無傷智造“呼吸孔”、太空爬行機器人亮相，南航“天宮杯”競逐科創(chuàng)未來
來源： 紫牛新聞
2025-11-14 21:27:00
靜音離子風(fēng)飛艇、電動自行車無線充電系統(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)新實驗競賽現(xiàn)場，70項前沿創(chuàng)新成果同臺競技。
本屆參賽項目緊密圍繞國家重大戰(zhàn)略需求與尖端科技領(lǐng)域，涵蓋空天飛行器、能源動力、通信導(dǎo)航、傳感檢測、智能機器人、先進材料、醫(yī)工交叉等多個方向。
劉莉 攝
“復(fù)合微創(chuàng)術(shù)”攻克葉片“隱形疤痕”
經(jīng)過激烈角逐，“匠心‘孔’鑄”團隊?wèi){借其“放電-電解無傷智造技術(shù)與裝備”項目斬獲賽事特等獎。該成果直指航空發(fā)動機高壓渦輪葉片氣膜冷卻孔的制造難題，團隊在國際上首創(chuàng)放電-電解復(fù)合加工方法，實現(xiàn)了孔壁100%無損傷、高效率、低成本的加工，為破解高端制造領(lǐng)域的“卡脖子”問題提供了創(chuàng)新方案。
在大國重器航空發(fā)動機及飛機飛控功率構(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。
面對挑戰(zhàn)，團隊在國際上首創(chuàng)了“放電-電解復(fù)合加工”方法。團隊成員楊宗舉將其生動地比喻為一套“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’——‘先鋒爆破手’（放電加工）在前端高效開路，而‘精細修復(fù)師’（電解加工）則在側(cè)壁同步進行離子級的‘微量修復(fù)’，精準去除疤痕。”
楊宗舉表示，“最關(guān)鍵的是，我們的‘爆破’與‘修復(fù)’是同步進行、一氣呵成的。這得益于對溶液，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，實現(xiàn)了‘邊開路、邊修復(fù)’，從根本上解決了效率與質(zhì)量難以兼顧的矛盾。”
據(jù)悉，該技術(shù)已成功制備出多種航空航天關(guān)鍵部件，實現(xiàn)孔壁100%無重鑄層，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。“凡是需要在‘硬骨頭’材料上打出高質(zhì)量孔洞的地方，比如火箭發(fā)動機、重型燃氣輪機等等，都是我們技術(shù)大顯身手的地方?！?/p>
“在軌工匠”機器人守護未來空間站
在中國空間站遨游寰宇的未來圖景里，如何讓航天員更安全、讓大型空間設(shè)施運維更高效？航空學(xué)院的“兩足空間桁架機器人”項目團隊給出了他們的答案：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)險的外部檢修作業(yè)。
“機器人可以通過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。”團隊學(xué)生負責(zé)人李靜波介紹道，“爬行移動方式能量消耗相對低，能讓機器人在軌持續(xù)工作更長時間，覆蓋范圍也更廣。這對于需要長期運維的大型空間結(jié)構(gòu)來說，意味著更高的效率和更低的成本?！?/p>
這款機器人不僅會“走”，更會“干活”。憑借巧妙的設(shè)計，它能根據(jù)任務(wù)需求靈活切換角色：定點作業(yè)時，它單爪緊抓桁架，化身為一臺穩(wěn)定的七自由度機械臂，足以完成擰螺絲、換設(shè)備等精細操作。轉(zhuǎn)移陣地時，它雙爪交替，又變身為靈活的移動機器人，承擔(dān)起運輸物資、巡查檢修的任務(wù)。
面對太空任務(wù)的高可靠性要求，團隊采用了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法進行研發(fā)。當(dāng)出現(xiàn)新的維修任務(wù)或空間站結(jié)構(gòu)升級時，他們能快速調(diào)整設(shè)計方案、仿真驗證，迅速生成適應(yīng)新場景的最優(yōu)方案?！斑@就像為機器人配備了‘快速進化’的能力，”團隊成員表示，“確保了我們的設(shè)計能跟上中國空間站未來發(fā)展的腳步?！?/p>
為無人系統(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)星信號被高樓遮擋、干擾或失效時，各類無人設(shè)備將如何實現(xiàn)精準導(dǎo)航？自動化學(xué)院一支科研團隊成功研制出一套基于無人車載平臺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”如同一個精準的“星空指南針”，通過拍攝夜空星圖并與內(nèi)置星庫進行匹配，能實時計算出載體自身在空間中的精確姿態(tài)。
團隊成員張新睿介紹，團隊突破了三項關(guān)鍵技術(shù)：一是提出了新型天文定姿算法，降低了對可見導(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)航信號在時序和可用性上的異步與多變問題；三是成功搭建了高度集成的車載導(dǎo)航平臺，實現(xiàn)了多種傳感器信息的有效整合與長時間穩(wěn)定工作。
目前，該技術(shù)已在地面移動平臺上完成原理驗證。未來，這項技術(shù)不僅可應(yīng)用于衛(wèi)星信號受限的無人駕駛領(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，有望為我國未來空天探索與安全應(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)新實踐品牌活動，競賽舉辦14年來，參賽隊伍已達800余支，參賽研究生4000余人。南京航空航天大學(xué)研究生院副院長劉向雷介紹，多年來，“天宮杯”培育的創(chuàng)新項目屢屢在中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽、全國“挑戰(zhàn)杯”、“中航工業(yè)杯”國際無人機創(chuàng)新大賽等系列賽事中摘得最高獎項。不少項目已開花結(jié)果，成為推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的“活水”。學(xué)校還特別邀請了一批產(chǎn)業(yè)教授加入評審和指導(dǎo)，希望把產(chǎn)業(yè)的“真問題”和市場的“新需求”直接帶到同學(xué)們面前，讓創(chuàng)新更具生命力。
揚子晚報/紫牛新聞記者 楊甜子
校對 朱亞萍