在轨对星球表面遥操作技术现状与展望

在轨对星球表面遥操作技术面向未来星球表面样本收集与分析、设备运输与部署、基础设施建设与维护等日愈增长的复杂任务需求,通过星球轨道载人航天器内的航天员在轨遥操作星球表面的机器人执行作业任务,是推动未来载人登月、月球基地建设和载人火星探测等任务实质进展的关键支撑.本文综述了NASA, ROSCOSMOS, ESA等航天机构围绕在轨对星球表面遥操作开展的Surface Telerobotics, KONTUR, METERON等工程专项和系列在轨技术试验,分析了在轨对星球表面遥操作中的人机交互界面设计、人机工效设计、力反馈和空间通信等关键技术,并结合中国未来深空探测发展趋势和任务需求,提出了利用即将建成的中国空间站开展航天员在轨对地遥操作挖掘安置试验、遥操作建筑3D打印试验等技术试验设想,为中国未来月球基地建设等重大深空任务中在轨对星球表面遥操作技术的研究和试验验证提供参考.     

面向增材制造的正向产品建模技术

传统CAD建模技术因其自身的局限性,极大地限制了增材制造产品的设计空间.为了最大限度地发挥增材制造的技术优势,需要在产品设计阶段通过综合产品形状、大小、层次结构以及物质组成实现产品性能的最优化及制造成本的节约化.本文根据增材制造的4种特性,从复杂形状建模、复杂材料建模、复杂层次建模以及面向制造的建模等4个方面论述了国内外对于面向增材制造的正向产品建模技术的研究概况.在此基础上,本文对该领域的发展趋势进行了探讨,认为综合一体化建模与轻量化建模将成为未来发展方向.     

增材制造技术及其在微波无源器件设计与制备中的研究现况与展望

滤波器、天线等微波无源器件是现代微波通信系统中必不可少的组成部分.但是,随着无线通信技术的飞速发展,微波无源器件不断小型化、复杂化,器件对尺寸精度要求愈加严格,传统加工工艺在制备小型化复杂结构微波元器件上出现了制约.而增材制造技术(3D打印)是一种快速、绿色、高精度的新兴制造技术,具有不需要模具、人工成本低、材料利用率高、成型精度高、可制备复杂结构的优点,为企业和个人的生产与设计带来革命性的变化.对于成型精度要求高、结构设计较为灵活的微波无源器件而言,增材制造的出现使其摆脱了传统制造工艺的束缚,进而更多结构复杂、性能优异的器件得以实现,因此增材制造技术对于微波无源器件的生产与设计具有重要意义.本文主要介绍了增材制造特点、增材制造原材料的研究现况,并论述了增材制造技术在微波无源器件设计和制备过程中的应用,最后阐述了增材制造微波无源器件面临的挑战与机遇,为今后微波无源器件的增材制造科学研究及工程应用提供了一定的参考作用.     

嫦娥四号中继星伞状可展开天线关键技术研究

嫦娥四号中继星伞状可展开天线采用发射时收拢、入轨后展开的可展开结构方案,有效地解决了中继星应用中的多项技术难题.天线在轨成功展开、在轨性能稳定和承受极低温环境性能不发生破坏是保证中继通信任务成功的前提,对应了天线展开技术、在轨性能稳定性控制技术和极低温环境适应技术等三项关键技术.本文首先对天线展开技术开展研究,设计采用了缓释弹簧分布式驱动展开技术,对展开技术方案进行了介绍,开展高低温环境下天线展开可靠性验证,为天线在轨展开环境选择提供了指导;其次,开展在轨性能稳定性控制技术研究,从材料选择、结构设计和提高反射面平衡态稳定性等方面采用控制措施,进行天线在轨热分析和热变形测试及预示,结果表明在天线最大在轨热变形情况下,天线型面精度仍满足指标要求,确保了天线在轨性能满足任务要求,并验证了天线在轨热变形控制措施的有效性;第三,针对天线在轨经历极低温环境,设计了部件级试验验证结合整机仿真分析的试验验证方法,很好地解决了极低温环境的验证问题,天线经历极低温存储后,结构无损坏,性能无下降,满足天线在轨环境适应性的要求,有效地支撑了嫦娥四号中继星中继通信任务的顺利执行.     

基于增材制造技术的钛合金医用植入物

基于数字化成型的增材制造技术具有成型效率高、设计自由度高以及近净成形等优点,为医用钛合金植入物的加工带来了新的发展机遇.这种"绿色制造"技术能够将植入物的宏观尺寸与待修复缺损部位的生理环境进行有机结合,实现个性化匹配治疗和复杂微观结构的可调控性,提高其生物力学相容性,减缓植入部位的应力遮挡,在骨-植入物界面构建良好的骨性结合.本文综合评述了增材制造技术制备钛合金植入物的工艺流程以及影响因素,对钛合金的组织、力学性能、体内外生物相容性以及临床应用等进行了全方位的总结评价,并对该技术在钛合金医用植入物制备领域的未来发展方向进行了展望.     

天宫二号机械手关键技术及在轨试验

空间机械臂可以降低宇航员舱外活动风险,提高空间探索效率,具有广泛的应用前景.近年来随着机器人技术的发展,空间机械臂逐渐成为空间技术领域的热点研究方向.天宫二号空间实验室任务中的人机协同在轨维修科学试验是天宫二号三大关键试验任务之一,其核心是天宫二号机械臂系统.这是一套集成了多种传感器、具备多种控制模式的舱内空间机器人系统,包括6自由度机械臂、五指仿人灵巧手、手眼相机和全局相机、在轨人机接口(空间鼠标和数据手套)等模块,其设计目标是:在空间微重力环境下与航天员配合完成多种演示验证任务;对空间机器人关键技术以及在轨人机协同关键技术进行验证和评价;为空间机器人辅助或配合航天员开展在轨维修积累经验和数据.针对人机协同中的安全性问题,采用基于可变步长的轨迹规划方法,使机械臂在与周围环境发生接触时能够局部智能地调整其运动轨迹,达到减小或者消除碰撞力的目的;针对五指灵巧手的抓握控制问题,提出了基于目标物体笛卡尔刚度的协调抓握控制方法,以适应外力的变化达到稳定抓握的目的;针对数据手套与灵巧手之间的位姿映射问题,采用基于指尖位置的人手与五指灵巧手运动映射方法以达到精确位姿映射.天宫二号机械臂系统于2016年9月15日随天空二号空间实验室发射入轨.在10月27日到11月13日期间,宇航员与机械臂系统协同开展了动力学参数辨识、抓漂浮物体、与航天员握手、在轨维修等试验,成功完成了所有预定任务,为今后空间机器人的应用奠定了基础.     

多材料多尺度3D打印主动混合喷头的研究

多材料多尺度3D打印代表增材制造技术的前沿和未来发展方向,在功能驱动的"材料-结构-器件"的一体化制造,"创材"、"创物"和"创生"方面已经展示出巨大的潜能和广阔的应用前景.本文提出一种单喷头多材料多尺度3D打印新方法,针对核心功能部件——多材料主动混合喷头,开展了理论分析、数值模拟和实验验证的系统研究.提出一种多材料主动混合喷头,根据描述混合过程的物理方程(流体控制方程、湍流模型和稀物质扩散方程),阐述了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度、体积力等因素对于混合效率和混合性能的影响及其规律;利用COMOSOL工程模拟软件,进一步揭示了叶轮直径、叶轮转速、流体黏度对于多材料混合的影响及其规律;最后,通过渐变色模型打印、变刚度模型打印和微尺度模型打印三个典型实验案例,验证了理论分析和数值模拟研究结果正确性和有效性.本研究为多材料多尺度3D打印奠定了理论基础,并为多材料多尺度3D打印装备的开发和工艺优化提供了重要理论支撑和方向性指导.     

微纳尺度3D打印

复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业级应用的需求.高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构(尤其是大面积复杂三维微纳结构)一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学术界和产业界的研究热点,以及亟待突破的瓶颈问题.微纳尺度3D打印(微纳结构增材制造)在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势,而且还具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点.微纳尺度3D打印被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术.本文论述了近年国际上微纳尺度3D打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度3D打印典型重大应用,阐述了微纳尺度3D打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度3D打印未来的应用前景和发展方向及趋势.为深入开展微纳尺度3D打印、增材制造和微纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用.     

天宫一号与载人飞船组合体能源管理设计与验证

天宫一号和载人飞船构成组合体期间,载人飞船处于停靠状态,由天宫一号负责组合体能源管理.基于供电安全性和传输功率的要求,组合体进行了近端采样反馈电压控制的并网供电架构设计.经过仿真、地面测试和在轨飞行试验验证,表明天宫一号与载人飞船组合体供电并网设计正确,为载人空间站工程各组合体间供电并网设计提供了有力保证.     

中国空间生命科学的关键科学问题和发展方向

空间生命科学是随着人类空间探索活动,特别是载人空间探索而产生和发展的新兴交叉学科,它涵盖了较为广泛的研究范围.在过去半个多世纪,国际上在该领域取得了许多重要发现和研究成果,不仅支撑了载人空间探索任务,同时也服务了地球人类的生活.随着我国载人航天和深空探索活动的不断发展,特别是我国载人空间站工程的启动,未来20年将是我国空间生命科学发展的黄金时期.基于我国的载人空间站和返回式科学卫星实验平台,开展空间生命科学研究,获取新知识、创新新技术,进一步服务于人类空间探索活动、服务国家经济和社会发展,这就需要我们从学科发展的战略高度,系统深入地进行研究思考.在全面回顾国内外空间生命科学的发展历史及现状的基础上,本文对我国空间生命科学的战略需求、发展方向和关键科学问题等进行了梳理、分析和展望,以期为我国空间生命科学的发展提供思路和借鉴.     

电场驱动喷射沉积3D打印

多材料多尺度3D打印是当前增材制造的前沿方向、研究难点和亟待突破的关键技术,它在组织工程、新材料、新一代电子产品、OLED、印刷电子、软体机器人等诸多领域有着非常广泛的应用,但是现有的增材制造技术在实现多材料跨尺度3D打印面临许多挑战性难题.材料喷射沉积成形技术在实现多材料多尺度3D打印具有非常突出的优势和巨大的潜能,本文提出一种电场驱动喷射沉积3D打印新方法,它突破了现有材料喷射沉积3D打印在打印材料、接收衬底、喷嘴材料、跨尺度制造等方面的一些不足和限制性,尤其是结合多喷头技术,能够实现跨尺度多材料复杂三维结构一体化制造.首先,阐述了该方法的基本原理,并通过理论分析和数值模拟揭示了其成形机理;随后,通过系统的实验研究,验证了电场驱动喷射沉积3D打印对于衬底(或者已打印结构)材质、打印高度和位置、导电和非导电喷嘴、打印材料普适性,以及所提出的两种工作模式在实现跨尺度制造方面的可行性和有效性;最后,通过4个典型打印案例,展示了提出的电场驱动喷射沉积3D打印在实现异质、跨尺度复杂三维结构化制造的能力和突出优势,证明了它在实现多材料多尺度3D打印方面的可行性和有效性.本研究为探索低成本多材料跨尺度3D打印提供了一种全新的解决方案.     

面对国际空间站计划的严峻挑战,安排好我国微重力研究的发展

在今后十年,最重要的空间活动将集中于国际空间站计划,而国际空间站的利用主要是微重力研究和生命科学研究。面对国际空间站计划的严峻挑战,我国需安排好微重力研究的发展。     

中国载人交会对接技术的设计与实现

中国在载人航天工程第二步第一阶段任务中,自主研制了天宫一号目标飞行器和神舟八号、神舟九号、神舟十号载人飞船,通过3次在轨飞行任务完成了8次交会、6次对接,覆盖了自动和手动等多种交会对接模式,突破并掌握了交会对接技术.从交会对接系统、交会轨道、交会测量和控制、信息传输、对接与分离、飞行方案,以及试验验证等方面对中国载人交会对接设计的技术特点、所采用的创新技术方法和解决的技术难题进行了介绍,在飞行验证的基础上分析了工程任务取得的成果,与国际水平进行了综合比较,对中国载人交会对接技术的设计和研制情况进行了总结.     

电化学三维微沉积技术及其研究进展

电化学沉积加工技术是一种以原子量级逐层堆叠方式来进行金属基材料制备与零件制造的特种加工技术,具有适用材料广、实施温度低(一般70℃以下)、应用形式灵活、易于控性控形、不受尺寸限制等优点,在面向金属微增材制造方面颇具发展潜能.本文主要介绍了以电化学沉积工艺为主体来制造三维金属微结构与零件的代表性技术,包括掩膜电沉积、即膜沉积、electrochemical fabrication(EFAB)、局域生长电沉积、喷射电沉积、电化学打印、月牙形电解液约束三维电沉积成形、电化学扫描隧道显微镜技术等,着重阐释了它们的工艺原理、关键技术、优势与不足以及存在的主要问题和挑战,并对该技术领域未来的发展趋势和研究重点进行了展望.     

嫦娥二号卫星多目标多任务设计与经验

嫦娥二号卫星在圆满完成后续工程先导技术验证和科学探测任务后,又相继开展了日-地拉格朗日L2点和飞越Toutatis小行星探测,开创了我国多目标探测的先河,开拓了拉格朗日点和小天体新的探测领域.在剖析以往国际上典型多目标多任务探测器特点后,本文紧扣牵引技术发展主题,提出了以系统创新拓展领域,提升能力,带动技术突破和产品发展的思路,设计了在短周期等约束条件下实现多目标探测的策略与步骤;其次针对设定目标任务和推进技术发展的需求,提出了实现更远距离、更多技术验证的高可靠、高精度和自主运行的设计要点,简述了相关技术突破的情况;基于在轨运行表现,分析、汇总嫦娥二号的实现结果和预期改进目标;最后,梳理总结了嫦娥二号在任务设计、技术突破和实施程序与方法等方面的成功创新经验,可供未来任务借鉴.     

飞行器GNC试验子系统新技术及验证

飞行器GNC试验子系统是月地高速再入返回飞行器制导导航与控制(GNC)分系统的3个子系统之一,由中心控制单元、小型星敏感器、星敏防尘机构3台新研产品组成.同时,飞行器GNC试验子系统也是探月三期着陆上升组合体GNC子系统的一个产品子集.为满足探月三期的重量与功能需求,中心控制单元采用了可编程片上系统(So PC)技术进行集成化设计以减轻重量,并为适应空间辐射环境进行了多重防护设计;小型星敏感器采用非球面光学系统及高速处理电路等技术有效地减少了产品重量;星敏防尘机构以微型步进电机为核心,优化了结构、阻尼等细节设计,在满足功能要求的同时做到了重量的优化.为了更为真实地利用飞行器任务对上述产品进行在轨验证,设计了一种"虚拟卫星控制系统"的在轨验证方法,在试验子系统没有执行机构和真实受控的航天器对象的条件下,构造了被试验产品的在轨闭环验证环境.本文详细介绍了上述新研产品的关键技术和系统验证方法,并结合在轨验证情况给出了新研产品的验证结论.     

地基观测空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱

利用目标坐标系下旋转圆锥目标激光多普勒频谱特征,结合一种假想运行轨道数据和空间目标坐标系、地基坐标系和地心坐标系间的变换关系,构建了空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱地基观测模型.通过3种实例,详细计算并分析了不同尺寸、粗糙表面圆锥目标以及不同地基观测方向下的激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移量的变化情况.数值计算表明:在轨运行的圆锥目标,其尺寸、表面粗糙度、地基坐标系下的观测方向都对多普勒频谱特征都有影响,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化都按一定规律呈周期性波动;旋转速度一定的情况下,圆锥目标尺寸越大,多普勒频移也越大;圆锥目标表面越粗糙,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化起伏越显著.本文工作对进一步开展地基观测空间在轨运行的各种复杂目标奠定了理论研究基础,将为开展空间微运动和真假目标地基激光雷达探测实验研究提供技术支持.     

国外空间钟计划与基础物理测试的波浪

原子钟已经发展到很高的水平，它们在空间科学试验中起着非常重要的作用。本文介绍国外已经建议和正在开展的高精度空间钟计划，以及它们在国际空间站（ISS）微重力环境下所进行的某些基础物理方面的测试。     

神舟七号飞船伴星飞行试验方案设计及试验验证

神舟七号载人航天飞行任务中,我国首次在轨释放了一颗伴随卫星,试验和验证伴星在轨释放和伴随飞行技术.伴星平台集成了三结砷化镓高效太阳电池、锂离子蓄电池,以及液氨推进系统等新技术,其有效载荷为双焦距一体化可见光相机,可实现对近距离空间飞行器的视频观测和照相.2008年9月25日,伴星随神舟七号飞船发射升空后,按预定计划在轨释放,获取了1680幅飞船图像;通过6次轨道机动控制,于10月5日形成了相对神舟七号飞船轨道舱的绕飞椭圆,并连续保持了25圈.本文简述伴星飞行试验任务目标和卫星设计方案,重点阐述伴随飞行方案设计及飞行试验验证结果.     

4D打印形状记忆聚合物材料的研究现状与应用前景

形状记忆聚合物材料是一种在外界环境刺激下可发生主动形状变化的智能材料.基于这种智能材料的可变形结构在航空航天/生物医学等诸多领域显示出了巨大的应用潜力.但传统加工工艺限制了这种智能结构设计的复杂性和灵活性.4D打印技术作为智能材料的增材制造技术为形状记忆聚合物材料的进一步发展提供了新的契机.同时,4D打印形状记忆聚合物材料结构的实现为柔性电子/智能机器人/微创医学等高科技产业带来了全新的,更具智能化的发展方向.本文首先综述了4D打印形状记忆聚合物材料近年来的国内外研究进展,总结了4D打印形状记忆聚合物的实现方式及材料性能,然后介绍了基于形状记忆聚合物材料4D结构在各领域的应用研究,最后指出了4D打印形状记忆聚合物材料存在的问题及未来发展方向.