專家領(lǐng)銜策劃——運載火箭機構(gòu)技術(shù)丨JME特邀專欄(上)

專欄導(dǎo)讀

機構(gòu)是實現(xiàn)驅(qū)動、傳動與作動等功能化的重要機械產(chǎn)品。面向我國運載火箭載人登月、重復(fù)使用、商業(yè)發(fā)射與重型運載等發(fā)展需求，機構(gòu)已成為重要的支撐技術(shù)。運載火箭機構(gòu)技術(shù)愈發(fā)成為機械工程領(lǐng)域至關(guān)重要的研究主題。為推廣運載火箭機構(gòu)設(shè)計、動力學(xué)分析、性能評估研究新成果。

為此，《機械工程學(xué)報》編輯部與客座編輯團隊聯(lián)合策劃出版“運載火箭機構(gòu)技術(shù)”專欄。介紹我國運載火箭機構(gòu)技術(shù)最新研究進展、總結(jié)學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)及面臨的挑戰(zhàn)，以期促進運載火箭機構(gòu)設(shè)計技術(shù)發(fā)展，推動機構(gòu)學(xué)領(lǐng)域科技發(fā)展，實現(xiàn)機構(gòu)技術(shù)對我國航天發(fā)射發(fā)展的進一步推動。專欄共收錄論文18篇，已于《機械工程學(xué)報》2026年1期正式出版。

客座專家團隊

高海波，哈爾濱工業(yè)大學(xué)校長助理、科學(xué)與工業(yè)技術(shù)研究院院長，機器人技術(shù)與系統(tǒng)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(shù)、足式移動機器人技術(shù)、宇航空間機構(gòu)微低重力模擬技術(shù)研究，近年來主持國家重點研發(fā)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(fā)表論文110余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余項，獲國家技術(shù)發(fā)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(tǒng)工程研究所專業(yè)技術(shù)管理委員會結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)分委會主任。全國緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員，通用零部件軍用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員。長期從事運載火箭結(jié)構(gòu)與機構(gòu)研制，先后突破了載人運載火箭逃逸飛行器結(jié)構(gòu)、大型馮卡門整流罩為代表的一系列重大關(guān)鍵技術(shù)。主持國家重大基礎(chǔ)研究專項、科技部重點研發(fā)計劃及863計劃等項目。獲得國防科學(xué)技術(shù)等省部級獎一等獎一項，二等獎三項，三等獎四項。發(fā)表論文20篇，發(fā)明專利、國防專利17項。獲得第67屆德國紐倫堡國際發(fā)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(tǒng)工程研究所機構(gòu)專業(yè)副首席，負(fù)責(zé)完成我國運載火箭柵格舵機構(gòu)、著陸緩沖機構(gòu)等產(chǎn)品研發(fā)。中國機械工程學(xué)會高級會員，空間機構(gòu)分委會委員。擔(dān)任《宇航學(xué)報》、《機械工程學(xué)報》、《動力學(xué)與控制學(xué)報》等期刊青年編委。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國科協(xié)中外優(yōu)秀青年交流計劃。主持參與國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)學(xué)科發(fā)展等項目。發(fā)表論文30余篇，授權(quán)申請專利30余項。

于海濤，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院研究員。中國機械工程學(xué)會高級會員、美國電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）高級會員，長期從事宇航空間機構(gòu)、特種機器人技術(shù)研究，主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、科技部智能機器人重點研發(fā)計劃、深空探測重大專項等課題30余項，獲得黑龍江省科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎2項。相關(guān)學(xué)術(shù)成果刊登在國際權(quán)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(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，獲得國家授權(quán)發(fā)明專利36項，出版學(xué)術(shù)專著1部。

01

賦能運載火箭多功能化發(fā)展的機構(gòu)技術(shù)與挑戰(zhàn)

引用格式:張宏劍, 石玉紅, 顧春輝, 徐方舟, 樂晨, 彭波, 郭嘉. 賦能運載火箭多功能化發(fā)展的機構(gòu)技術(shù)與挑戰(zhàn)[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 2-17.

論文摘要：

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，運載火箭多功能化已成為未來航天運輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。研究聚焦于賦能運載火箭多功能化發(fā)展的機構(gòu)技術(shù)，系統(tǒng)闡述了其內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)。首先，分析了運載火箭多功能化的需求背景及發(fā)展趨勢，提出了機構(gòu)技術(shù)是實現(xiàn)多功能化的核心支撐。其次，梳理了相關(guān)機構(gòu)技術(shù)伴隨我國運載火箭發(fā)展的歷程以及不同階段機構(gòu)專業(yè)發(fā)展特點，提出了運載火箭機構(gòu)進入系統(tǒng)集成化發(fā)展新階段。然后，為探究機構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展，想定了兩級重復(fù)使用運載火箭登月任務(wù)場景，剖析了全任務(wù)剖面中著陸機構(gòu)、氣動機構(gòu)、伺服機構(gòu)、變形機構(gòu)、分離機構(gòu)以及新型機構(gòu)的發(fā)展新需求。最后，探討了機構(gòu)技術(shù)在方案創(chuàng)新設(shè)計、性能系統(tǒng)驗證、服役可靠性評估以及智能化發(fā)展等方面面臨的新機遇與新挑戰(zhàn)。研究表明，機構(gòu)技術(shù)的突破將有力提升運載火箭的任務(wù)適應(yīng)性和經(jīng)濟性，推動航天運輸系統(tǒng)向更高效、更可靠、更經(jīng)濟的方向發(fā)展。

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02

可重復(fù)使用運載火箭著陸支腿機構(gòu)技術(shù)綜述

引用格式:田保林, 楊雪聰, 劉佳行, 閆振, 于海濤, 高海波, 鄧宗全. 可重復(fù)使用運載火箭著陸支腿機構(gòu)技術(shù)綜述[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 18-40.

論文摘要：

著陸支腿機構(gòu)作為可重復(fù)使用運載火箭的關(guān)鍵技術(shù)之一，對實現(xiàn)火箭安全回收、降低成本以及推動航天運輸可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。系統(tǒng)梳理了可重復(fù)使用運載火箭的發(fā)展歷程，重點圍繞支撐機構(gòu)設(shè)計、理論建模、性能分析以及熱防護技術(shù)等領(lǐng)域開展分析與總結(jié)，論述了著陸支腿機構(gòu)展開、鎖定以及緩沖技術(shù)的多樣化結(jié)構(gòu)，總結(jié)了支撐機構(gòu)的展開與著陸動力學(xué)建模方法。同時，結(jié)合靜態(tài)與動態(tài)試驗技術(shù)，系統(tǒng)分析了著陸支腿展開可靠性、承載能力和緩沖性能的試驗方法，探討了支腿結(jié)構(gòu)面對再入熱環(huán)境的熱防護需求與相關(guān)技術(shù)方案。最后介紹了Space-X和Blue Origin公司在實際工程應(yīng)用中的典型案例，分析了其在支撐機構(gòu)設(shè)計與技術(shù)實踐中的經(jīng)驗和創(chuàng)新。基于現(xiàn)有研究成果，總結(jié)了未來可重復(fù)運載火箭支撐機構(gòu)的發(fā)展方向。

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03

運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析方法綜述

引用格式:林撼昕, 劉才山. 運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析方法綜述[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 41-58.

論文摘要：

近年來，運載火箭正向重型運載、可重復(fù)使用、多功能模塊化、高可靠性、商業(yè)化發(fā)射等方向發(fā)展，對運載火箭上執(zhí)行特定功能的各類機構(gòu)提出更高要求，亟需發(fā)展更加精確的運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析方法。為全面梳理運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析方法的發(fā)展現(xiàn)狀，從運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析的特點出發(fā)，系統(tǒng)介紹運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析中普遍使用的四類基礎(chǔ)理論，詳細(xì)介紹連接分離機構(gòu)、著陸緩沖機構(gòu)和氣動控制機構(gòu)三類運載火箭典型機構(gòu)的動力學(xué)分析方法，最后對運載火箭機構(gòu)動力學(xué)分析方法的未來研究工作進行展望。

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04

運載火箭非火工分離機構(gòu)復(fù)用可靠性研究綜述與展望

引用格式: 撒國棟, 王棟, 劉振宇, 孫嘉誠, 侯明杰, 李志男, 譚建榮. 運載火箭非火工分離機構(gòu)復(fù)用可靠性研究綜述與展望[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 59-78.

論文摘要：

在運載火箭執(zhí)行任務(wù)過程中，分離機構(gòu)作為關(guān)鍵部件，承擔(dān)著有效分離火箭各級結(jié)構(gòu)的任務(wù)，其可靠性直接關(guān)系到整個火箭任務(wù)的成敗。近年來，隨著一次性運載火箭朝向可重復(fù)使用的發(fā)展趨勢，非火工分離機構(gòu)因具有高可靠性和安全性等特點正得到逐步推廣與應(yīng)用，亟需開展復(fù)用可靠性分析以期發(fā)揮其復(fù)用性優(yōu)勢。詳細(xì)介紹了分離機構(gòu)的定義、種類與工作原理，系統(tǒng)性地回顧了現(xiàn)有機構(gòu)與結(jié)構(gòu)可靠性研究的方法與意義，深入探討了現(xiàn)有的失效模式辨識方法與可靠性分析方法在復(fù)用型非火工分離機構(gòu)上應(yīng)用的不足，并展望了非火工分離機構(gòu)復(fù)用可靠性研究的未來發(fā)展趨勢，旨在為復(fù)用型非火工分離機構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析理論研究與技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

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05

高耗能密度高臨界速度的電渦流阻尼新技術(shù)及其在航天工程中的應(yīng)用

引用格式:陳政清, 楊文斌, 王辰, 張宏劍, 王文熙, 張弘毅. 高耗能密度高臨界速度的電渦流阻尼新技術(shù)及其在航天工程中的應(yīng)用[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 79-95.

論文摘要：

電渦流阻尼技術(shù)因其無需工作流體、非接觸且免維護的獨特優(yōu)勢，在航天器高動態(tài)展開機構(gòu)和深空探測移動平臺的振動控制領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的工程應(yīng)用價值。介紹了旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種電渦流阻尼器(ECD)的基本結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用前景，并從解析公式的角度總結(jié)和分析了永磁場源和電磁場源電渦流阻尼器的阻尼特性。此外，為了實現(xiàn)高耗能密度并突破臨界速度制約，采用了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、引入銅鐵合金導(dǎo)體材料、多本構(gòu)曲線組合等方法，分別建立了設(shè)計理論且完成了試驗驗證。基于上述研究，開展了著陸緩沖機構(gòu)、火箭柵格舵、攔阻索以及月球無人車懸架等典型應(yīng)用場景的應(yīng)用研究，分析了電渦流阻尼技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進展與發(fā)展趨勢。

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06

運載火箭分離與推沖機構(gòu)綜述

引用格式:郭曉霏, 李偉豪, 楊飛, 岳洪浩, 鄧宗全. 運載火箭分離與推沖機構(gòu)綜述[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 96-124.

論文摘要：

作為運載火箭多功能化體系的核心執(zhí)行單元之一，分離與推沖機構(gòu)的動作可靠性與分離精度直接影響航天發(fā)射任務(wù)的成敗。隨著各國航天任務(wù)復(fù)雜度與火箭運載能力的提升，分離與推沖機構(gòu)在承載能力、響應(yīng)速度及環(huán)境適應(yīng)性等方面面臨更為嚴(yán)苛的技術(shù)要求，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外運載火箭分離與推沖機構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了多類作動形式下各分離與推沖機構(gòu)工作原理與特點，回顧了運載火箭分離與推沖機構(gòu)的動態(tài)特性、沖擊響應(yīng)以及可靠性領(lǐng)域的發(fā)展，并介紹了部分典型機構(gòu)的仿真分析技術(shù)，最后展望了運載火箭分離與推沖機構(gòu)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢，旨在為新一代運載火箭分離推沖系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計與產(chǎn)品系統(tǒng)性發(fā)展提供參考。

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07

考慮連接機構(gòu)預(yù)緊作用的堆疊式多星組合體非線性動力學(xué)

引用格式: 李元恒, 范瑞祥, 楊帆, 張宏劍, 吳會強, 陳華偉. 考慮連接機構(gòu)預(yù)緊作用的堆疊式多星組合體非線性動力學(xué)[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 125-136.

論文摘要：

堆疊式多星組合體是一種適合于大規(guī)模星座建設(shè)的一箭多星發(fā)射布局方式，其中的平板衛(wèi)星通過分布在四周的承力柱，上下相鄰兩層間接觸連接，并通過在頂層施加軸向預(yù)緊力將組合體壓緊；衛(wèi)星間連接面導(dǎo)致了典型的組合體非線性結(jié)構(gòu)動力學(xué)行為，因此如何建立合理的等效模型以及準(zhǔn)確識別連接面參數(shù)，成為攻克這一關(guān)鍵技術(shù)的核心問題之一。針對這一問題，采用約束子結(jié)構(gòu)超單元法建立了平板衛(wèi)星的縮聚模型，采用薄層單元法建立了連接面等效模型，并通過約束條件對子結(jié)構(gòu)進行裝配從而建立了整體的簡化有限元模型。為驗證建立的有限元模型的正確性，以及進行連接面的參數(shù)識別，設(shè)計了組合體的縮比物理模型，并基于該模型進行模態(tài)實驗，獲取了不同預(yù)緊力矩下的頻率響應(yīng)函數(shù)。以薄層單元材料3個模量參數(shù)為優(yōu)化變量，以組合體的前三階模態(tài)頻率為優(yōu)化對象，識別了連接面剛度參數(shù)；以薄層單元材料阻尼系數(shù)為優(yōu)化變量，以組合體頻響函數(shù)一階共振峰幅值為優(yōu)化對象，識別了連接面阻尼參數(shù)。通過分析頻響函數(shù)曲線隨預(yù)緊力矩的變化情況，得出了預(yù)緊力矩對組合體非線性動力學(xué)特性的影響規(guī)律。

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08

面向變后掠飛行器的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

引用格式:李先航, 龐勇, 張海瑞, 宋學(xué)官, 陽加遠(yuǎn), 方偉光. 面向變后掠飛行器的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 137-147.

論文摘要：

蜂窩結(jié)構(gòu)因具有良好的面內(nèi)變形能力和法向承載能力，廣泛應(yīng)用于變形飛行器設(shè)計中，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境。針對小展弦比飛行器變后掠翼的設(shè)計需求，提出了一種能夠沿極坐標(biāo)環(huán)向變形的新型蜂窩結(jié)構(gòu)。在極坐標(biāo)系下描述了蜂窩單胞結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的幾何模型，通過引入特征參數(shù)分析了結(jié)構(gòu)的變尺度特性；通過建立有限元模型分析了蜂窩結(jié)構(gòu)在環(huán)向變形的面內(nèi)剛度和法向承載的面外剛度，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍連續(xù)變形，并且具備較強的法向承載能力。針對蜂窩結(jié)構(gòu)變形和承載能力的多目標(biāo)優(yōu)化問題，分析了結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對面內(nèi)剛度和面外剛度的影響，并提出了一種基于期望超體積改進的多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法(NSGAII-EHVI)對蜂窩結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化結(jié)果可為變后掠翼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

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09

h-BN形狀對Si3N4基復(fù)合陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能影響研究

引用格式: 藺鵬宇, 李濤, 宋俊杰, 毛宇, 章子怡, 游鑫, 胡麗天, 張永勝. h-BN形狀對Si3N4基復(fù)合陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能影響研究[J]. 機械工程學(xué)報, 2026, 62(1): 148-158.

論文摘要：

采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出了Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料，并探究了不同形狀六方氮化硼對Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料相結(jié)構(gòu)、微觀組織、力學(xué)性能與高溫摩擦性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：相比于片狀六方氮化硼，球狀六方氮化硼促進三維連續(xù)結(jié)構(gòu)氮化硅基體的形成，使其抗彎強度((369±15.6) MPa)和斷裂韌性((5.3±0.78) MPa·m1/2)均提高了8%左右。在高溫摩擦過程中，磨粒磨損和脆性斷裂被認(rèn)為是Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料的主要磨損機制。當(dāng)三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(由球狀六方氮化硼制備)在800 ℃下與氮化硅對摩副摩擦?xí)r，具有高承載能力的連續(xù)氮化硅基體以及自潤滑、高熱穩(wěn)定性的致密連續(xù)摩擦層的形成，使其比均質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(由片狀六方氮化硼制備)的摩擦系數(shù)降低約23%，磨損率降低近一個數(shù)量級。

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責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對：張 強

審 核：張 彤

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