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空间极端环境下机构复杂序列运动地面测试装备关键技术
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  • 公布年份:
    2018
  • 中图分类:
    V55
  • 关键词:
  • 成果简介:
    飞船舱门和深层钻取采样器是一类具有复杂序列运动特征的航天器功能执行机构,在空间极端环境下极易出现故障,且难以修复。因此,在地面模拟空间极端环境下验证其设计合理性和工作可靠性事关航天任务成败,是航天器发射前不可或缺的重要环节。 国际上对此类机构通常采用分项独立的热真空环境下静态测试和地面大气环境下动态测试,再辅以仿真推演。测试结果往往存在较大偏差,无法对航天器功能执行机构进行有效考量,给在轨运行带来了巨大的风险和隐患。因此,空间极端环境下机构复杂序列运动地面综合测试装备研制一直是国际航天工程领域致力攻克的瓶颈,受困于测试机构设计、空间极端工况模拟和多参变量性能综合测试等公认技术难题,传统机构学和真空科学等理论难以适用,研究极具挑战性。项目组围绕国家科技重大专项载人航天与探月工程的重大需求,独创了舱门和深层钻取采样机构运动性能综合测试装备,主要发明点如下: 1、发明了一类可实现复杂序列运动测试的变拓扑机构。针对一类航天器功能执行机构序列运动过程中几何/运动/力约束复杂多变的特点,提出了变拓扑机构构型综合与优化方法,解决了变拓扑机构多构态综合创新设计这一机构学前沿难题,发明了可实现舱门锁和舱门开闭序列运动测试的变拓扑机构和可实现钻具回转/冲击/下钻/取样等序列动作的多工位深层钻取采样测试变拓扑机构。 2、发明了机构复杂序列运动作业的真空热环境模拟技术。提出了舱门机构内外双室无油高真空系统设计方法,实现了高真空、温度交变、大压差工况并存的在轨真空热环境模拟;提出了高密实度模拟月壤热真空制备技术,实现了极限真空度1Pa、温度-40℃~200℃的模拟月壤分层梯度分布,优于美国NASA的极限真空度853Pa、单一温度-20℃的模拟月壤真空热环境指标。 3、发明了空间极端环境下机构复杂序列运动综合性能测试装备。攻克了空间作业环境模拟与复杂几何/运动/力等约束下机构序列运动性能测试集成难题。研制了舱门机构运动/力/密封等综合性能测试装备,各项指标均优于国际空间站舱门测试装备现有报道的水平;研制了模拟月面环境深层钻取采样运动/力/热等综合性能测试装备,所制备的模拟月壤体积为美国NASA同类装备的23倍。 该项目研究成果已获授权国家发明专利30项;在Acta Astronautica、Applied Thermal Engineering等权威国际期刊上发表高水平学术论文,其中,变拓扑机构设计论文获2015年IEEE/IFToMM国际会议最佳论文奖。 成果成功完成了我国“神舟”系列载人飞船、“天舟”货运飞船、“天宫”空间实验室、“天和”空间站等型号的舱门运动性能综合测试以及探月三期“嫦娥五号”极端工况下的模拟月壤钻取试验。上千次试验结果为舱门和钻取采样器的改进设计提供了重要依据,排除了舱门主转轴轴承滚珠脱落、舱门密封圈失效和钻具切削刃断裂等进大故障风险,有力保障了我国航天重大型号工程任务的顺利实施。鉴定委员会认为该项目技术难度大,有重大创新,达到了国际领先水平。
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