專家領銜策劃——運載火箭機構技術丨JME特邀專欄(上)

專欄導讀

機構是實現驅動、傳動與作動等功能化的重要機械產品。面向我國運載火箭載人登月、重復使用、商業發射與重型運載等發展需求，機構已成為重要的支撐技術。運載火箭機構技術愈發成為機械工程領域至關重要的研究主題。為推廣運載火箭機構設計、動力學分析、性能評估研究新成果。

為此，《機械工程學報》編輯部與客座編輯團隊聯合策劃出版“運載火箭機構技術”專欄。介紹我國運載火箭機構技術最新研究進展、總結學科發展脈絡及面臨的挑戰，以期促進運載火箭機構設計技術發展，推動機構學領域科技發展，實現機構技術對我國航天發射發展的進一步推動。專欄共收錄論文18篇，已于《機械工程學報》2026年1期正式出版。

客座專家團隊

高海波，哈爾濱工業大學校長助理、科學與工業技術研究院院長，機器人技術與系統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、足式移動機器人技術、宇航空間機構微低重力模擬技術研究，近年來主持國家重點研發計劃項目、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，發表論文110余篇，授權發明專利50余項，獲國家技術發明二等獎2項、省部級一等獎7項。中國專利銀獎1項。

石玉紅，北京宇航系統工程研究所專業技術管理委員會結構專業技術分委會主任。全國緊固件標準化技術委員會委員，通用零部件軍用標準化技術委員會委員。長期從事運載火箭結構與機構研制，先后突破了載人運載火箭逃逸飛行器結構、大型馮卡門整流罩為代表的一系列重大關鍵技術。主持國家重大基礎研究專項、科技部重點研發計劃及863計劃等項目。獲得國防科學技術等省部級獎一等獎一項，二等獎三項，三等獎四項。發表論文20篇，發明專利、國防專利17項。獲得第67屆德國紐倫堡國際發明金獎。榮獲全國“巾幗文明崗”、全國“三八紅旗手”等榮譽稱號。

張宏劍，北京宇航系統工程研究所機構專業副首席，負責完成我國運載火箭柵格舵機構、著陸緩沖機構等產品研發。中國機械工程學會高級會員，空間機構分委會委員。擔任《宇航學報》、《機械工程學報》、《動力學與控制學報》等期刊青年編委。入選中國科協青年人才托舉工程、中國科協中外優秀青年交流計劃。主持參與國家自然科學基金、中國科協學科發展等項目。發表論文30余篇，授權申請專利30余項。

于海濤，哈爾濱工業大學機電工程學院研究員。中國機械工程學會高級會員、美國電氣與電子工程師協會（IEEE）高級會員，長期從事宇航空間機構、特種機器人技術研究，主持承擔國家自然科學基金、科技部智能機器人重點研發計劃、深空探測重大專項等課題30余項，獲得黑龍江省科學技術發明一等獎2項。相關學術成果刊登在國際權威期刊Engineering、IEEE Trans. Robot. (T-RO)、IEEE Trans. Ind. Electron. (TIE)及頂級國際會議ICRA、IROS、CDC、ACC等，共發表學術論文50余篇，獲得國家授權發明專利36項，出版學術專著1部。

01

賦能運載火箭多功能化發展的機構技術與挑戰

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展的機構技術與挑戰[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 2-17.

論文摘要：

隨著航天技術的快速發展，運載火箭多功能化已成為未來航天運輸系統的重要發展方向。研究聚焦于賦能運載火箭多功能化發展的機構技術，系統闡述了其內涵、關鍵技術及面臨的挑戰。首先，分析了運載火箭多功能化的需求背景及發展趨勢，提出了機構技術是實現多功能化的核心支撐。其次，梳理了相關機構技術伴隨我國運載火箭發展的歷程以及不同階段機構專業發展特點，提出了運載火箭機構進入系統集成化發展新階段。然后，為探究機構技術未來發展，想定了兩級重復使用運載火箭登月任務場景，剖析了全任務剖面中著陸機構、氣動機構、伺服機構、變形機構、分離機構以及新型機構的發展新需求。最后，探討了機構技術在方案創新設計、性能系統驗證、服役可靠性評估以及智能化發展等方面面臨的新機遇與新挑戰。研究表明，機構技術的突破將有力提升運載火箭的任務適應性和經濟性，推動航天運輸系統向更高效、更可靠、更經濟的方向發展。

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02

可重復使用運載火箭著陸支腿機構技術綜述

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

論文摘要：

著陸支腿機構作為可重復使用運載火箭的關鍵技術之一，對實現火箭安全回收、降低成本以及推動航天運輸可持續發展具有重要意義。系統梳理了可重復使用運載火箭的發展歷程，重點圍繞支撐機構設計、理論建模、性能分析以及熱防護技術等領域開展分析與總結，論述了著陸支腿機構展開、鎖定以及緩沖技術的多樣化結構，總結了支撐機構的展開與著陸動力學建模方法。同時，結合靜態與動態試驗技術，系統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，探討了支腿結構面對再入熱環境的熱防護需求與相關技術方案。最后介紹了Space-X和Blue Origin公司在實際工程應用中的典型案例，分析了其在支撐機構設計與技術實踐中的經驗和創新?；诂F有研究成果，總結了未來可重復運載火箭支撐機構的發展方向。

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03

運載火箭機構動力學分析方法綜述

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

論文摘要：

近年來，運載火箭正向重型運載、可重復使用、多功能模塊化、高可靠性、商業化發射等方向發展，對運載火箭上執行特定功能的各類機構提出更高要求，亟需發展更加精確的運載火箭機構動力學分析方法。為全面梳理運載火箭機構動力學分析方法的發展現狀，從運載火箭機構動力學分析的特點出發，系統介紹運載火箭機構動力學分析中普遍使用的四類基礎理論，詳細介紹連接分離機構、著陸緩沖機構和氣動控制機構三類運載火箭典型機構的動力學分析方法，最后對運載火箭機構動力學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復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復用可靠性研究綜述與展望[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 59-78.

論文摘要：

在運載火箭執行任務過程中，分離機構作為關鍵部件，承擔著有效分離火箭各級結構的任務，其可靠性直接關系到整個火箭任務的成敗。近年來，隨著一次性運載火箭朝向可重復使用的發展趨勢，非火工分離機構因具有高可靠性和安全性等特點正得到逐步推廣與應用，亟需開展復用可靠性分析以期發揮其復用性優勢。詳細介紹了分離機構的定義、種類與工作原理，系統性地回顧了現有機構與結構可靠性研究的方法與意義，深入探討了現有的失效模式辨識方法與可靠性分析方法在復用型非火工分離機構上應用的不足，并展望了非火工分離機構復用可靠性研究的未來發展趨勢，旨在為復用型非火工分離機構系統可靠性分析理論研究與技術創新提供參考。

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05

高耗能密度高臨界速度的電渦流阻尼新技術及其在航天工程中的應用

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及其在航天工程中的應用[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 79-95.

論文摘要：

電渦流阻尼技術因其無需工作流體、非接觸且免維護的獨特優勢，在航天器高動態展開機構和深空探測移動平臺的振動控制領域展現出重要的工程應用價值。介紹了旋轉型和直線型兩種電渦流阻尼器(ECD)的基本結構及其應用前景，并從解析公式的角度總結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，為了實現高耗能密度并突破臨界速度制約，采用了參數優化設計、引入銅鐵合金導體材料、多本構曲線組合等方法，分別建立了設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、火箭柵格舵、攔阻索以及月球無人車懸架等典型應用場景的應用研究，分析了電渦流阻尼技術在航天領域的應用進展與發展趨勢。

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06

運載火箭分離與推沖機構綜述

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綜述[J]. 機械工程學報, 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行單元之一，分離與推沖機構的動作可靠性與分離精度直接影響航天發射任務的成敗。隨著各國航天任務復雜度與火箭運載能力的提升，分離與推沖機構在承載能力、響應速度及環境適應性等方面面臨更為嚴苛的技術要求，系統梳理了國內外運載火箭分離與推沖機構的應用與發展現狀，詳細介紹了多類作動形式下各分離與推沖機構工作原理與特點，回顧了運載火箭分離與推沖機構的動態特性、沖擊響應以及可靠性領域的發展，并介紹了部分典型機構的仿真分析技術，最后展望了運載火箭分離與推沖機構產品的發展趨勢，旨在為新一代運載火箭分離推沖系統的創新設計與產品系統性發展提供參考。

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07

考慮連接機構預緊作用的堆疊式多星組合體非線性動力學

引用格式: 李元恒, 范瑞祥, 楊帆, 張宏劍, 吳會強, 陳華偉. 考慮連接機構預緊作用的堆疊式多星組合體非線性動力學[J]. 機械工程學報, 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模星座建設的一箭多星發射布局方式，其中的平板衛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緊力將組合體壓緊；衛星間連接面導致了典型的組合體非線性結構動力學行為，因此如何建立合理的等效模型以及準確識別連接面參數，成為攻克這一關鍵技術的核心問題之一。針對這一問題，采用約束子結構超單元法建立了平板衛星的縮聚模型，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構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識別，設計了組合體的縮比物理模型，并基于該模型進行模態實驗，獲取了不同預緊力矩下的頻率響應函數。以薄層單元材料3個模量參數為優化變量，以組合體的前三階模態頻率為優化對象，識別了連接面剛度參數；以薄層單元材料阻尼系數為優化變量，以組合體頻響函數一階共振峰幅值為優化對象，識別了連接面阻尼參數。通過分析頻響函數曲線隨預緊力矩的變化情況，得出了預緊力矩對組合體非線性動力學特性的影響規律。

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08

面向變后掠飛行器的蜂窩結構設計與優化

引用格式:李先航, 龐勇, 張海瑞, 宋學官, 陽加遠, 方偉光. 面向變后掠飛行器的蜂窩結構設計與優化[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 137-147.

論文摘要：

蜂窩結構因具有良好的面內變形能力和法向承載能力，廣泛應用于變形飛行器設計中，使其能夠適應復雜的飛行環境。針對小展弦比飛行器變后掠翼的設計需求，提出了一種能夠沿極坐標環向變形的新型蜂窩結構。在極坐標系下描述了蜂窩單胞結構和整體結構的幾何模型，通過引入特征參數分析了結構的變尺度特性；通過建立有限元模型分析了蜂窩結構在環向變形的面內剛度和法向承載的面外剛度，仿真結果表明該結構能夠實現大范圍連續變形，并且具備較強的法向承載能力。針對蜂窩結構變形和承載能力的多目標優化問題，分析了結構特征參數對面內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遺傳優化算法(NSGAII-EHVI)對蜂窩結構進行優化設計，優化結果可為變后掠翼結構設計提供參考。

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09

h-BN形狀對Si3N4基復合陶瓷的高溫摩擦學性能影響研究

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基復合陶瓷的高溫摩擦學性能影響研究[J]. 機械工程學報, 2026, 62(1): 148-158.

論文摘要：

采用熱壓燒結技術制備出了Si3N4/h-BN自潤滑復合材料，并探究了不同形狀六方氮化硼對Si3N4/h-BN自潤滑復合材料相結構、微觀組織、力學性能與高溫摩擦性能的影響規律。結果表明：相比于片狀六方氮化硼，球狀六方氮化硼促進三維連續結構氮化硅基體的形成，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為是Si3N4/h-BN自潤滑復合材料的主要磨損機制。當三維結構復合材料(由球狀六方氮化硼制備)在800 ℃下與氮化硅對摩副摩擦時，具有高承載能力的連續氮化硅基體以及自潤滑、高熱穩定性的致密連續摩擦層的形成，使其比均質結構復合材料(由片狀六方氮化硼制備)的摩擦系數降低約23%，磨損率降低近一個數量級。

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責任編輯：杜蔚杰

責任校對：張 強

審 核：張 彤

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