专家领衔策划——运载火箭机构技术丨JME特邀专栏(下)|瞬态|试验台|阻尼器

专栏导读

机构是实现驱动、传动与作动等功能化的重要机械产品。面向我国运载火箭载人登月、重复使用、商业发射与重型运载等发展需求，机构已成为重要的支撑技术。运载火箭机构技术愈发成为机械工程领域至关重要的研究主题。为推广运载火箭机构设计、动力学分析、性能评估研究新成果。

为此，《机械工程学报》编辑部与客座编辑团队联合策划出版“运载火箭机构技术”专栏。介绍我国运载火箭机构技术最新研究进展、总结学科发展脉络及面临的挑战，以期促进运载火箭机构设计技术发展，推动机构学领域科技发展，实现机构技术对我国航天发射发展的进一步推动。专栏共收录论文18篇，本次推送后9篇，已于《机械工程学报》2026年1期正式出版。

客座专家团队

高海波，哈尔滨工业大学校长助理、科学与工业技术研究院院长，机器人技术与系统全国重点实验室副主任，国家高层次人才，长期从事星球车移动技术、足式移动机器人技术、宇航空间机构微低重力模拟技术研究，近年来主持国家重点研发计划项目、自然基金重点项目、973课题、863计划、国家重大科技专项课题、科技部国际合作等科研项目。出版专著3部，发表论文110余篇，授权发明专利50余项，获国家技术发明二等奖2项、省部级一等奖7项。中国专利银奖1项。

石玉红，北京宇航系统工程研究所专业技术管理委员会结构专业技术分委会主任。全国紧固件标准化技术委员会委员，通用零部件军用标准化技术委员会委员。长期从事运载火箭结构与机构研制，先后突破了载人运载火箭逃逸飞行器结构、大型冯卡门整流罩为代表的一系列重大关键技术。主持国家重大基础研究专项、科技部重点研发计划及863计划等项目。获得国防科学技术等省部级奖一等奖一项，二等奖三项，三等奖四项。发表论文20篇，发明专利、国防专利17项。获得第67届德国纽伦堡国际发明金奖。荣获全国“巾帼文明岗”、全国“三八红旗手”等荣誉称号。

张宏剑，北京宇航系统工程研究所机构专业副首席，负责完成我国运载火箭栅格舵机构、着陆缓冲机构等产品研发。中国机械工程学会高级会员，空间机构分委会委员。担任《宇航学报》、《机械工程学报》、《动力学与控制学报》等期刊青年编委。入选中国科协青年人才托举工程、中国科协中外优秀青年交流计划。主持参与国家自然科学基金、中国科协学科发展等项目。发表论文30余篇，授权申请专利30余项。

于海涛，哈尔滨工业大学机电工程学院研究员。中国机械工程学会高级会员、美国电气与电子工程师协会（IEEE）高级会员，长期从事宇航空间机构、特种机器人技术研究，主持承担国家自然科学基金、科技部智能机器人重点研发计划、深空探测重大专项等课题30余项，获得黑龙江省科学技术发明一等奖2项。相关学术成果刊登在国际权威期刊Engineering、IEEE Trans. Robot. (T-RO)、IEEE Trans. Ind. Electron. (TIE)及顶级国际会议ICRA、IROS、CDC、ACC等，共发表学术论文50余篇，获得国家授权发明专利36项，出版学术专著1部。

可复用火箭着陆支腿展开及着陆瞬态冲击响应分析

引用格式:杨少斐, 王栋梁, 李建强, 张明, 鲁送兵. 可复用火箭着陆支腿展开及着陆瞬态冲击响应分析[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 159-170.

论文摘要：

针对可重复使用运载火箭高重心、大长细比着陆支腿的瞬态冲击响应与展开动力学问题，通过有限元方法构建了包含油气缓冲器非线性特性的火箭瞬态动力学模型，并开展四腿对称着陆与单腿极限着陆工况的仿真及落震冲击试验验证。结果表明：相较于刚柔耦合法，有限元模型在缓冲行程、主支柱载荷和箭体过载等关键参数预测中展现出更高精度，尤其在0.89～1.88 m/s着陆速度范围内动态响应吻合度更优。单腿极限工况揭示辅助梁呈现拉-压交替受力特征，辅助梁与足垫连接处弯矩达峰值，通过减小足垫与辅助梁轴线偏心距或采用球铰连接可使该弯矩降低。地面摩擦系数敏感性分析表明动摩擦系数主导着陆稳定性，适中的动摩擦系数可使箭体垂向过载与缓冲器载荷实现最优平衡。展开动力学研究表明，套筒锁定冲击载荷主要由锁套端面碰撞产生，采用接触副等效简化方法可在较小误差范围内使计算效率提升；当箭体初始倾斜角小于支腿展开死角的一半时，四腿展开时间偏差较小满足工程需求。研究成果为可复用火箭着陆机构优化设计提供了支撑和指导。

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运载火箭伺服机构滑阀副微织构多因素耦合润滑

引用格式:黄玉平, 刘傲, 崔佩娟, 侯占林, 郭春海, 张文武. 运载火箭伺服机构滑阀副微织构多因素耦合润滑[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 171-181.

论文摘要：

在运载火箭伺服机构中，滑阀是一种流体控制单元，其运动界面摩擦润滑特性对传动性能有重要影响，最终会影响运载火箭的飞行控制性能。针对滑阀副的润滑磨损问题，提出基于微织构改性的润滑方案。在圆柱形阀芯表面通过飞秒激光加工制备深度约10 μm，粗糙度Ra为1.66～2.33 μm的菱形微织构，开展摩擦学实验并进行参数优化。结果表明：当试验温度T=40 ℃、负载F=40 N、速度U=0.5 m/s时，参数组合对角线比k=3、对角线与间距比x=2的菱形织构摩擦系数最低为f=0.099 65，较于无织构表面在同等试验参数下的平均摩擦系数f=0.165 02降低39.61%；实验结果还发现速度提升可显著降低摩擦系数，k=3的织构在宽速域表现出最优润滑稳定性；负载过高或过低均导致油膜不完整或破裂，从而影响表面承载力。另外，采用响应曲面法Box-Behnken设计揭示了负载F、对角线比k、对角线与间距比x的耦合影响机制，最终优化参数组合为F=40.76 N、k=3.07、x=2.03，预测摩擦系数相较无织构表面减阻率达39.84%，与实验结果基本吻合。最后，通过磨损分析表明，织构利用储油、磨屑容纳及动压效应抑制磨粒磨损，提升滑阀副寿命。

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新型火箭挂索回收非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆

引用格式:位仁磊, 马红鹏, 吴帅, 陈泰麒, 焦宗夏. 新型火箭挂索回收非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 182-194.

论文摘要：

传统的腿式火箭回收采用垂直着陆方式，在火箭着陆时，火箭需要保持接近竖直姿态且着陆速度和角速度接近于零，否则可能着陆失败。相较之下，索式火箭回收采用上端悬挂回收，承受的过载更小，容许侧向速度和姿态控制偏差范围更大，回收稳定性更好。其中，为了确保挂索过程的稳定，挂索装置的拦阻杆需要在即将着陆时快速向下展开。在挂索后，挂索装置能提供较大阻尼，减缓冲击。针对这种需求，提出一种新型的非对称变阻尼阀结构的双级液压伸缩阻尼杆。该阻尼杆通过非对称变阻尼阀，在展开阶段提供小阻尼，实现挂索机构快速展开；在缩回阶段提供大阻尼，实现阻尼缓冲功能并保证挂索钩可靠挂索不脱钩。对提出的非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆建模，仿真分析其非对称阻尼特性与缩回压力冲击特性。经仿真和实验对比验证模型准确性。最后针对火箭着陆挂索工况，进行集成仿真验证。通过集成验证模型，分析不同阻尼参数对挂索过程的影响。结果表明，提出的非对称可变节流双级液压伸缩阻尼杆具有良好的非对称变阻尼特性，可以保证可靠挂索。研究成果为索式火箭回收系统中阻尼杆的设计与优化提供了理论依据和技术支持。

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航天构件加工移动式混联机器人颤振稳定域分析与铣削验证

引用格式: 刘争, 张泽, 张嘉骏, 谢福贵, 刘辛军. 航天构件加工移动式混联机器人颤振稳定域分析与铣削验证[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 195-203.

论文摘要：

航天典型铝合金结构件具有整体尺寸大、局部特征小的特点，对设备的大行程和高动态加工能力提出了挑战。通过“极限寻优法”，针对一种具有全向大范围移动能力、末端高动态性能的柱坐标移动式混联机器人，进行了切削颤振稳定叶瓣图分析、试验测定与铣削验证。首先，开展了颤振稳定域分析，确定了该移动式混联机器人在全行程范围内的切削能力最弱位姿；随后通过多向切削试验，验证了该测定结果的准确性；再根据航天典型结构件特征尺寸选定了试验刀具，并测定了该刀具在切削能力最弱位姿的极限切削能力；然后以此为依据设计航天结构件典型特征切削路径，并完成了铣削验证；最后以1:1产品样件进行了综合切削试验，验证了移动式混联机器人在航天典型铝合金结构件铣削加工中的应用可行性与技术先进性。

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电驱冗余点式分离机构设计与分析

引用格式:李龙, 周天送, 吕胜男, 于兵. 电驱冗余点式分离机构设计与分析[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 204-215.

论文摘要：

提出了一种非火工冗余锁紧释放机构，并基于该机构设计了一种集成锁紧功能的小型电驱点式分离装置。首先，系统阐述了冗余分离装置的总体结构设计，包括关键部件的布置方案及设计参数的计算方法。随后，建立了锁紧释放机构的动力学模型，并开展系统性仿真分析，重点探讨扭簧刚度、电磁铁响应特性与扳机解锁时间之间的相互作用。研究结果为锁紧释放机构的优化设计提供了理论支持，同时为电磁铁型号选择、电压参数设定、扭簧匹配及材料选用等工程决策提供了可靠指导。此外，对所设计的分离装置进行了多项实验验证，包括整机分离试验、承载能力测试及可靠性试验。实验结果表明，该装置具有优良的分离性能和较高的可靠性，能够在复杂工况下稳定运行，满足非火工分离技术的应用要求。其非火工特性和机构冗余解锁能力不仅提升了操作安全性，还使其在航天、机械自动化及应急设备等领域具有广泛的应用前景。

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挂索机构几何形状对火箭网系回收动力学的影响

引用格式:张欢, 阚镭, 周立梁, 陈彤, 宋晓东. 挂索机构几何形状对火箭网系回收动力学的影响[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 216-228.

论文摘要：

提出了一种基于二维符号距离场(Signed distance filed, SDF)的柔性绳索与轴向拉伸刚体精准高效接触检测方法，用于火箭网系回收系统中挂索机构与拦阻索的摩擦接触动力学计算，分析挂索机构几何形状对回收动力学的影响。利用轴向拉伸型物体的几何特点，将柔性绳索与具有复杂几何形状的轴向拉伸刚体之间的接触检测问题转换为二维问题。由SDF精准表征截面形状，通过离线生成高精度SDF和法线场，在线双三次插值接触参数计算，实现精准高效摩擦接触动力学计算，所提接触检测方法通过圆柱与绳索的接触动力学仿真和试验验证了准确性。针对捕获火箭的拦阻索入钩过程，建立了挂索机构与拦阻索系统多体动力学模型并针对不同的挂索机构几何形状进行了仿真计算，结果表明挂索机构截面几何形状直接影响挂索机构与拦阻索局部摩擦接触细节，特别在触网时刻，大圆角截面形状能有效降低触网冲击作用。

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直线加载的电动伺服机构试验台设计与控制

引用格式: 庞元龙, 李传扬, 胡昌华, 张泽明, 冷明哲, 王兆强. 直线加载的电动伺服机构试验台设计与控制[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 229-240.

论文摘要：

电动伺服机构作为固体火箭导航控制系统中的核心单机，其性能表现对航天装备的飞行安全起着决定性作用。为实现航天设备导航控制系统电动伺服机构加载试验，提出了一种直线加载的电动伺服机构试验台设计方案，通过额外伺服机构对冲的方式实现实时可变的模拟负载代替实物负载，完成多种工况和非线性载荷模拟。该试验台设计方案存在一定挑战，被测电动伺服机构与加载伺服对冲中容易相互破坏，既要实现正常功能，又要达到预期模拟负载，试验台驱动控制极为重要，因此提出了一种驱动控制方法，通过对伺服电机耦合比的调控，可实现对预期工况的高精度模拟。基于上述方案设计了试验台直线加载的机械结构及控制系统。通过加装温度、振动等传感器并通过双电机同步控制可实现对被测电动伺服机构多种负载模拟情况下的性能表现。试验结果表明：试验台能够通过数据实时采集反馈电动伺服机构系统运行状态，并可通过控制加载伺服系统模拟电动伺服机构航天设备在飞行过程中非线性负载情况，极大地降低了试验成本，助力航天设备安全飞行。

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柔性悬吊-倒立摆复合的多维准零刚度隔振方法与实验验证

引用格式:杨箫, 吴九林, 姜伟, 陈学东. 柔性悬吊-倒立摆复合的多维准零刚度隔振方法与实验验证[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 241-249.

论文摘要：

面向航天运载器等飞行器所搭载精密装备的多维超低频隔振需求，将柔性悬吊与负载质心下方相应位置固连，利用柔性悬吊的单摆效应与负载质心上移的倒立摆效应实现水平准零刚度，提出一种柔性悬吊-倒立摆复合的多维准零刚度隔振方法。建立了柔性悬吊-倒立摆复合隔振系统的振动方程，分析了其多维隔振特性。研究了悬吊刚度、负载悬吊点相对于负载质心的水平和垂向位置等关键参数对系统稳定性、固有频率及振动传递率的影响。结果表明：隔振系统的稳定性随悬吊刚度的降低、负载质心高度的增大、负载悬吊点水平间距的减小而降低，上述参数必须合理配置方可保证隔振系统的稳定性；对于给定的负载，系统垂向隔振性能主要由悬吊刚度决定，水平向高频隔振性能主要由悬吊工作长度决定，减小悬吊刚度及悬吊点间距、增大负载质心高度可提高水平向低频隔振性能；系统水平平动与翻转运动耦合，在主翻转振型对应固有频率附近频段存在反共振现象，利用该特性可在特定频段实现优异的水平隔振性能。搭建了实验样机，开展了隔振系统固有振动特性、振动传递率的测试，实验结果证明了理论分析的正确性。

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两级负阻抗电磁分流阻尼器多目标优化方法

引用格式: 杜永康, 严浩, 刘旭辉, 王有懿, 吕俊, 李昊峻, 吴嘉宁, 焦小磊. 两级负阻抗电磁分流阻尼器多目标优化方法[J]. 机械工程学报, 2026, 62(1): 250-261.

论文摘要：

运载火箭在发射和回收过程中面临复杂的动力学激励，易对箭体结构及整流罩内航天装备产生振动冲击，设计性能优良的减振缓冲器件显得尤为重要。负阻抗电磁分流阻尼器通过在电气回路中引入负阻抗，减小电路电阻，增加回路电流，从而增强电磁阻尼力的输出，提升减振缓冲性能。然而，在负阻抗电磁分流阻尼器设计过程中，存在电感、电阻和刚度权衡困难，设计效率低的问题。面向两级负阻抗电磁分流阻尼器优化设计难题，提出一种基于NSGA-II的多目标优化方法。通过推导两级负阻抗电磁分流阻尼器的共振放大倍数和高频衰减率目标函数，预先对弹簧片刚度进行仿真计算，确定合理的刚度约束范围，对电压超前相位角进行约束，以减少优化后的筛选量。仿真算例表明，采用所提出的优化方法，在满足二自由度系统共振放大倍数小于3 dB的基础上，能够分别实现在100 Hz处的正弦振动衰减率小于-40 dB、在200 Hz处小于-70 dB的目标，同时也验证了优化后的设计参数组合能够有效抑制冲击载荷。所提出的优化方法可用于负阻抗电磁分流阻尼器的多目标优化设计。