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1、中文摘要 兰州理工大学 设计说明书 航天飞机智能手臂 学 院：能源与动力工程 学生姓名：杨雪 王作学 张建星 指导教师：宋明 何天经 设计说明 时间：二一三年八月二十四日九月二十四日 共 4 周 中文摘要 航天飞机是人类往太空输送人和物，并回收卫星的一种载体。航天飞机的发展水平体现了一个国家的综合水平，随着科技的进步，功能任务的多样化，精密仪器越来越多，而航天飞的容纳能力有限，就要求现代化智能快速发展并应用于航天事业中，现代大国都加大了对航天飞机智能化的投入。 回收卫星是一个连贯严密的过程，涉及到轨道的精确计算，发射时间的把握，能源的预计速度分析，在达到预定轨道后，用机械手臂抓回卫星时要进行一
2、系列的计算，才能准确完成任务。本模型建立航天飞机完整的模型，着重分析多关节智能机械手臂与人的人机完美结合来从轨道上捕捉、维修和回收卫星，从而设计合适的多关节智能机械手臂。运用数学建模计算出机械手臂作用时受力变化，运用proe自带的功能对过关节智能机械手臂进行受力分析，应用马尔可夫相关知识研究了该系统的可靠性与安全性问题。 经理论分析和实际检验的，多关节智能机械手臂具有可靠性，可行性，适应多种宇宙环境，协助宇航员完成回收卫星和其他任务，具有非常大的前景。关键词多关节智能机械手臂 ， 数学建模 ，proe ，马尔可夫 The shuttle is a human into space transp
3、ortation people and objects, and a carrier of the satellite. The shuttles level of development embodies the comprehensive level of a country, with the progress of science and technology, the diversification of functional tasks, more and more precision instrument, and space flight capacity is limited
4、, requires the rapid development of modern intelligent and applied to the space industry, modern countries have stepped up in the shuttles intelligent investment. Recovery of satellite is a coherent rigorous process, involves the precise orbit, launch the grasp of time, energy is expected to speed a
5、nalysis, after reached orbit, when using a robotic arm catch back to the satellite to a series of calculation, can be accurate to complete the task. This model space shuttle complete model, focusing on the analysis of multi-joint intelligent robotic arm and one man - machine perfect combination to c
6、apture from orbit, maintenance and recovery of satellite, to design a suitable joint intelligent robotic arm. Mathematical model to calculate the mechanical arm work force change, using proe intelligent robotic arm comes across the features of joint force analysis, application of markov related know
7、ledge to study the reliability of the system and security issues. Through theoretical analysis and actual testing, more intelligent robotic arm joints with reliability, feasibility, to adapt to a variety of space environment, help astronauts complete recovery of satellite and other tasks, has the ve
8、ry big prospects. Key words more intelligent robotic arm joints, mathematical modeling, proe, markov 第 16 页 共 16 页 目录一、引言5二、整体机构6 2.1外储箱6 2.2轨道器6 2.3固体燃料组推火箭7 2.4整体模型83、 动力系统8 3.1 超然冲压发动机8 3.1离子喷射推动器9 3.2太阳能电池9四、机械手臂及受力分析9五、密封结构13六、总结14七、参考文献15八、致谢及声明16 引言 航天事业一直都是世界关注的焦点，也是一个国家综合国力的体现，其中最重要的就是航天飞机的
9、设计，因为航天飞机可以多次重复使用。随着高新技术的发展和航天飞机任务的逐步加剧，航天飞机系统复杂程度日益提高，各方面的要求提高，而舱里只能容纳有限的航天人员，加之传统控制技术越来越难以满足航天器探测任务多样性和姿态控制、轨道控制的高性能指标要求，先进航天国家早在20世纪80年代就着手发展航天器智能自主技术，并在自己的空间探测计划中逐渐增大了对智能自主技术的投入力度。 航天飞机为了执行上升、入轨、轨道运行，离轨和再入着陆等阶段的轨道和姿态控制，有一个非常庞大而复杂的执行机构系统。航天飞机的执行机构系统包括三大部分：外储箱，固体火箭助推器，轨道器。轨道机动系统是其中一部分，其主要功能是为航天飞机提
10、供入轨、轨道运行、变轨、交会和脱离轨道所需要的推力。电推进、核推进等高效推进技术成为最重要的技术而得以更快地发展，其中离子推进器前景最好，只要离子推进器能够长期保持性能稳定，它最终将能够把超然冲压机加速到更高的速度。超燃冲压发动机，可以在攀升过程中从大气里攫取氧气。放弃携带氧化剂，从飞行中获取氧气，节省重量，就意味着在消耗相同质量推进剂的条件下，超燃冲压发动机能够产生4倍于火箭的推力，是航天飞机在更短的时间内到达目的地，大大的加快探索宇宙的步伐。 航天飞机还承载着载人和载物的任务，需要增加许多特设系统，以满足宇航员在太空工作和生活的多种需要。例如，用于空气更新、废水处理和再生、通风、温度和温度
11、控制等的环境控制和生命保障系统、报话通信系统、仪表和照明系统、航天服、载人机动装置和逃逸生系统等。这些都需要国家加大智能自主技术的开发和投入。 在航天飞机事业中，运用最多的还有多关节机械臂。因为随着空间技术的飞速发展,特别是空间站、航天飞机、空间机器人等的诞生及成功应用,空间机械臂作为在轨支持、服务的一项关键技术越来越受到人们的关注，加之航天器要求执行的任务种类不断增多,其任务的复杂程度也不断增加,而当前火箭发射负载质量依然受限,因此迫切需要研制高可靠性、长寿命、经济、安全的轻型多关节机械臂。在航天工程中，采用自动化和智能工程机械，才能更好的完成精密导航和科学观测任务，以及确保卫星的回收。在回
12、收过程中，人与多关节智能机械手臂完美结合，精密测量，准确定位，才能准确回收卫星。 第二章 整体机构2.1 外储箱 图2-1 航天飞机外储箱（Space Shuttle External Tank，简称ET）是航天飞机用来储存液氢和液氧的附加组件。航天飞机发射升空期间，由外储箱为三台航天飞机主发动机提供加压氧化剂和燃料。外储箱在主发动机停车后10秒就被抛弃，重新进入大气层。与航天飞机固体助推器不同，外储箱是一次性的，在落入印度洋（按目前的直接附着发射轨迹是落入太平洋）前就已碎裂以防止影响已知航线。 2.2 轨道器 航天飞机系统的核心分系统是轨道器，轨道器在轨运行的时间最长达30天。轨道器大致可分
13、为前段、中段和尾段。前段是上下两层的宽敞机舱，上层为驾驶舱，下层为生活间，中段是有效载荷舱。舱门内层是辐射冷却器，外侧是防热层。航天飞机轨道器是航天员进入地球轨道和返回时乘坐的舱段，要装备可供7名航天员正常生活和工作的生命保障系统，可装载必要的科学仪器与各类显示仪表。轨道器的分系统异常复杂。 2.2.1 气密座舱 图2-2 第三章 动力系统 2.2.2 生活舱 图2-3 图2-4 2.3.3 动力室 采用离子喷射器，离子推进器将电能和氙气转化为带正电荷的高速离子流，金属高压输电网对离子流施加静电引力，离子流获得加速度，加速后的离子使推进器获得时速高达143201千米的速度，推动航天器前进。离子发动机的燃烧效率比常规化学发动机的高大约10倍，太空内推进计划寻求研制先进的推进技术，以便极大降低NASA的科学任务的成本、减少质量和缩短行进时间。 2.3.4 货舱中小型回收
