内编队中残余气体对内卫星的干扰分析和计算

在内编队系统中,内卫星在外卫星的封闭腔体内自由飞行,其轨道是纯引力轨道.由于腔体内温度的不均匀和内卫星与腔体的相对运动,腔体内的残余气体对内卫星产生干扰作用.本文基于自由分子流理论推导了残余气体分子对内卫星的干扰作用表达式,包含了辐射计效应、气体阻尼作用.同时,对腔体和内卫星构成的系统进行传热分析,得到了腔体内壁和内卫星表面的温度分布;对内编队保持控制进行仿真,得到了内卫星的相对运动速度.根据较为真实的温度分布和相对运动速度,计算了内卫星受到的残余气体作用力.计算结果表明,在内编队当前设计下,辐射计效应量级为1011ms2,气体阻尼量级为1015ms2,残余气体的干扰作用主要表现为辐射计效应.     

内编队重力场测量卫星全推力姿轨一体化控制研究

内编队重力场测量卫星作为一种新概念的纯引力轨道飞行器,通过精密定轨和相对状态测量实现高精度地球重力场测量.其中对外卫星的控制保持编队内卫星在纯引力轨道上稳定飞行是决定测量水平的关键因素之一.针对稳态工作模式的内编队系统,研究了仅用推力器实现姿态轨道一体化控制的问题,构建了姿态非线性和共用推力器引起的姿态轨道耦合的六自由度平动和转动动力学模型,并基于约束非线性模型预测技术建立了姿轨一体化控制的二次型优化模型.通过仿真实验可知,约束非线性模型预测控制方法计算快速,能克服部分约束条件的非凸性;推力器布局合理,推力消耗低,满足内编队系统任务需求.     

一种计算圆形限制性三体问题周期轨道的新方法

周期轨道是理解圆形限制性三体问题动力系统的关键，在深空探测实践中具有重要的应用价值，现有的周期轨道计算方法通常需要以高阶近似解析解作为迭代初值，计算过程复杂且能得到的周期轨道种类较少．本文利用圆形限制性三体问题的对称性，通过构造相空间内的一类流函数，将位于对称平面上的状态再次映射到该对称面上，得到了计算周期轨道的构造流函数方法，该方法不需要以近似解析解作为迭代初值，也不需要计算状态转移矩阵，从而便于编程实现，其优点是不受圆形限制性三体问题非线性的影响，并可以系统地计算一大类具有x-z平面对称性的周期轨道．作为箅例，在平面情况下计算了Lyapunov轨道等周期轨道，并进一步将构造流函数方法与微分校正方法结合，设计了能在不同共振频率上跳转的共振引力加速轨道，最后，在三维空间情况下计算了晕轨道和多种三维周期轨道，证明了该方法的有效性．     

轴流转桨式水轮机压力脉动数值预测

首先利用修正模型系数的RNGκ-ε湍流模型对轴流转桨式模型水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算，经与模型实验结果对比，表明所采用的数值方法和计算结果是准确可靠的．进一步对比分析原型和模型水轮机的计算结果，可以看出原型水轮机压力脉动和模型水轮机压力脉动具有相同的传播规律，但是幅值并不存在相似关系．考虑机组的实际运行状态，在最后部分给出了在考虑转轮流固耦合效应影响下，预估的原型轴流转浆式水轮机压力脉动结果．通过与未考虑流固耦合效应影响的计算结果对比，发现叶片的弹性变形对于水轮机压力脉动的频率和振幅都有降低作用．     

轨道预报的一种乘法保辛摄动方法

为了准确预报人造卫星的轨道,需要考虑复杂的动力学模型,并使用数值方法进行求解.虽然Runge-Kutta法和Adams-Cowell法等数值积分方法在轨道预报中已经取得了预期的效果,但是一般不考虑保辛,忽视了系统的固有特性.本文提出适用于轨道预报的乘法保辛摄动方法,将描述卫星运动的Hamilton正则方程分解为二体问题和摄动部分.二体问题采用解析解,摄动部分用区段矩阵近似求解.由于二体问题的状态转移矩阵必然为辛矩阵,故此过程保辛.本文考虑的摄动因素有地球非球形引力、日月引力、太阳光压和潮汐摄动,选取GPS卫星做数值仿真,以GPS卫星精密星历为参照得到轨道预报误差,并与Runge-Kutta法和Adams-Cowell法进行对比.结果表明:对PRN01号GPS卫星和PRN02号GPS卫星进行3 d的轨道预报,本文算法的误差分别为4.56和10.10 m,精度与Runge-Kutta法和Adams-Cowell法一致,而Runge-Kutta法与Adams-Cowell法的计算耗时分别是本文算法的237.7%与71.3%,因此本文算法效率明显高于Runge-Kutta法,但比Adams-Cowell法稍低.     

气体环境下双壁碳管振荡器的能量耗散

采用分子动力学模拟方法，研究了多壁碳纳米管振荡器在气体环境下的振动，讨论了气体密度、环境温度对碳管间摩擦力及振荡频率的影响．模拟结果表明，管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大．气体分子的碰撞将导致碳管的品格变形，从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态，导致摩擦力增大；随着温度的升高，碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发，使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散，导致摩擦力增大．气体密度的增大和环境温度的升高，都将导致振幅衰减加快，振荡频率增大．通过与真空状态下的谐振子相比，气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因，气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因，其次，环境温度对谐振子也具有重要的影响，低温工作条件对谐振子是有利的．     

页岩气纳米孔真实气体传输模型

页岩富含纳米孔,纳米孔气体传输不同于宏观流体流动.基于滑脱流动和克努森扩散两种传输机理,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和克努森扩散的权重系数,耦合这两种机理,建立了理想气体传输模型.同时考虑高压条件下真实气体分子间相互作用力和气体分子自身体积对气体传输的影响,建立了页岩纳米孔真实气体传输模型.模型可靠性通过分子模拟结果验证.结果表明:纳米孔真实气体传输模型能够更合理地描述所有的气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;真实气体效应对气体传输的影响可高达23%,其受压力、温度、纳米孔尺度和气体类型的控制;在室内实验条件下模拟页岩纳米孔气体传输时,用氦气代替甲烷,低估了甲烷的传输能力65.09%;用氮气代替甲烷,高估了甲烷的传输能力106.27%.     

各向异性压电驱动器对机翼空气动力的影响

通过改变机翼形状增强飞行器空气动力性能始终是飞行器设计者所追求的目标，利用智能材料控制机翼外形可以提高飞机的空气动力特性．以一个高空长航时无人机机翼的简化模型为对象，研究了压电驱动器产生的各向异性效应及其对机翼空气动力特性的影响，并完成了试验验证．     

页岩气复杂孔裂隙真实气体传输机理和数学模型

基于滑脱流动和努森扩散,分别以分子之间碰撞频率和分子与壁面碰撞频率占总碰撞频率的比值作为滑脱流动和努森扩散的权重系数,进行权重叠加,建立了页岩气复杂孔裂隙气体传输模型.该模型综合考虑了滑脱效应和真实气体效应,同时还分别考虑了截面类型(圆形和矩形)和形状对气体传输的影响.用公开发表的分子模拟数据验证模型.结果表明:(1)本文模型能够合理地描述页岩气复杂孔裂隙气体传输机理,包括连续流动、滑脱流动和过渡流动;(2)页岩气孔裂隙截面类型和形状影响气体传输能力,相同截面面积,圆形截面孔裂隙气体传输能力大于矩形截面孔裂隙气体传输能力,矩形截面孔裂隙气体传输能力随纵横比增大而减小;与截面类型相比,截面形状对气体传输能力的影响更大;(3)真实气体效应提高了气体传输能力,且这种影响随压力增大而增大,随孔裂隙尺度减小而增大;(4)与圆形截面相比,真实气体效应对矩形截面气体传导率影响更大,且随矩形截面纵横比增大而增大.本文模型能为页岩气准确数值模拟奠定一些理论基础.     

高焓流动中电子密度的静电探针测试技术研究

高焓激波风洞能够产生模拟高马赫数飞行条件的气流总温,是研究高温气体效应以及通讯中断问题的有效地面试验设备.本文在JF-10高焓激波风洞总焓16 MJ/kg、总温7900 K的高超声速试验气流状态下,采用能够获得足够空间分辨率且不影响流场结构的针状探针,发展了静电探针测试技术并对10°尖劈模型流场进行了电子密度测量.试验结果表明:研制的探针能够获得模型流场空间电子密度分布规律且具有较好的测量重复性;恒定偏压方法能够获得耦合流场参数的无量纲电子密度,而发展的新型高频扫描电路能有效降低扫描电路中的干扰噪音,提高测量的精度,获得定量电子密度值.     

页岩气多尺度复杂流动机理与模型研究

页岩气储层纳微米孔隙、裂缝结构复杂,存在多尺度流动,气体的流动规律不同于常规气藏.本文对多孔介质内气体流动进行了研究,利用努森数划分不同尺度下气体流态,阐明了不同区域的流动机理和流动特征;综合考虑达西渗流、滑移扩散效应、井筒附近高速非达西效应等多重非线性效应,建立了页岩气储层多尺度统一流动模型.引入页岩气储层基质-压裂缝耦合两区模型,建立了页岩气储层压裂井定压条件下的两区压力分布和产能预测方程,并结合生产实例进行了参数敏感性分析.结果表明:随着滑移扩散系数、分形系数、压裂半径的增大,页岩气井产能增加,且增加幅度减小;考虑高速非达西效应较不考虑高速非达西效应时,页岩储层产能偏低,且高速非达西效应的影响小于滑移扩散对产能的影响.该模型为体积压裂页岩气产能预测及开发指标优化提供了理论依据.     

铁路钢板结合梁桥约束阻尼层减振降噪分析

约束阻尼层通过剪切变形耗散振动能量,能在较宽的频率范围内达到减振降噪的目的.本文基于模态应变能法,车-线-桥耦合振动和统计能量分析,提出了约束阻尼层铁路结合梁桥的振动与噪声理论计算模型.对某(32+40+32) m连续板梁钢-混结合梁桥敷设约束阻尼层后的振动与噪声进行了仿真分析和现场测试.分析结果表明:敷设约束阻尼层后该桥振动与噪声理论计算与现场实测结果吻合良好,本文提出的约束阻尼桥梁振动与噪声计算方法可行;全桥在钢梁的腹板敷设约束阻尼层328.23 m~2后,振动加速度在整个分析频段内都得到了有效的降低,腹板和下翼缘振动加速度级分别降低8.1和4.4 dB;场点S1和S2噪声值分别降低4.2 dB(A)和4.3 dB(A);阻尼层剪切模量和厚度存在一个最优值;当约束层厚度过大时,低频段的降噪能力逐步退化.     

利用引力辅助的行星际周期轨道间转移研究

三体动力学系统动平衡点附近存在的周期轨道在空间探测任务中有着重要的应用价值.本文研究了流形不相交三体系统周期轨道间的转移问题,提出了一种结合流形和引力辅助技术的转移轨道设计方法.首先通过定义近拱点庞加莱映射搜索周期轨道不变流形的近拱点,然后给出了任意初始状态达到一定双曲超速所需速度增量的计算方法,从而得到了最佳逃逸流形和捕获流形的选择依据,并结合等高线图法与近拱点庞加莱映射分析了周期轨道利用该方式进行逃逸或捕获的性质.在此基础上,基于受摄三体模型建立了流形逃逸点到捕获点转移轨道的优化模型,通过微分修正策略将优化模型化简为仅有两个参数的无约束优化问题,并采用单纯形算法进行了求解.以地球-火星和地球-金星转移为例对所提方法的有效性进行了验证,数值结果表明:结合流形和引力辅助技术可有效降低周期轨道间转移的能量消耗.     

美成功发射验证爱因斯坦相对论的卫星

经过45年酝酿和开发，耗资7．5亿美元的美国“引力探测器B”卫星，日前从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空，它的使命是以前所未有的精度对爱因斯坦1916年提出的广义相对论进行验证。     

高超声速飞行器表面对流气动加热快速预测方法

构建了高超声速飞行器表面驻点及其下游区对流气动加热的一种快速预测方法．首先，采用工程方法计算飞行器表面无黏流场，针对工程方法的熵吞没效应，将质量流量平衡法与轴对称比拟法相结合对边界层外缘进行熵修正；其次，推导出采用线性方程拟合飞行器表面流场的拟合方程；在此基础上，发展出基于线性流场和线性物面方程的轴对称比拟法，大幅度降低了复杂度和计算量；对于驻点区域，引入隐式曲面拟合驻点主曲率半径并构造鲁棒的驻点区热流计算方法．采用球锥体和仿空天飞行器等多种外形验证了方法的有效性，计算结果表明：1）所述方法总耗时约1S即可预测出气动加热，并且预测结果与CFD模拟或者试验测量数据比较一致；2）在飞行器表面流线扩展区域，进行熵修正可进一步提高预测精度，在流线不扩张区域，采用等熵或变熵无黏流场的预测结果差别微小．     

一类飞行器姿态动力学特征建模研究

本文研究飞行器姿态动力学的特征建模问题.针对飞行器姿态动力学所具有的三角形式的仿射非线性系统,通过引入非线性系统的时间尺度和一类与系统状态有关的压缩函数,给出了将动力学压缩到特征模型参数中的一般方法,并且给出了特征模型的参数范围及其极限.从所给出的参数范围可以看出,特征模型参数的界与采样周期、建模误差、系统阶数、系统变化率有关.所建立的特征模型的建模误差可以按照控制精度的要求任意小,表明了特征建模和一般模型降阶方法是不同的,该方法并不丢失系统信息.在此基础上建立了挠性卫星姿态特征模型,并给出了参数的界和极限,为基于特征模型的飞行器控制设计奠定了理论基础.     

地球同步轨道废弃卫星清理方法初步研究

美国IRIDIUM 33卫星与俄罗斯COSMOS 2251卫星相撞事件表明解决在轨卫星相撞事件已经是现实问题.文章分析了失效卫星轨道长期变化规律和对工作在同步轨道航天器的影响,给出了2009年7月两颗地球同步轨道卫星非常接近的计算实例,尽管碰撞并未发生,但同步轨道上由于两颗卫星距离太近而进行规避控制已经是卫星在轨测控的重要内容.基于现成的卫星制造和控制技术,提出了一种清理失效卫星的设想,清理卫星由母星和子星组成,子星体积小且质量轻,用于捕抓失效卫星并将其带离同步轨道,母星携带足够燃料停留在定点位置,用于给子星补充燃料,使子星能够反复使用.文章设计了轨道接近和捕获策略,推导了计算公式,分析结果表明该方法能够充分节省燃料,理论上只需要几颗清理卫星就可以清理干净地球同步轨道.     

应用MDDES的飞行器气动／结构耦合抖振数值模拟

严重分离流动非定常效应是造成现代飞行器发生抖振的主要因素，因此，准确模拟飞行器分离流动是开展飞行器抖振研究的基础．本文在综合考虑现代计算机资源以及分离流流动模型可信度的基础上，建立了基于MDDES（Modified Delayed Detached Eddy Simulation）的分离流非定常数值模拟方法，通过对典型的战斗机大攻角分离流模拟计算，对计算方法进行了验证．在此基础上，综合利用RBF径向基函数技术与无限插值方法建立高效的、鲁棒性强的动网格技术，结合模态空间下结构动力学方程，建立了飞机气动／结构耦合抖振数值模拟平台，对某战斗机大攻角下边条涡干扰引起的垂尾抖振问题开展研究．数值结果显示：通过对流场中涡破裂位置的压力脉动的时域响应进行的频谱分析表明，不同尺度的涡结构脉动频率覆盖了垂尾的结构固有模态频率，相比较雷诺平均Navier-Stokes方程，MDDES方法能够分辨出更细致的、更高频率的小尺度涡结构；与颤振明显的区别，各阶模态位移加速度响应由自身模态所主导，一阶弯曲与一阶扭转模态存在强烈的耦合，使结构产生加速度，承受较大的惯性力载荷冲击，是引起结构疲劳的主要因素，验证了所采用数值手段和相应方法的有效性．     

高速列车运行于软土地基线路引起的地面振动研究

基于车辆-轨道耦合动力学理论和有限元方法,建立了高速列车-轨道垂向耦合模型和轨道-土体有限元模型,提出了一种研究列车作用下地面振动问题的数值模拟方法.以高速铁路软土地基线路为例,分析了高速列车运行引起的地面振动特性,并探讨了采用水泥土搅拌桩加固软土地基对地面振动水平的影响.结果表明：当移动荷载速度达到土体表面的Rayleigh波波速时,匀质土体会产生类似于结构物共振的现象,而土体阻尼的存在能有效地降低地面振动水平,同时抑制临界车速下振动的突增;随着高速列车运行速度的增加,地面振动水平会不断提高,车速对地面振动的影响主要体现在近轨道区域内;软土地基加固后,地面振动位移和加速度均有不同程度的降低,距离地基加固区越近,水泥土搅拌桩的加固和减振效果越明显.     

基于特征模型的再入飞行器自适应制导律设计

文中针对航天飞机类再入飞行器对参考阻力加速度曲线的跟踪问题，设计了基于特征模型的自适应制导律．首先将线性定常系统的特征建模方法推广到单输入单输出线性时变系统，从而建立了再入飞行器的特征模型，然后对特征模型提出一种新的非线性微分黄金分割自适应控制律．当特征模型的系数属于有界闭凸集，且系数的变化速率满足一定约束条件时，文中证明了非线性微分黄金分割自适应控制系统是一致渐近稳定的．在特征模型的基础上，通过结合使用跟踪控制律、非线性微分黄金分割控制律和改进的逻辑积分控制律，设计了再入飞行器基于特征模型的自适应制导律．它克服了反馈线性化方法要求精确获得对象模型的缺点．仿真结果表明，文中设计的自适应制导律对参考阻力加速度曲线的跟踪性能明显优于反馈线性化方法．