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用于低雷诺流应用的空气动力和力矩平衡设计、制造和测试
图 1-1：RIT 的风洞测试第 3 部分图 1-2：RIT 的闭路风洞图 5 图 2-1：用于测量三维流体动力的实验仪器。 （Sunada 等 [5]） 6 图 2-2：实验研究中使用的天平示意图 [3] 8 图 3-1：风轴参考系 14 图 3-2：体轴参考系 15 图 3-3：升力和阻力天平的装配图 16 图 3-4：用于测量升力的天平配置 17 图 3-5：用于测量阻力的天平配置 17 图 3-6：力矩分析图 - 升力配置 22 图 3-7：阻力天平配置的力矩分析图 23 图 3-8：俯仰和滚转力矩天平的装配图 24 图 3-9：俯仰和滚转力矩天平的测试平台装配图 25 图 3-10：装配式焊条测试平台 26 图 3-11：俯仰力矩天平配置 28 图 3-12：滚动力矩天平配置 28 图3-13: 俯仰力矩分析图 29 图 3-14: 滚转力矩分析图 30 图 4-1: 实验元素图 34 图 4-2: 升力配置 36 图 4-3: 阻力配置 36 图 4-4: 俯仰力矩配置 38 图 4-5: 滚转力矩配置 38 图 4-6: 平板力矩校准图（零速度且无翼型） 40 图 4-7: 平板俯仰力矩数据 40 图 4-8: 俯仰实验测试平台设置 42 图 4-9: LinAir 涡流面板法翼型 44 图 4-10: 二面角和滚转力矩系数 45 图 5-1: 升力和系数的实验值 53 图 5-2: 实验升力数据与已发布数据的比较 55 图 5-3: 实验阻力数据 56 图5-4：实验阻力数据与公布数据的比较 57 图 5-5：实验俯仰力矩数据 58 图 5-6：俯仰力矩实验值和公布值 60 图 5-7：实验数据；滚动力矩 61 图 5-9：滚动力矩系数与分析模型的比较 62 图 7-1：附加质量的平衡设计 68
TESSERAE 大型空间结构项目
• 制造按比例缩小的机电基元：为测试组装和构造概念，在实验室中构建了约 1:50 的缩小实验硬件平台。最受探索的几何形状之一“巴基球”提供了高效的表面积与体积比，接近球体。对于太空应用，考虑到将预制表面覆层发射到轨道的成本高昂，最好在给定表面积下最大化体积。这些结构基元允许快速进行原型设计、迭代，以及通过几何和磁性对结构粘合的物理和机电特性进行评估。具体而言，瓦片之间的二面角粘合角为巴基球或其他封闭形状建立了适当的壳几何形状，磁体行为由计算代码和每个瓦片中的电力电子设备控制。主要构建两种类型的基元：可自组装成空心结构的壳瓦片，例如巴基球的五边形和六边形瓦片（图 1）；和细胞节点（即准六面体）可自组装成填充空间的设计，例如截角八面体线的堆叠。我们使用了多种 3D 打印技术来制造外壳，为了获得更精确的公差，我们优先使用光固化光聚合物打印机。这些瓷砖通过电池和超级电容器组合供电，在我们最新的国际空间站 (ISS) 测试原型上，其规格为 2 到 3 秒内产生 20 W 脉冲（图 2）。一套定制的电子元件（包括传感器、LED、中央处理器和数据存储器）安装在预制的 PCB（印刷电路板）上，这些 PCB 运行 Python 和 C++ 中的自组装算法代码。 • 微重力测试：这些微型平台随后在微重力环境中进行测试，测试范围从抛物线“零重力”飞行中反复出现的 15-20 秒失重期，到亚轨道火箭实验室内三分钟的漂浮，再到国际空间站上为期多天的轨道任务（图 3）。当被释放到这些微重力环境中漂浮时，瓷砖会记录传感器数据，摄像头会捕捉镜头进行分析，为下一系列迭代原型提供信息。这些微重力测试对于全面了解在优化的瓷砖质量与磁场强度比下的自组装行为至关重要。对于国际空间站任务，要么使用密闭实验箱进行纯自主轨道测试，瓷砖必须在其中自行启动，要么在宇航员看管的实验中将瓷砖释放到开放过道中，以获得更大的测试空间。 3 为了补充小规模硬件测试，我们使用了一套机器人模拟软件（特别是 Cyberbotics 的 WeBots）来生成人类居住规模的轨道上自组装行为的数学严格模型。