航天器高性能惯性执行机构关键制造技术基础

Control moment gyroscope (CMG) is the key mechanism in a spacecraft to achieve strong maneuverability and high stability, which ensures the spacecraft’s high performance and long service time. Focusing on the three key factors affecting the stability of a CMG, including the micro-deformation of the shafting support structure, the micro-feeding of the lubrication system and the micro-vibration of the CMG, this project studies the following three topics: firstly, the evolution principle of the residual stress inside an aluminum alloy structure under the service environment and the destressing process; secondly, the microseepage mechanism of the viscous fluid in porous materials under vacuum & weightless environment and the micro-structure design principle of porous materials; thirdly, the precise measurement of CMG’s micro-vibration and the meta-structure mechanism & manufacturing guidelines for highly efficient vibration attenuation/isolation. The purpose of this project is to solve the manufacturing bottle-neck problems in supporting structure accuracy, bearing lubrication and vibration control, so as to enhance the reliability and service time of an in-orbit spacecraft.

控制力矩陀螺（CMG）是航天器实现强机动、高稳定的关键执行机构，其运转稳定性直接影响航天器的高精度和长寿命。本项目针对CMG轴系支撑结构的微变形、润滑部件的微供给和整机的微振动这三个影响CMG运转稳定性的关键因素：①研究铝合金支撑结构残余应力在服役环境下的演化规律，建立铝合金结构去应力制造工艺；②研究真空失重环境下粘性流体在孔隙材料内的微渗流机理，提出芯阀微结构设计准则；③研究CMG微振动特性精准测量及超结构高效减/隔振机理，建立减/隔振一体超结构制造工艺。通过本项目研究，解决CMG制造过程中的支撑精度、轴系润滑和振动控制的基础制造瓶颈问题，提升执行机构长寿命稳定运转的能力，保障航天器在轨可靠运行。

控制力矩陀螺(CMG)面临长期运转稳定性不足的问题，其原因就在于长期服役环境下微量级的变化会随着时间发生累积效应，引起变形、润滑、振动等关键参数偏离。北京控制工程研究所联合北京科技大学，清华大学和北京理工大学三家单位，针对该需求，研究了微变形、微供给和微振动背后的关键科学问题，建立了铝合金多尺度残余应力无损表征技术方法体系，掌握了铝合金残余应力的演化规律；建立了微量供油芯阀材料的构效关系，提出了全新的脉冲衰减法惯性解，构建了高低速渗流相似方法；阐明了超结构低频宽带隔振机理，建立了针对CMG微振动特性的减隔振一体超结构设计方法。项目优化了CMG设计，改进了制造方法，为大力矩、长寿命、低扰振CMG研制奠定了科学基础，并指导工程实践。项目主要理论创新点有：.（1）利用多手段联合表征和实验-数值杂交反演方法，建立了面向空间服役环境的结构残余应力全场演化模型。.（2）从介观层次进行渗流动力学多尺度模拟，建立了空间环境下芯阀材料微观结构与渗流特性之间的构效关系。.（3）利用多极化、宽频带超结构减隔振模型，建立了针对CMG微振动特性的减隔振一体超结构设计方法。.通过理论研究，取得了以下工程实效：.（1）对CMG框架结构加工装配过程中的残余应力分布演化规律进行了全过程表征，建立了CMG框架零件表面应力控制判据，实现了应力值的量化控制；优化了热处理及振动消应力工艺方法，提出了低应力制造后处理方法。.（2）提出了微量供油芯阀材料微结构设计准则并应用于工程实际，使供油合格率从30%大幅提高到了80%，且具有较好的一致性。构建了由气体渗透率推知供油速率的理论基础和测量方案并研制了仪器设备，应用后大幅提升了产品检测效率。.（3）针对多款CMG结构发展了减隔振超结构设计方法，完成准零刚度超结构的设计优化，实现了小型CMG产品各方向80%以上振动的有效隔离；首次实现了中型CMG隔振超结构一体化框架设计制造；发展了超结构制造分析方法，优化了超结构设计与制备工艺。

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