人类很早就有在空中像鸟类一样飞行的理想,古希腊的阿尔希塔斯所制造的机械鸽、远至澳大利亚的飞去来器、中国的孔明灯和风筝都有关系。在中国古代,有人在文学著作中描述了飞行的理想,而且还有人设计了一些大型的风筝飞行器,试图实现这种脱离大地束缚的理想,明朝的万户,就设计了一种将几十支火药火箭绑在椅子上,手拿风筝进行飞行的试验。世界上最早的飞行器是中国发明的风筝。15世纪,意大利的列奥纳多·达·芬奇也曾设计过飞行器。
现代飞行器的发展,得益于19世纪工业革命带来的科学和技术的巨大飞跃。19世纪,不断有人试图突破空气的束缚,但都失败了。随着内燃机的发明和广泛应用,在空气中的飞行也逐渐成为可能。
1903年,美国的莱特兄弟率先在美国制造出能够飞行的飞机,并且实现了飞行的梦想。随后,飞机及其相关的科学和技术,得到了飞速发展。
飞行器分为5类:航空器、航天器、火箭、导弹和制导武器。
在大气层内飞行的飞行器称为航空器,如气球、滑翔机、飞艇、飞机、直升机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。
在空间飞行的飞行器称为航天器,如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空,然后在引力作用下完成轨道运动。
火箭是以火箭发动机为动力的飞行器,可以在大气层内,也可以在大气层外飞行。
导弹是装有战斗部的可控制的火箭,有主要在大气层外飞行的弹道导弹和装有翼面在大气层内飞行的地空导弹、巡航导弹等。
制导武器是能够按照一定规律进行的、在大气中飞行的、高命中率武器,如末敏弹、制导炮弹等。
根据试验模型所建立的有限元模型
多管火箭系统射速快、射界大、射程远、机动性好、能在短时间内较大面积上形成强大火力密度,从而受到世界各军事强国的重视,是现代战争的主战武器之一。目前俄罗斯、美国、德国、以色列、中国等世界各国广泛重视重点发展并大量装备了各种多管火箭系统。理论与实践证明,提高武器射击精度将使其毁伤效能大幅增加,通常提高射击精度比提高威力对提高武器毁伤效能的效果要更显著,因此,射击精度常被视为武器的灵魂。然而射击精度差一直制约着多管火箭系统作战效能,是世界各国长期竞相攻关研究的国际难题和技术瓶颈,提高多管火箭系统射击精度已成为提高其战斗力的迫切需要。多管火箭系统由于定向管之间以及弹炮之间的复杂相互作用对起始扰动从而对射击精度影响很大,其力学机理复杂。由于缺乏高效的多体系统动力学快速计算理论与技术,射击精度设计无法避免采用传统静态设计模式带来的盲目性,我国射击精度设计方法标准问题长期无法解决,导致多管火箭系统射击精度低。
多管火箭炮射击精度设计方法是获得多管火箭系统高射击精度的关键技术。阿布扎比国际防务展等国际防务展信息显示,欧美一些技术发达国家已将武器系统动力学应用于武器射击精度设计和研发过程,提高武器系统的射击精度和作战效能。国内的学者也进行了大量的多管火箭系统动力学分析以提高多管火箭系统射击精度的研究。但是,由于问题的复杂性,国内外均未见有关多管火箭炮射击精度设计方法的 道。
为解决长期制约多管火箭系统发展的射击精度设计方法国际难题,南京理工大学的芮筱亭教授团队在《多管火箭炮射击精度总体设计方法研究》一文中,从准确快速描述多管火箭系统动力学规律入手,通过理论、计算、试验三大方面连续20 多年的系统深入研究,引入多体系统传递矩阵法这一多体系统动力学新方法,结合现代计算机技术,构建了多管火箭系统动力学可视化仿真与设计软件和多管火箭系统射击精度数据库,据此首次制定了我国首个多管火箭炮射击精度总体设计方法兵器行业标准和国家军用标准,包括:多管火箭炮射击精度设计原理与流程、模型设计、动力学仿真与优化、虚拟样机总体设计方案及其虚拟试验结果、虚拟试验结果的物理试验验证、多管火箭炮射击精度总体设计方案。这些为多管火箭系统射击精度设计提供了理论依据、技术手段与技术标准,为其他武器系统和其他复杂机械系统动力学设计提供了借鉴。他们还给出了本方法用于我国兵器、船舶、航空、航天工业行业多种多管火箭系统射击精度设计重大工程实践,大幅提升多管火箭炮射击精度设计水平从而大幅提高多种多管火箭系统射击精度的部分实例。
多管火箭系统三维实体模型示例
接下来,我们再来看看飞行模拟器。飞行模拟器从广义上来说,就是用来模拟飞行器飞行的机器。如模拟飞机、导弹、卫星、宇宙飞船等飞行的装置,都可称之为飞行模拟器。它是能够复现飞行器及空中环境并能够进行操作的模拟装置,它也是为飞行员提供模拟动态感觉的半实物仿真设备。飞行模拟器一般由模拟座舱、运动系统等系统组成,而模拟座舱一般体积较大,对于需要承载模拟座舱的运动系统而言属于高速、重载装备,所以高安全性和高可靠性至关重要。
目前主要使用的飞行模拟器运动系统一般基于Stewart 并联机构,该机构采用液压伺服系统驱动,使用大型伺服液压缸作为执行元件,具有功率大的优点;但是液压伺服系统制造、维护费用高,而且液压油易泄漏、容易污染环境,有不易维修等缺点,不符合当今绿色环保的发展趋势。而可替代液压伺服系统的动力系统就是电气-机械伺服系统,一般由伺服电动机、减速器及丝杠组成,而丝杠在重载状态下,寿命一般相对较差,所以理想的动力及传动装置就是伺服电动机搭配减速器,这就要求寻找理想的替代运动机构。
因此,北京交通大学的方跃法教授团队在《6-RRS 超冗余驱动飞行模拟器的性能分析》一文中,提出了一种以6-RRS 超冗余驱动球面并联机构作为飞行模拟器的运动机构。该球面并联机构具有三个转动自由度,六个驱动,三个冗余驱动;两个完全相同的3-RRS 球面并联机构构成6-RRS 球面并联机构,该球面并联机构广义上仍然具有一个定平台、一个动平台,整个动平台即为飞行模式器座舱。该运动机构采用电气伺服系统驱动,从而克服了液压伺服系统的缺点;同时采用超冗余驱动达到大功率运动的目的。他们主要分析了6-RRS 超冗余驱动飞行模拟器的三项重要性能指标,利用螺旋理论给出该运动机构的雅可比矩阵,并以雅可比矩阵为核心分析该机构的灵巧度性能以及刚度性能和奇异性能。通过与3-RRS球面并联机构的奇异性的对比分析,结果显示他们团队所采用的冗余方法能有效地避免串联奇异,而对并联奇异影响不大。
6-RRS 球面超冗余驱动并联机构
伴随我国探月工程的不断深入,载人月球车的设计与研制也成了关键问题。载人月球车需要搭载宇航员和科学仪器设备,在运动过程中应保证宇航员和仪器设备免受过大冲击。考虑到载人月球车车轮须具备大尺寸低密度、减振抗冲击性和方便更换的特点,湖南大学的肖万伸教授团队在《载人月球车车轮设计及基于弹性车轮轮壤相互作用的力学模型研究》一文中,设计出了一种滑槽机构的弹性筛 式载人月球车车轮。他们在验证仿真模拟的准确性后,将筛 轮与同等尺寸的传统刚性轮进行了行驶通过性对比分析;而后他们还针对一般车轮的弹性变形引入斜率因子,改进轮壤间相互作用的应力分布模型,为变形车轮的受力分析及结构设计提供参考依据;最后根据牵引系数指标拟合载荷牵引系数曲线方程,对车轮行驶中的最佳载荷进行评估。他们所设计的车轮的轮架和外胎结构轻便,在行驶过程中能通过自身的弹性变形来抵抗冲击和振动;轮毂与轮辋间的滑槽机构使得车轮的更换简单方便,为以后载人月球车车轮设计提供新的思路。
车轮及月壤的建模
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5月24日
公历一年中的第144天,距离一年的结束还有221天。
圣母进教之佑瞻礼
圣母进教之佑瞻礼(拉丁语:Sancta Maria Auxilium Christianorum;英语:Mary Help of Christians)是一个罗马天主教圣母玛利亚的瞻礼。345年,君士坦丁堡牧首金口若望第一个使用这个名称。教宗庇护五世时期,为对付奥斯曼帝国,开始流行于欧洲。该瞻礼的确立是由于19世纪下半叶圣若望·鲍思高,他在一些国家发展慈幼会事业。该瞻礼通常限于罗马天主教内,但自从1030年起,乌克兰的东正教也纪念此庆日,当时该国得免于蛮族的侵略。
维多利亚日
维多利亚日是加拿大法律规定的12个公众假日之一,即使在 Quebec省也是一样,不过Quebec省的议会早已决定将这个假期的名字改为“爱国者日”,这也是为了纪念在1837年发生的“Lower Canada Rebellion”(魁北克省反抗殖民运动)中反抗殖民统治而死去的英籍加拿大人和法籍加拿大人。
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