方案优化提供了依据。

载人月球探测月面活动机器人的发展机遇及关键技术

世界航天领域迎来了月球探测的新热潮,在日益丰富、复杂的载人月球探测月面活动中,机器人可在人机联合探测、原位资源利用等任务中发挥积极作用。围绕月面机器人在载人探月月面活动中的应用,调研了国外载人月球探测计划中提出的机器人任务及方案;结合我国载人月球探测规划,梳理分析了无人验证、航天员首次登月、科考与开发等不同阶段对机器人的配置需求和发展机遇;面向极端地形条件下的人机联合探测、联合大范围移动、熔洞宜居性探测等典型场景,设计了机器人的活动流程;梳理分析了月面机器人工程应用的关键技术及难点,可为我国载人月球探测月面活动机器人系统的设计提供技术参考。

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。