针对Er3+共掺增强BaSi2O2N2∶Eu2+发光效果的内在差异和可能机理进行了研究。通过XRD测试展示了共掺下的晶体结构, 分析确认了样品纯度以及生长差异; 为进一步研究差异的来源, 监控了不同价态掺杂离子的发射光谱, 对随Er3+含量变化的发射光谱规律性变化进行展示, 进而分析得出Er3+共掺增强发光的内部物理机理是控制择优取向和对价态进行定向竞争调节; 从发光体应用场景的温度范围需求进行了温度特性测试, 展示了温度变化下的发射光谱变化。这项研究为调控发光强度、提高量子效率的工作提供了新的思路。

为了解决在轨光学载荷地面试验振源模拟难的问题, 设计了一种基于并联机构的多维微振动模拟平台, 能够有效复现空间微振动分布频率宽、振动量级小的特点。首先, 利用虚功原理和牛顿-欧拉方程推导了系统固有频率解析式, 并结合设计指标进行构型优化。然后根据最优构型进行结构设计和优化, 使得平台固有频率满足5~250 Hz的模拟带宽。最后, 提出了一种基于传递函数的控制方法, 验证了其正确性并对平台工作能力进行了求解。平台第6阶基频3.4 Hz, 第7阶基频356 Hz, 满足带宽要求; 通过传递函数控制得到的输出与目标值之间最大误差为1.54%, 说明该方法适用于平台的控制; 上平台输出最大平动加速度为399.3 mg, 最大角度扰动为1 979.3 μrad, 满足指标要求。该平台具有模拟带宽大、高承载、振动量级小的特点, 能够作为空间微振动地面试验振源模拟设备。

为了搭建在轨组装的地面模拟实验系统, 设计了一种基于冷气推进、能够自由漂浮的三自由度自由飞行机器人模拟器, 并对模拟器的结构设计、气路系统、动力学建模和控制系统进行了研究。采用模块化设计对主体结构进行不同功能的分区, 并结合工作原理对模拟器的承载能力进行了分析和实验验证。然后, 采用部分解耦的方式对喷嘴进行了布置, 进一步设计了整个气路系统, 并对影响喷嘴推力的因素进行了理论分析和实验验证。最后, 采用牛顿-欧拉法建立了模拟器的动力学方程, 联合Simulink和Adams, 搭建了控制仿真模型并进行了运动仿真。实验结果显示, 模拟器能够承载800 kg以上的重量, 单方向上能够达到8 N的力, 整体运行时间能够达到30 min。模拟器对参考输入有很好的跟踪效果, 能够为超冗余模块化机械臂的地面实验提供可移动载体。

针对传统的蒙特卡洛法求解机器人工作空间时精确度不够的问题, 提出了一种改进的蒙特卡洛法。用传统的蒙特卡洛法生成一个种子工作空间, 基于标准差动态可调的正态分布对种子工作空间进行扩展。在扩展过程中设定一个精度阈值, 确保得到的工作空间中每个位置都能被准确的描述。基于得到的工作空间, 提出了一种体元化算法求取工作空间的体积, 寻找到工作空间的边界部分和非边界部分, 通过对边界部分的不断细化, 降低了体积求取误差。为了验证算法的有效性和实用性, 以九自由度的超冗余串联机械臂为例, 对本文改进的蒙特卡洛法和提出的体积求取算法进行仿真分析。结果表明: 采样点数量相同时, 改进的蒙特卡洛法生成的工作空间边界光滑, “噪声小”; 得到精确的工作空间时改进方法需要的采样点数仅是传统方法的4.67%; 体积求取算法效率较高, 相对误差小于1%; 求得的工作空间体积可用于评估机械臂性能, 为后续机械臂构型优化奠定了理论基础。

为了改善反射镜在环境温度波动情况下的面形精度下降问题, 设计了一种联杆型双轴Bipod柔性支撑结构, 并基于柔度理论对它进行了参量优化。首先, 对支撑结构的柔度进行了分析和计算, 推导出柔性支腿以及反射镜组件的柔度理论公式。然后, 以保证反射镜轴向支撑刚度和卸载能力为目的, 计算得到一组针对口径为200 mm反射镜的柔性支撑结构尺寸参数。最后, 通过有限元分析和振动试验, 对支撑结构的柔度公式、动态特性、温度适应性进行了分析验证。分析结果显示, 在一定作用力下, 柔性支腿的理论值与有限元分析值的误差在10％以内; 振动试验得到组件的一阶频率为358.5 Hz, 与理论计算值的相对误差为8.8％; 在20 ℃温差下, 反射镜面形精度为7.7 nm(rms)。试验结果验证了理论模型的有效性, 同时说明Bipod柔性支撑结构能够降低温度波动对反射镜面形的影响。

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构, 并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型, 分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求, 提出了定位精度指标和抗变形指标, 建立了以构型参数为变量的优化目标函数, 并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数, 利用遗传算法对其进行多目标优化。然后, 建立非线性最优误差分配模型, 对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后, 通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明: 优化前后动平台定位精度提高了8.3%, 抗变形能力提高了62.5%, 铰点误差限由2.7 μm提高到6.3 μm, 支撑杆误差限由1.3 μm提高到3.2 μm。另外, 实验测得Z轴相对定位精度为0.6%, 静刚度达到41.14 N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力, 有助于缩短设计、加工周期, 节约设计、加工成本。

空间机械臂的锁紧机构刚度特性具有非线性特征, 在开展整臂动力学分析时需要对其进行等效线性化处理, 故本文提出了一种基于六维刚度等效的线性化方法并进行了分析验证。建立了锁紧机构单机在预紧状态下的非线性模型, 通过非线性计算获取了锁紧机构各向刚度数值, 并将其提供给用于模拟锁紧释放机构的BUSH单元。对机械臂整体模型进行了模态分析以及频率响应分析。结果表明：整臂前三阶固有频率为89 Hz、92 Hz和96 Hz, 和试验结果最大相差为3%; 各组件加速度响应分析结果与试验结果吻合较好, 最大相差为8%, 证明了提出的线性化方法的有效性。该方法考虑了各向刚度之间耦合关系, 并且不必逐一处理锁紧机构接触面, 有较强的工程实用价值。