刘暾:让飞行器稳行太空
2013-07-04 15:09:18   来源:   评论:0 点击:

       空间飞行器动态过程及其控制是决定飞行器在太空中能否顺利完成任务的首要前提和关键技术,哈尔滨工业大学航天学院刘暾教授多年来一直从事空间飞行器动力学和控制方面的研究,他先后主持了“神舟”飞船太阳帆板堵转的研究、月球探测车,此外,具有机械专业背景的他转行航天技术后根据客观需要还开展了气体润滑的研究。回首峥嵘岁月四十年,刘暾教授已为我国航天工程的发展做出了不可替代的贡献。
一步一里程:空间飞行器动力学与控制
      作为中国航天工程发展的见证者与奠基人,刘暾教授从20世纪60年代就开始了空间飞行器动力学和控制的研究与实施。20世纪70年代,应有关方面的要求,刘暾教授经研究提出了一种简易惯性智能导引规律——“抗雷达关机措施”,可从空间定位地面雷达信息,即使对方采取关机等对抗措施,也能在规定的精度范围内准确飞至目标。相比外国装置,刘暾教授的研制方案更优越,前者要求目标雷达第二次开机,而刘暾教授的方案中却没有这一限制条件。
      20世纪70年代后期,刘暾教授开始致力于将多体动力学理论移植到航天领域,特别是带有挠性部件的空间飞行器。他分析了“东方红3号”、“资源1号”、“风云3号”等卫星以及“神舟号”载人飞船及其绕飞小卫星,此外,还在空间站等姿态控制、展开、振动抑制和各类动力学及相关的控制问题中做了大量工作。
      20世纪80年代,刘暾教授提出了“分力合成主动振动抑制方法”,该方法可同时抑制掉振动系统中指定的任意多次谐波,对系统参数如频率等的误差有可调的不敏感度,且方法简单、计算工作量小。在试验台对比中,用滑模变结构控制法7个振动周期能抑制到的程度,采用该方法只需1个周期即可完成,在对地观测卫星大角度机动、空间站交会对接的姿态和轨道机动等过程中均有广阔的应用前景。
       刘暾教授找到了太阳帆板堵转的原因。当时国外某大型卫星帆板驱动系统出现一种怪现象:机和电分系统均完好,但配合工作则会忽快忽慢,偶尔停转,处理后恢复正常,不定期再次发作,无法正常运行。为避免国内航天器产生类似问题,刘暾教授课题组承担任务对该怪现象进行研究。经大量分析,他们发现这是一种混沌运动。早在100多年前,就出现了“混沌”的萌芽,但由于科技的局限,直到20世纪60年代才正式诞生。简单地说,此前数学被归结为确定和随机的两大范畴,前者是可以明确度量并得到确切数量关系的数学,如几何、代数、微积分等;后者研究虽有宏观变化规律,但数量上包含许多随机因素的现象,如概率论、随机过程、统计分析等学科。混沌出现之前,人们认为这两类数学描述的自然现象是互不相干、互不交叉的,但1963年美国科学家洛伦兹证明了对于某些“确切”的非线性系统,在一定条件下却可以转化出“随机运动”,即本来应该按明确规律运动的(非线性)系统,有时会出现不可预期的紊乱运动。经分析,刘暾教授把这种怪现象称为帆板驱动系统中的“堵转”,并找到了出现原因和避免的办法,他们分析了“神舟”号飞船帆板驱动系统,结论是系统参数选择合理,无需担心“堵转”,这个结论也被后来屡次的飞行结果所证实。
      20世纪末,我国执行探月工程,刘暾教授曾协助上海航天单位启动月球车的研究工程,后来又自筹资金开发了一种具有自主知识产权的新型月球探测车。该车具有6主动轮、两侧不对称布局,能爬上垂直壁面障碍、越过沟壑、可调节牵引能力;具有双目立体视觉,可避障、按规划路径运动;由地面视觉装置导引,给出车的质心位置和各姿态角度,并指导前进路程。后在“985”经费的支持下,他筹建了月球车实验室,模拟月面土壤性质的地貌、无散射光照条件;并研制了研究月球车动态过程的单论实验装置,创造出月面1/6重力条件,利用气体支撑避免装置中摩擦力对测量结果的影响,可任意调节车轮载荷和其他轮对试验轮的力影响等。
       考虑到我国载人航天的最终目的是要建设有人照料的空间站,刘暾教授又将用在卫星上的多体动力学理论,用于空间站的研究。目前已经做了空间站整体构型和它们的自振频率分析、薄膜太阳帆板的动态研究、空间站重力梯度力矩和空气动力分析及上述两力作用下平衡态的研究、空间站构建中利用机械臂将舱段从轴向向侧向对接口转移的研究等工作。
 一步一脚印:气体润滑和精密机械设计
       20世纪70年代,刘暾教授参加了09核潜艇惯性导航系统测试装置7191“双轴陀螺漂移测试转台”研制,负责总体和气体轴系的设计。在该项目中,他们完成了转台测量轴水平和沿地轴方向安装测量精度的比较,为水平轴方案提供了理论依据,简化了制造和调整工艺;完成了利用转台分离10个陀螺漂移系数的方法;完成了气体轴系的设计、加工和调试。由于气体轴承在我国是第一次使用,他们还利用相似理论设计加工了一套6 10的小仿真台,验证了设计的正确性。转台获国家科技进步二等奖、国防科工委一等奖。刘暾教授于1983年被推选为我国气体润滑专业委员会主任,任职到2010年,达27年之久。
      通过7191双轴转台和后来的工作,刘暾教授取得了一系列的突破性成果。在气体润滑方面,他把在结构和强度计算方面发展起来的有限元技术推广到气体轴承的分析,先把圆柱、圆球、平面等各类轴承变换到笛卡尔坐标系,统一了分析算法;再将二阶导数变换为一阶,降低了连续度要求,可采用计算简单的线性形函数;最后,通过加权余量法把微分方程式转化为代数方程,使各类气体轴承的数值分析成为可能。他还针对气体轴承刚度较低的缺点,提出一种压力正反馈轴承,刚度能在一定区间达到无穷大;在提高精度上,建议并研制了磁气混合轴系,利用磁轴承修正气体轴系的回转精度,使轴系在原有零点几微米的极高精度,进一步提到零点零几微米的超高水平。
利用气体轴承极小摩擦、可极低和极高速运行、耐高低温、不畏辐射、极高工作精度等特点,刘暾教授负责和参加了三轴卫星姿态仿真台、大型圆度测量仪、精密离心机、单双和三轴惯性系统测试台、特种动平衡机、高速主轴和高速旋转设备等开发研究工作,取得多项突破。
       此外,刘暾教授还协助从俄罗斯引进了“联盟”号载人飞船、大型卫星姿态仿真装置、行星车、精密加速度计等国家需要的装备,以及飞船救生系统、空间交会对接等国内空白的技术。
一路辛勤,两岸芬芳。刘暾教授作为航天科技界的先锋学者,所做的科研工作是航天事业中精彩的一笔,而他孜孜以求的科研精神更值得年轻学者们尊敬和学习。

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