無(wú)傷智造“呼吸孔”、太空爬行機(jī)器人亮相，南航“天宮杯”競(jìng)逐科創(chuàng)未來(lái)
來(lái)源： 紫牛新聞
2025-11-14 21:27:00
靜音離子風(fēng)飛艇、電動(dòng)自行車無(wú)線充電系統(tǒng)、地-空-壁變構(gòu)型電磁吸附式特種飛行器……11月14日，南京航空航天大學(xué)第十四屆“天宮杯”研究生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽現(xiàn)場(chǎng)，70項(xiàng)前沿創(chuàng)新成果同臺(tái)競(jìng)技。
本屆參賽項(xiàng)目緊密圍繞國(guó)家重大戰(zhàn)略需求與尖端科技領(lǐng)域，涵蓋空天飛行器、能源動(dòng)力、通信導(dǎo)航、傳感檢測(cè)、智能機(jī)器人、先進(jìn)材料、醫(yī)工交叉等多個(gè)方向。
劉莉 攝
“復(fù)合微創(chuàng)術(shù)”攻克葉片“隱形疤痕”
經(jīng)過(guò)激烈角逐，“匠心‘孔’鑄”團(tuán)隊(duì)?wèi){借其“放電-電解無(wú)傷智造技術(shù)與裝備”項(xiàng)目斬獲賽事特等獎(jiǎng)。該成果直指航空發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪葉片氣膜冷卻孔的制造難題，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首創(chuàng)放電-電解復(fù)合加工方法，實(shí)現(xiàn)了孔壁100%無(wú)損傷、高效率、低成本的加工，為破解高端制造領(lǐng)域的“卡脖子”問(wèn)題提供了創(chuàng)新方案。
在大國(guó)重器航空發(fā)動(dòng)機(jī)及飛機(jī)飛控功率構(gòu)件的核心部位，布滿了為渦輪葉片降溫的“呼吸孔”與飛控功率構(gòu)件物質(zhì)傳輸?shù)摹吧住?。然而，傳統(tǒng)電火花加工會(huì)在孔壁留下“重鑄層”的致命“隱形疤痕”，其內(nèi)部微裂紋可能加速導(dǎo)致葉片及飛控功率構(gòu)件的疲勞斷裂，這是制約高端制造的“卡脖子”難題。
面對(duì)挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上首創(chuàng)了“放電-電解復(fù)合加工”方法。團(tuán)隊(duì)成員楊宗舉將其生動(dòng)地比喻為一套“復(fù)合微創(chuàng)修復(fù)術(shù)”：“這好比派出了一支‘特種手術(shù)隊(duì)’——‘先鋒爆破手’（放電加工）在前端高效開(kāi)路，而‘精細(xì)修復(fù)師’（電解加工）則在側(cè)壁同步進(jìn)行離子級(jí)的‘微量修復(fù)’，精準(zhǔn)去除疤痕?！?/p>
楊宗舉表示，“最關(guān)鍵的是，我們的‘爆破’與‘修復(fù)’是同步進(jìn)行、一氣呵成的。這得益于對(duì)溶液，間隙和參數(shù)的精確調(diào)控，讓兩種加工方式在各自最適合的空間里協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了‘邊開(kāi)路、邊修復(fù)’，從根本上解決了效率與質(zhì)量難以兼顧的矛盾?！?/p>
據(jù)悉，該技術(shù)已成功制備出多種航空航天關(guān)鍵部件，實(shí)現(xiàn)孔壁100%無(wú)重鑄層，讓關(guān)鍵部件的疲勞壽命得到提升。相較傳統(tǒng)工藝，其加工效率大幅提升，成本顯著降低?！胺彩切枰凇补穷^’材料上打出高質(zhì)量孔洞的地方，比如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、重型燃?xì)廨啓C(jī)等等，都是我們技術(shù)大顯身手的地方。”
“在軌工匠”機(jī)器人守護(hù)未來(lái)空間站
在中國(guó)空間站遨游寰宇的未來(lái)圖景里，如何讓航天員更安全、讓大型空間設(shè)施運(yùn)維更高效？航空學(xué)院的“兩足空間桁架機(jī)器人”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)給出了他們的答案：研制一款能在空間站桁架結(jié)構(gòu)上自主“爬行”的機(jī)器人，猶如一位永不知疲倦的 “在軌工匠” ，代替航天員執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)的外部檢修作業(yè)。
“機(jī)器人可以通過(guò)身體兩端智能夾爪的交替固定與釋放，在復(fù)雜的桁架結(jié)構(gòu)上一步一步爬行?！眻F(tuán)隊(duì)學(xué)生負(fù)責(zé)人李靜波介紹道，“爬行移動(dòng)方式能量消耗相對(duì)低，能讓機(jī)器人在軌持續(xù)工作更長(zhǎng)時(shí)間，覆蓋范圍也更廣。這對(duì)于需要長(zhǎng)期運(yùn)維的大型空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，意味著更高的效率和更低的成本?！?/p>
這款機(jī)器人不僅會(huì)“走”，更會(huì)“干活”。憑借巧妙的設(shè)計(jì)，它能根據(jù)任務(wù)需求靈活切換角色：定點(diǎn)作業(yè)時(shí)，它單爪緊抓桁架，化身為一臺(tái)穩(wěn)定的七自由度機(jī)械臂，足以完成擰螺絲、換設(shè)備等精細(xì)操作。轉(zhuǎn)移陣地時(shí)，它雙爪交替，又變身為靈活的移動(dòng)機(jī)器人，承擔(dān)起運(yùn)輸物資、巡查檢修的任務(wù)。
面對(duì)太空任務(wù)的高可靠性要求，團(tuán)隊(duì)采用了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法進(jìn)行研發(fā)。當(dāng)出現(xiàn)新的維修任務(wù)或空間站結(jié)構(gòu)升級(jí)時(shí)，他們能快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案、仿真驗(yàn)證，迅速生成適應(yīng)新場(chǎng)景的最優(yōu)方案?！斑@就像為機(jī)器人配備了‘快速進(jìn)化’的能力，”團(tuán)隊(duì)成員表示，“確保了我們的設(shè)計(jì)能跟上中國(guó)空間站未來(lái)發(fā)展的腳步。”
為無(wú)人系統(tǒng)裝上“導(dǎo)航備份大腦”
在北斗、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日益成熟的今天，人們或許很少思考：當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)被高樓遮擋、干擾或失效時(shí)，各類無(wú)人設(shè)備將如何實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航？自動(dòng)化學(xué)院一支科研團(tuán)隊(duì)成功研制出一套基于無(wú)人車載平臺(tái)的高精度多源融合自主導(dǎo)航系統(tǒng)，為解決這一“衛(wèi)星失靈”困境提供了創(chuàng)新方案。
該系統(tǒng)創(chuàng)新性地將慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航與天文導(dǎo)航三者深度融合，構(gòu)建了一套協(xié)同工作的“導(dǎo)航備份大腦”。其核心設(shè)備“星敏感器”如同一個(gè)精準(zhǔn)的“星空指南針”，通過(guò)拍攝夜空星圖并與內(nèi)置星庫(kù)進(jìn)行匹配，能實(shí)時(shí)計(jì)算出載體自身在空間中的精確姿態(tài)。
團(tuán)隊(duì)成員張新睿介紹，團(tuán)隊(duì)突破了三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是提出了新型天文定姿算法，降低了對(duì)可見(jiàn)導(dǎo)航恒星數(shù)量的依賴，提升了天文導(dǎo)航的可用性；二是設(shè)計(jì)了基于因子圖的多源融合導(dǎo)航方法，巧妙解決了不同導(dǎo)航信號(hào)在時(shí)序和可用性上的異步與多變問(wèn)題；三是成功搭建了高度集成的車載導(dǎo)航平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多種傳感器信息的有效整合與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。
目前，該技術(shù)已在地面移動(dòng)平臺(tái)上完成原理驗(yàn)證。未來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)不僅可應(yīng)用于衛(wèi)星信號(hào)受限的無(wú)人駕駛領(lǐng)域，更將為空天往返飛行器等航天器在復(fù)雜太空環(huán)境中提供可靠的全天候自主導(dǎo)航能力，有望為我國(guó)未來(lái)空天探索與安全應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
據(jù)介紹，“天宮杯”是南航研究生特色創(chuàng)新實(shí)踐品牌活動(dòng)，競(jìng)賽舉辦14年來(lái)，參賽隊(duì)伍已達(dá)800余支，參賽研究生4000余人。南京航空航天大學(xué)研究生院副院長(zhǎng)劉向雷介紹，多年來(lái)，“天宮杯”培育的創(chuàng)新項(xiàng)目屢屢在中國(guó)國(guó)際大學(xué)生創(chuàng)新大賽、全國(guó)“挑戰(zhàn)杯”、“中航工業(yè)杯”國(guó)際無(wú)人機(jī)創(chuàng)新大賽等系列賽事中摘得最高獎(jiǎng)項(xiàng)。不少項(xiàng)目已開(kāi)花結(jié)果，成為推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“活水”。學(xué)校還特別邀請(qǐng)了一批產(chǎn)業(yè)教授加入評(píng)審和指導(dǎo)，希望把產(chǎn)業(yè)的“真問(wèn)題”和市場(chǎng)的“新需求”直接帶到同學(xué)們面前，讓創(chuàng)新更具生命力。
揚(yáng)子晚報(bào)/紫牛新聞?dòng)浾? 楊甜子
校對(duì) 朱亞萍