科学研究

研究方向

  • 小行星弱引力附着与采样

小行星被称为太阳系的“活化石”,较为完整地保留了太阳系早期形成和演化历史的遗迹,对地球环境的演化、人类的生存产生着重大的影响。小行星探测有以下重要意义:1)小行星探测可探索太阳系的形成和地球生命起源等科学问题;2)可研究小行星的轨道动力学特征,建立小行星预警防御体系;3)可开发小行星蕴藏丰富的矿产资源,缓解地球的资源危机;4)小行星在太空中数量众多,分布范围广,可作为人类深空探测“天然的跳板”,为人类建立空间设施以及星际航行转移系统提供大量基础材料。从20世纪90年代开始,美国、日本、欧盟等国家和地区多次发射航天器对小行星开展了飞越、伴飞、附着、采样返回等多种形式的探测。

我国的小行星探测工程即将立项,预计于2022年发射首颗小行星探测器,前往一颗近地小行星开展附着及采样探测任务。小行星探测工程的重要技术难题在于,在弱引力的小行星表面完成附着并进行采样探测。小行星的表面特性具有两个核心特征:弱引力、不确定。小行星探测不同于月球探测、火星探测,由于小行星种类繁多,特性差异较大,人类先验知识缺乏,对小行星的理解与认识非常薄弱。截至目前,国际上仅有17次针对小行星的探测任务,其中大部分为飞掠任务,国际上尚且没有在小行星上成功附着的先例。其中,美国、日本最具代表性。美国的探测器奥西里斯号布置有四自由度机械臂气吹采样装置,采用“一触即走”的采样方式,采样时间仅为短暂的几秒,探测器并未在小行星表面附着。日本的探测器隼鸟号、隼鸟2号也均以底板中央细长圆筒状采样器与小行星表面以“一触即走”的方式实施采样,探测器也未在小行星表面附着。此外,欧空局的探测器罗塞塔号旨在与小行星具有相似弱引力及不确知表面环境的67P慧核开展附着采样,其携带的着陆器菲莱采用鱼叉式附着器,但实际操作中未能成功附着,进而导致后续采样失败。我国已实施的小行星探索任务仅限于“嫦娥二号”于2012年对小行星4179 Toutatis(图塔蒂斯)开展的飞越探测,获得了清晰的小行星遥感图像。当前,世界范围内的小行星探测热潮已经形成。纵观国际上的小行星探测任务,附着采样探测逐渐成为主导探测方式,它也能获得更丰富的探测成果。在此背景下,我国的工程目标雄心勃勃,期望在小行星表面附着并采样,其技术难度也是可想而知。小行星表面成功附着将像“嫦娥四号”探测器首次落在月球背面一样,创造世界首例,代表人类首次完成微弱引力条件下小行星表面的附着采样,成为世界深空探测领域的里程碑事件,这将极大提升我国航天科技的国际影响力。

2017年,科工局组织航天五院、八院论证小行星探测实施方案,主要需攻坚高可靠附着问题,其极大地困扰着航天科技人员。在邓院士的带领下,我们提出了多个超声波钻交叉钻进、几何力封闭的锚固附着方案,作为核心技术写进小行星探测实施方案。邓院士团队与航天五院保持着紧密合作,研制了机械臂式附着采样原理样机、腿式附着采样原理样机,并充分开展了零重力环境下的试验验证。目前,研究重点体现在以下几个方面:

a)可重复电磁着陆缓冲技术研究
b)高可靠锚固技术研究
c)超声波钻的空间环境适应性研究
d)弱引力小行星表面样品采集技术研究

  • 火星飞行器设计与控制

火星在太阳系中具有与地球相似的物理体积及地形地貌特征,完整地记录了太阳系50亿年中行星的诞生与演变历程,因此火星探测对拓展人类的生存空间、探索生命的起源具有重要意义。20世纪前苏联与美国先后发射了火星探测器,但都未能完成对火星的探测任务,直到21世纪美国又多次发射了火星车,才获取了有限的着陆区火星地表环境数据。鉴于目前火星车尚未具备大范围视觉探测、着陆区域未知地形三维地图构建及自主路径规划等功能,难以规避遇障、入沙沉陷等状况导致的机械系统故障等风险,综合考虑火星大气环境条件与飞行可行性,研制一种可携带视觉系统的飞行器,以构建火星车目标区域地形三维地图,规划火星漫游车避障、避陷路径,从而满足火星漫游车大范围自主导航功能要求。另外,利用火星飞行器的局部探测能力,可定点观测火星漫游车难以到达区域,从而提高火星探测任务效率。上世纪70年代欧美国家便开展火星飞行器基础理论和设计方法研究,而我国该方面研究仍处于起步阶段。

欧美国家对于火星飞行器原理样机的研制主要包括浮空气球、固定翼、旋翼与扑翼四类,其中浮空气球易受火星风影响难以实现飞行控制,固定翼飞行器起飞需要一定范围的平坦地形难以在火星表面重复起降,扑翼式飞行器仍处于研制阶段,在地球环境尚未得到具体应用,而旋翼式火星飞行器具有稳定飞行、垂直起降的功能优势,其作为空中探测平台对火星探测任务具有重要的意义,主要体现在:1)旋翼式火星飞行器悬停或低速率移动时可对目标区域进行高分辨率观测;2)旋翼式火星飞行器可扩展火星车视野,避免火星车进入沙坑等危险区域;3)旋翼式火星飞行器可实现对火星漫游车难到达区域的拓展研究;4)具备垂直起降能力的旋翼式火星飞行器可完成多点采样并返回火星车进行样品分析的任务。因此为加速运用火星飞行器进行科学探测,需开展旋翼式火星飞行器的研制。

目前,美国NASA喷气推进实验室已研制出火星飞行器原理样机,拟于2020年同 “流浪者”号火星车一起发射,以扩展火星车视野范围并协助火星车完成路径规划,提高火星车探测效率。目前我国火星探测任务已正式立项,面向该任务的战略需求,亟待开展火星飞行器的前瞻性和创新性研究,致力于解决关键技术瓶颈中的基础科学问题,改变我国火星飞行器相关研究的落后局面。鉴于我国尚未掌握火星大气实际探测数据,需构建着陆区域低空含尘大气模型,确定火星飞行器工况的边界条件。火星上稀薄且寒冷的大气使得飞行器旋翼处于低雷诺数和高马赫数耦合状态,需针对火星大气环境的特殊性,建立旋翼气动力学理论体系。为适应多物理场高度耦合、环境参数变化范围大的火星大气环境,需提出结构紧凑、飞行高效、性能稳定的组合旋翼系统组构方案。火星飞行器面临着GPS导航缺失、地球与火星间信号传输延迟等不利因素,需提出飞行器自适应控制与地形相对导航方法,实现火星飞行器的自主巡飞,利用飞行器的大视野获取火星漫游车周围的高精度地形信息,进一步提高火星漫游车的路径规划能力。

两弹一星功勋科学家、共和国勋章获得者孙家栋院士为邓宗全院士布置了一项艰巨任务:研究火星飞行器。在邓院士的带领下,我们重点开展以下几个方面的研究工作:

a)火星飞行环境数值模拟与飞行条件分析研究
b)低雷诺数翼型设计理论与方法研究
c)火星飞行器旋翼气动特性及组构方法研究
d)信息缺失条件下的自主飞行控制方法研究
e)火星飞行器原理样机研制及性能评价研究

   


研究设施

  • 研究室现有仪器设备

a)三轴振动实验台:正弦激励力范围1~70 kN;正弦、随机、冲击等试验功能
b)高低温实验箱:温度范围-80~200℃;温度均匀度:≤2℃;温度偏差:优于±2℃
c)真空罐:温度范围:-100~200℃;真空度:优于10e-5 Pa;内部空间:Φ800 mm
d)高速摄像机:最高分辨路1280*1024@1800帧/秒;最高拍摄速率:67140帧/秒
e)阻抗分析仪:频率范围5 Hz ~ 13 MHz;频率精度:±50 ppm
f)火星大气环境模拟器:直径3米;高度3米;压力范围:10~10000 Pa;具有火星大气成分模拟功能
g)激光跟踪仪:6自由度;动态测量速度:1000点/秒;可探测隐蔽点,获得拐角和内部特征
h)小行星地形模拟器: 总体尺寸3×3×0.5 m;地形起伏程度:±20 cm;法向残余速度:0~0.2 m/s;切向残余速度:±0.1 m/s
i)Speedgoat半物理仿真系统:供电电压:9~36 V直流;插槽:3个PMC/XMC板卡和2个mPCIe 板卡;16位模拟I / O模块, 具有32 路差分同步模拟输入
j)星岩超声波钻探检测仪:最大功率100 W;换能器工作频率20 kHz;功率调节范围20%~100%;钻压力:10 N;钻进速率:50~100 mm/min

  • 研究室常用软硬件

硬件:

a)瑞士Maxon、Faulhaber直流伺服电机、松下交流伺服电机
b)研华工业控制计算机、PC104嵌入式计算机、树莓派Raspberry、STM32单片机
c)日本基恩士高精度激光位移传感器
d)德国HBM力和力矩传感器、美国Honeywell扭矩传感器、美国Vibrac光电式扭矩传感器
e)美国 Futek MTA600 三轴力传感器、德国ME三轴力传感器K3D160
f)美国MicroStrain陀螺仪
g)德国FLINTEC应变片
h)日本Omron旋转编码器

软件:

a)机械设计工具:AutoCAD,SolidWorks,Inventor,UG
b)电气设计工具:AutoCAD Electrical,Altium Designer,Promise-e,ELCAD
c)仿真分析工具:ANSYS,MATLAB,ADAMS,EDEM,Catia
d)软件开发工具:Linux,Qt Creator,MDK
e)论文排版工具:Word,Latex,Photoshop


培养目标

AMT研究室拥有良好的实验条件和完善的实验设备,以培养高水平研究人才为目标,围绕航空航天领域空间机构在轨及地面测试的特殊需求,开展学术研究及工程实施。研究室成员可以通过诸多科研实践机会,熟练运用已学专业知识去解决实际工程问题,提升学生的机、电、控三位一体工程应用能力,通过进一步学习学科专业知识,在特定工程方向和学术领域内深入开展研究,以具备独立自主开发机电系统的能力和独立从事科研工作的能力。研究室有着深厚的文化底蕴,历久弥新,在不断提高个人能力的前提下,努力培养学生组织协调能力、团队协作能力和较强的责任感。

博士毕业生均有机会进入航天部门的研究所或国内高校工作,硕士毕业生均有机会在国内或国外高校继续学习深造,或进入航天院所和国内知名公司企业工作。研究室历届毕业生遍及全国各地,有着各自良好的发展前景,时刻秉承着“规格严格,功夫到家”的工大精神。


招生计划

硕士生:每年12人,其中,机械设计及理论9人、航空宇航制造工程3人
博士生:每年6人,其中,机械设计及理论4人、航空宇航制造工程2人