專家領銜策劃——運載火箭機構技術丨JME特邀專欄(下)

專欄導讀

機構是實現驅動、傳動與作動等功能化的重要機械產品。面向我國運載火箭載人登月、重復使用、商業發射與重型運載等發展需求，機構已成為重要的支撐技術。運載火箭機構技術愈發成為機械工程領域至關重要的研究主題。為推廣運載火箭機構設計、動力學分析、性能評估研究新成果。

為此，《機械工程學報》編輯部與客座編輯團隊聯合策劃出版“運載火箭機構技術”專欄。介紹我國運載火箭機構技術最新研究進展、總結學科發展脈絡及面臨的挑戰，以期促進運載火箭機構設計技術發展，推動機構學領域科技發展，實現機構技術對我國航天發射發展的進一步推動。專欄共收錄論文18篇，本次推送后9篇，已于《機械工程學報》2026年1期正式出版。

客座專家團隊

高海波，哈爾濱工業大學校長助理、科學與工業技術研究院院長，機器人技術與系統全國重點實驗室副主任，國家高層次人才，長期從事星球車移動技術、足式移動機器人技術、宇航空間機構微低重力模擬技術研究，近年來主持國家重點研發計劃項目、自然基金重點項目、973課題、863計劃、國家重大科技專項課題、科技部國際合作等科研項目。出版專著3部，發表論文110余篇，授權發明專利50余項，獲國家技術發明二等獎2項、省部級一等獎7項。中國專利銀獎1項。

石玉紅，北京宇航系統工程研究所專業技術管理委員會結構專業技術分委會主任。全國緊固件標準化技術委員會委員，通用零部件軍用標準化技術委員會委員。長期從事運載火箭結構與機構研制，先后突破了載人運載火箭逃逸飛行器結構、大型馮卡門整流罩為代表的一系列重大關鍵技術。主持國家重大基礎研究專項、科技部重點研發計劃及863計劃等項目。獲得國防科學技術等省部級獎一等獎一項，二等獎三項，三等獎四項。發表論文20篇，發明專利、國防專利17項。獲得第67屆德國紐倫堡國際發明金獎。榮獲全國“巾幗文明崗”、全國“三八紅旗手”等榮譽稱號。

張宏劍，北京宇航系統工程研究所機構專業副首席，負責完成我國運載火箭柵格舵機構、著陸緩沖機構等產品研發。中國機械工程學會高級會員，空間機構分委會委員。擔任《宇航學報》、《機械工程學報》、《動力學與控制學報》等期刊青年編委。入選中國科協青年人才托舉工程、中國科協中外優秀青年交流計劃。主持參與國家自然科學基金、中國科協學科發展等項目。發表論文30余篇，授權申請專利30余項。

于海濤，哈爾濱工業大學機電工程學院研究員。中國機械工程學會高級會員、美國電氣與電子工程師協會（IEEE）高級會員，長期從事宇航空間機構、特種機器人技術研究，主持承擔國家自然科學基金、科技部智能機器人重點研發計劃、深空探測重大專項等課題30余項，獲得黑龍江省科學技術發明一等獎2項。相關學術成果刊登在國際權威期刊Engineering、IEEE Trans. Robot. (T-RO)、IEEE Trans. Ind. Electron. (TIE)及頂級國際會議ICRA、IROS、CDC、ACC等，共發表學術論文50余篇，獲得國家授權發明專利36項，出版學術專著1部。

01

可復用火箭著陸支腿展開及著陸瞬態沖擊響應分析

引用格式:楊少斐, 王棟梁, 李建強, 張明, 魯送兵. 可復用火箭著陸支腿展開及著陸瞬態沖擊響應分析[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 159-170.

論文摘要：

針對可重復使用運載火箭高重心、大長細比著陸支腿的瞬態沖擊響應與展開動力學問題，通過有限元方法構建了包含油氣緩沖器非線性特性的火箭瞬態動力學模型，并開展四腿對稱著陸與單腿極限著陸工況的仿真及落震沖擊試驗驗證。結果表明：相較于剛柔耦合法，有限元模型在緩沖行程、主支柱載荷和箭體過載等關鍵參數預測中展現出更高精度，尤其在0.89～1.88 m/s著陸速度范圍內動態響應吻合度更優。單腿極限工況揭示輔助梁呈現拉-壓交替受力特征，輔助梁與足墊連接處彎矩達峰值，通過減小足墊與輔助梁軸線偏心距或采用球鉸連接可使該彎矩降低。地面摩擦系數敏感性分析表明動摩擦系數主導著陸穩定性，適中的動摩擦系數可使箭體垂向過載與緩沖器載荷實現最優平衡。展開動力學研究表明，套筒鎖定沖擊載荷主要由鎖套端面碰撞產生，采用接觸副等效簡化方法可在較小誤差范圍內使計算效率提升；當箭體初始傾斜角小于支腿展開死角的一半時，四腿展開時間偏差較小滿足工程需求。研究成果為可復用火箭著陸機構優化設計提供了支撐和指導。

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02

運載火箭伺服機構滑閥副微織構多因素耦合潤滑

引用格式:黃玉平, 劉傲, 崔佩娟, 侯占林, 郭春海, 張文武. 運載火箭伺服機構滑閥副微織構多因素耦合潤滑[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 171-181.

論文摘要：

在運載火箭伺服機構中，滑閥是一種流體控制單元，其運動界面摩擦潤滑特性對傳動性能有重要影響，最終會影響運載火箭的飛行控制性能。針對滑閥副的潤滑磨損問題，提出基于微織構改性的潤滑方案。在圓柱形閥芯表面通過飛秒激光加工制備深度約10 μm，粗糙度Ra為1.66～2.33 μm的菱形微織構，開展摩擦學實驗并進行參數優化。結果表明：當試驗溫度T=40 ℃、負載F=40 N、速度U=0.5 m/s時，參數組合對角線比k=3、對角線與間距比x=2的菱形織構摩擦系數最低為f=0.099 65，較于無織構表面在同等試驗參數下的平均摩擦系數f=0.165 02降低39.61%；實驗結果還發現速度提升可顯著降低摩擦系數，k=3的織構在寬速域表現出最優潤滑穩定性；負載過高或過低均導致油膜不完整或破裂，從而影響表面承載力。另外，采用響應曲面法Box-Behnken設計揭示了負載F、對角線比k、對角線與間距比x的耦合影響機制，最終優化參數組合為F=40.76 N、k=3.07、x=2.03，預測摩擦系數相較無織構表面減阻率達39.84%，與實驗結果基本吻合。最后，通過磨損分析表明，織構利用儲油、磨屑容納及動壓效應抑制磨粒磨損，提升滑閥副壽命。

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03

新型火箭掛索回收非對稱可變節流雙級液壓伸縮阻尼桿

引用格式:位仁磊, 馬紅鵬, 吳帥, 陳泰麒, 焦宗夏. 新型火箭掛索回收非對稱可變節流雙級液壓伸縮阻尼桿[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 182-194.

論文摘要：

傳統的腿式火箭回收采用垂直著陸方式，在火箭著陸時，火箭需要保持接近豎直姿態且著陸速度和角速度接近于零，否則可能著陸失敗。相較之下，索式火箭回收采用上端懸掛回收，承受的過載更小，容許側向速度和姿態控制偏差范圍更大，回收穩定性更好。其中，為了確保掛索過程的穩定，掛索裝置的攔阻桿需要在即將著陸時快速向下展開。在掛索后，掛索裝置能提供較大阻尼，減緩沖擊。針對這種需求，提出一種新型的非對稱變阻尼閥結構的雙級液壓伸縮阻尼桿。該阻尼桿通過非對稱變阻尼閥，在展開階段提供小阻尼，實現掛索機構快速展開；在縮回階段提供大阻尼，實現阻尼緩沖功能并保證掛索鉤可靠掛索不脫鉤。對提出的非對稱可變節流雙級液壓伸縮阻尼桿建模，仿真分析其非對稱阻尼特性與縮回壓力沖擊特性。經仿真和實驗對比驗證模型準確性。最后針對火箭著陸掛索工況，進行集成仿真驗證。通過集成驗證模型，分析不同阻尼參數對掛索過程的影響。結果表明，提出的非對稱可變節流雙級液壓伸縮阻尼桿具有良好的非對稱變阻尼特性，可以保證可靠掛索。研究成果為索式火箭回收系統中阻尼桿的設計與優化提供了理論依據和技術支持。

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04

航天構件加工移動式混聯機器人顫振穩定域分析與銑削驗證

引用格式: 劉爭, 張澤, 張嘉駿, 謝福貴, 劉辛軍. 航天構件加工移動式混聯機器人顫振穩定域分析與銑削驗證[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 195-203.

論文摘要：

航天典型鋁合金結構件具有整體尺寸大、局部特征小的特點，對設備的大行程和高動態加工能力提出了挑戰。通過“極限尋優法”，針對一種具有全向大范圍移動能力、末端高動態性能的柱坐標移動式混聯機器人，進行了切削顫振穩定葉瓣圖分析、試驗測定與銑削驗證。首先，開展了顫振穩定域分析，確定了該移動式混聯機器人在全行程范圍內的切削能力最弱位姿；隨后通過多向切削試驗，驗證了該測定結果的準確性；再根據航天典型結構件特征尺寸選定了試驗刀具，并測定了該刀具在切削能力最弱位姿的極限切削能力；然后以此為依據設計航天結構件典型特征切削路徑，并完成了銑削驗證；最后以1:1產品樣件進行了綜合切削試驗，驗證了移動式混聯機器人在航天典型鋁合金結構件銑削加工中的應用可行性與技術先進性。

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05

電驅冗余點式分離機構設計與分析

引用格式:李龍, 周天送, 呂勝男, 于兵. 電驅冗余點式分離機構設計與分析[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 204-215.

論文摘要：

提出了一種非火工冗余鎖緊釋放機構，并基于該機構設計了一種集成鎖緊功能的小型電驅點式分離裝置。首先，系統闡述了冗余分離裝置的總體結構設計，包括關鍵部件的布置方案及設計參數的計算方法。隨后，建立了鎖緊釋放機構的動力學模型，并開展系統性仿真分析，重點探討扭簧剛度、電磁鐵響應特性與扳機解鎖時間之間的相互作用。研究結果為鎖緊釋放機構的優化設計提供了理論支持，同時為電磁鐵型號選擇、電壓參數設定、扭簧匹配及材料選用等工程決策提供了可靠指導。此外，對所設計的分離裝置進行了多項實驗驗證，包括整機分離試驗、承載能力測試及可靠性試驗。實驗結果表明，該裝置具有優良的分離性能和較高的可靠性，能夠在復雜工況下穩定運行，滿足非火工分離技術的應用要求。其非火工特性和機構冗余解鎖能力不僅提升了操作安全性，還使其在航天、機械自動化及應急設備等領域具有廣泛的應用前景。

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06

掛索機構幾何形狀對火箭網系回收動力學的影響

引用格式:張歡, 闞鐳, 周立梁, 陳彤, 宋曉東. 掛索機構幾何形狀對火箭網系回收動力學的影響[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 216-228.

論文摘要：

提出了一種基于二維符號距離場(Signed distance filed, SDF)的柔性繩索與軸向拉伸剛體精準高效接觸檢測方法，用于火箭網系回收系統中掛索機構與攔阻索的摩擦接觸動力學計算，分析掛索機構幾何形狀對回收動力學的影響。利用軸向拉伸型物體的幾何特點，將柔性繩索與具有復雜幾何形狀的軸向拉伸剛體之間的接觸檢測問題轉換為二維問題。由SDF精準表征截面形狀，通過離線生成高精度SDF和法線場，在線雙三次插值接觸參數計算，實現精準高效摩擦接觸動力學計算，所提接觸檢測方法通過圓柱與繩索的接觸動力學仿真和試驗驗證了準確性。針對捕獲火箭的攔阻索入鉤過程，建立了掛索機構與攔阻索系統多體動力學模型并針對不同的掛索機構幾何形狀進行了仿真計算，結果表明掛索機構截面幾何形狀直接影響掛索機構與攔阻索局部摩擦接觸細節，特別在觸網時刻，大圓角截面形狀能有效降低觸網沖擊作用。

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07

直線加載的電動伺服機構試驗臺設計與控制

引用格式: 龐元龍, 李傳揚, 胡昌華, 張澤明, 冷明哲, 王兆強. 直線加載的電動伺服機構試驗臺設計與控制[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 229-240.

論文摘要：

電動伺服機構作為固體火箭導航控制系統中的核心單機，其性能表現對航天裝備的飛行安全起著決定性作用。為實現航天設備導航控制系統電動伺服機構加載試驗，提出了一種直線加載的電動伺服機構試驗臺設計方案，通過額外伺服機構對沖的方式實現實時可變的模擬負載代替實物負載，完成多種工況和非線性載荷模擬。該試驗臺設計方案存在一定挑戰，被測電動伺服機構與加載伺服對沖中容易相互破壞，既要實現正常功能，又要達到預期模擬負載，試驗臺驅動控制極為重要，因此提出了一種驅動控制方法，通過對伺服電機耦合比的調控，可實現對預期工況的高精度模擬。基于上述方案設計了試驗臺直線加載的機械結構及控制系統。通過加裝溫度、振動等傳感器并通過雙電機同步控制可實現對被測電動伺服機構多種負載模擬情況下的性能表現。試驗結果表明：試驗臺能夠通過數據實時采集反饋電動伺服機構系統運行狀態，并可通過控制加載伺服系統模擬電動伺服機構航天設備在飛行過程中非線性負載情況，極大地降低了試驗成本，助力航天設備安全飛行。

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08

柔性懸吊-倒立擺復合的多維準零剛度隔振方法與實驗驗證

引用格式:楊簫, 吳九林, 姜偉, 陳學東. 柔性懸吊-倒立擺復合的多維準零剛度隔振方法與實驗驗證[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 241-249.

論文摘要：

面向航天運載器等飛行器所搭載精密裝備的多維超低頻隔振需求，將柔性懸吊與負載質心下方相應位置固連，利用柔性懸吊的單擺效應與負載質心上移的倒立擺效應實現水平準零剛度，提出一種柔性懸吊-倒立擺復合的多維準零剛度隔振方法。建立了柔性懸吊-倒立擺復合隔振系統的振動方程，分析了其多維隔振特性。研究了懸吊剛度、負載懸吊點相對于負載質心的水平和垂向位置等關鍵參數對系統穩定性、固有頻率及振動傳遞率的影響。結果表明：隔振系統的穩定性隨懸吊剛度的降低、負載質心高度的增大、負載懸吊點水平間距的減小而降低，上述參數必須合理配置方可保證隔振系統的穩定性；對于給定的負載，系統垂向隔振性能主要由懸吊剛度決定，水平向高頻隔振性能主要由懸吊工作長度決定，減小懸吊剛度及懸吊點間距、增大負載質心高度可提高水平向低頻隔振性能；系統水平平動與翻轉運動耦合，在主翻轉振型對應固有頻率附近頻段存在反共振現象，利用該特性可在特定頻段實現優異的水平隔振性能。搭建了實驗樣機，開展了隔振系統固有振動特性、振動傳遞率的測試，實驗結果證明了理論分析的正確性。

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09

兩級負阻抗電磁分流阻尼器多目標優化方法

引用格式: 杜永康, 嚴浩, 劉旭輝, 王有懿, 呂俊, 李昊峻, 吳嘉寧, 焦小磊. 兩級負阻抗電磁分流阻尼器多目標優化方法[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 250-261.

論文摘要：

運載火箭在發射和回收過程中面臨復雜的動力學激勵，易對箭體結構及整流罩內航天裝備產生振動沖擊，設計性能優良的減振緩沖器件顯得尤為重要。負阻抗電磁分流阻尼器通過在電氣回路中引入負阻抗，減小電路電阻，增加回路電流，從而增強電磁阻尼力的輸出，提升減振緩沖性能。然而，在負阻抗電磁分流阻尼器設計過程中，存在電感、電阻和剛度權衡困難，設計效率低的問題。面向兩級負阻抗電磁分流阻尼器優化設計難題，提出一種基于NSGA-II的多目標優化方法。通過推導兩級負阻抗電磁分流阻尼器的共振放大倍數和高頻衰減率目標函數，預先對彈簧片剛度進行仿真計算，確定合理的剛度約束范圍，對電壓超前相位角進行約束，以減少優化后的篩選量。仿真算例表明，采用所提出的優化方法，在滿足二自由度系統共振放大倍數小于3 dB的基礎上，能夠分別實現在100 Hz處的正弦振動衰減率小于-40 dB、在200 Hz處小于-70 dB的目標，同時也驗證了優化后的設計參數組合能夠有效抑制沖擊載荷。所提出的優化方法可用于負阻抗電磁分流阻尼器的多目標優化設計。

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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