基于多项式级数的小天体表面参数化表征方法

最近对小天体地质结构的研究表明,大多数小天体具有不对称和不规则的质量分布.小天体的这些特点对其表面的准确建模提出了挑战.对于太阳系中的小天体表面研究,应用最广泛的方法是多面体方法.本文提出了一种适用于任意小天体外形的参数化表征方法.与多面体方法相比,多项式为小天体表面提供了一个明确的形状解析的描述,它是连续可微的,并且对不同形状保持高度的通用性.本文首先利用同时控制长度失真和面积失真的CALD算法将小天体的样本点数据映射到单位球面上,得到小天体表面与单位球面之间的双射关系.然后应用多项式级数形式的基函数表征该双射关系,并进一步利用LSMR算法求解得出小天体表面模型的表征形式.最后讨论方法的数值表现,通过分析不同修正参数对模型误差的影响,验证了该方法在数值上的优势与可行性,给出了多个样本小天体表面形状的参数模型.     

YORP效应机理研究与小行星自转状态演化仿真

YORP效应是不规则小行星表面再辐射热量的反冲力对小行星产生净力矩,导致小行星自转状态发生改变的现象.研究YORP效应有助于了解小行星的演化历史、双星系统的形成以及太阳系的起源和发展.从产生机理出发,本文首先建立了结合热物理模型和考虑地貌遮挡作用的YORP效应量化方法,并将该方法用于多面体模型,探究了热惯量对表面温度和反冲力的影响,随后实现了多颗小天体的YORP曲线数值计算和自转状态演化仿真,验证了理论计算的有效性.以上探索对进一步完善YORP效应理论和揭示小行星的结构演化驱动力等具有借鉴意义.     

彗星着陆器“菲莱”的下降弹跳轨迹

彗星探测对了解地球生命起源和早期太阳系演化等具有重要意义.着陆器"菲莱"(Philae)是彗星探测任务"罗塞塔"(Rosetta)的重要组成部分,作为人类历史上第一个登陆彗星的着陆器,具有里程碑式的意义.本文将"菲莱"看作质点,建立了"菲莱"在67P附近自由轨道运动和表面弹跳运动的动力学模型,重建了"菲莱"在67P附近和表面运动的轨迹.由于第一次触地的情况较为复杂,对轨道运动和弹跳运动这两个阶段分段仿真,复现了"菲莱"自"罗塞塔"探测器分离至停止运动的轨迹,并与欧空局SONC复现的"菲莱"运动轨迹进行对比分析.最后,对"菲莱"在67P表面的弹跳轨迹进行参数化仿真,改变第一次触地点TD1的切向和法向恢复系数,分析恢复系数对"菲莱"表面弹跳运动的影响.     

嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略

针对嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略,结合动力学、微分方程等知识,主要建立多元非线性规划模型、模糊C均值聚类模型等,用于粗避障和精避障阶段优选着陆区的筛选,并通过对模型的定量和定性分析,得出嫦娥三号软着陆轨道设计与控制策略;又对第二阶段末端着陆器速度方向与竖直向下的夹角和其他控制过程进行敏感性分析和误差分析;最后对模型总体各阶段优缺点进行评价.     

基于不规则曲线匹配的小天体着陆器视觉导航算法

针对小天体着陆器着陆过程的视觉导航问题,本文提出了一种利用不规则曲线上的点-切线来估计着陆器位姿的算法.首先,通过构建不规则曲线描述符完成着陆图像中的不规则曲线匹配;其次,建立位姿与点-切线之间的约束关系;然后,通过曲线参数化的方法求解高阶方程组,并利用约束条件求得位姿参数唯一解及多条匹配曲线的最小二乘解;最后,通过仿真验证了噪声强度、正确匹配曲线个数对导航精度的影响,证明了算法的可行性.     

嫦娥三号软着陆轨道优化设计与研究

在嫦娥三号软着陆轨道优化设计中,以燃料最省和着陆安全为主要目标,结合实测数据和实际要求,对嫦娥三号软着陆过程进行分析,并对各阶段控制策略进行规划,运用MATLAB对嫦娥三号的着陆轨道进行了模拟优化设计,最终确立最优落月轨迹.通过建立误差分析和敏感性分析模型,对设计的着陆轨道和控制策略进行可行性分析,获得影响着陆器安全着陆的主要因素,为今后更深层次的月球探测和轨道优化提供理论依据和方法支持.     

基于OpenGL的复杂多面体模型间距离计算及碰撞检测

提出了一种基于图形空间,利用OpenGL选择模式实现复杂多面体模型间距离计算及碰撞检测的新方法.可用于计算任意多面体模型上的所有顶点沿法向到目标多面体模型的有符号距离,并判断模型间的碰撞情况.以上下颌牙齿多面体模型为例,计算出了上颌模型顶点到下颌模型的距离,并以上颌模型的距离图显示,以此为依据,分析了模型间碰撞情况,验证了新方法的有效性.最后对该方法的运算效率进行了分析.计算得到的距离图在口腔修复体牙合面间碰撞区域的识别及标准冠牙合面调整等方面得到了较好的应用.     

气泡碰撞极端湿润性表面的行为特性

为提高极端润湿性表面的功能性,制备了超亲水、超疏水高粘附、超疏水低粘附3类极端湿润性表面,利用高速摄像机对不同上升高度下的气泡碰撞极端湿润性表面进行了行为特性研究,所用气泡当量直径分别为2.16、2.59、3.32 mm.研究发现,表面湿润性、气泡上升高度(L)和气泡当量直径(D)对气泡行为特性有着重要影响,表面微观结构和表面张力是影响气泡在表面稳定状态的最为关键的因素.当气泡碰撞超疏水低粘附表面时,先振荡或弹跳,最后在表面铺展成一层气膜;碰撞超亲水、超疏水高粘附表面时,气泡先振荡或弹跳,最后以球缺状的形式静止在表面上.气泡碰撞表面速度较大时,气泡在3类表面上都会发生弹跳行为,其初次弹跳高度(h_1)随着L增大先增大后减小,在L为13.6 mm时均达到极值,分别为6.05、5.53、4.37 mm.对超疏水低粘附表面而言,随着气泡直径的增大,气泡在碰撞过程中的能量耗散增加,因此h_1逐渐下降,气泡发生铺展的时间逐渐缩短.     

海王星特洛伊小天体动力学

特洛伊小天体与行星同享一个轨道,并与太阳、行星在空间构成等边三角形,最早为人们所知的特洛伊小天体是位于木星轨道上并位于木星前(后)方60°的两群小天体.而海王星特洛伊小天体则是近20年来太阳系内最重要的发现之一.观测证据表明海王星特洛伊小天体的总数量和总质量远超过木星特洛伊小天体和主带小行星,是太阳系内仅次于柯伊伯带的第二大小天体集群.它们一方面具有独特的轨道特征,另一方面又联系着海王星轨道内、外的空间,自然而然地成为检验太阳系起源与演化的试金石.我们简要介绍了对海王星特洛伊小天体的观测结果、对它们的轨道动力学和起源研究的进展.     

基于ADAMS的着陆器与目标卫星着陆仿真分析

本文基于ADAMS,在失重条件下,对具有一定初速度的着陆器与目标卫星发生碰撞进而吸附在一起的过程进行仿真分析。在Pro/e中建立着陆器模型,在ADAMS中进行着陆器的起落架与目标卫星着陆碰撞的运动学和动力学分析,利用ADAMS的参数化设计功能,通过一些给定的参数对起落器着陆卫星表面的可行性进行分析。仿真结果表明,在满足一定的条件下,着陆器可以比较稳定的吸附在目标物体上,为今后研究中的可靠性分析提供依据。     

环绕火卫一的稳定准卫星轨道搜索与分析

本文在火星-火星卫星-探测器的限制性三体问题中,考虑了火星卫星的轨道偏心率和不规则引力场,建立了新的环绕火星卫星的轨道动力学模型,其中火星卫星的引力场采用了高精度的多面体模型.利用数值方法遍历搜索了起始于火卫一两个赤道惯量主轴的稳定准卫星轨道(Quasi-Satellite Orbits, QSOs),并分析了QSOs的稳定性特征.针对稳定的QSOs,分析了稳定性对初始速度误差的灵敏度、全球地面覆盖情况和最小/最大轨道高度,并分析了上述因素对探测任务中QSOs选取的影响.最后,选取了几组典型的稳定2维和3维QSOs,对它们的几何特性和潜在应用价值做了进一步的讨论和分析.本文建立的模型广泛适用于环绕火星卫星的轨道动力学研究和轨道设计,对轨道的搜索和分析揭示了环绕火卫一稳定QSOs的基本分布和特征,可为探测器的轨道设计提供部分参考.     

小行星探测动力学与控制专题·编者按

<正>2018年中国科学院文献情报中心课题组受国家自然科学基金委政策局委托,编写了学科发展态势评估系列研究报告《力学十年:中国与世界》(Mechanics 2006–2015:China in the world).在第3.5节航天动力学中列举了这十年国内外进展相对较快、成果较多的三个方向:不规则引力场中的轨道理论、连续推力轨迹优化、无燃料推进.前两个方向都和探测小行星/小天体密切相关,也正是由于小行星/小天体探测研究的驱动而快速发展的.     

嫦娥三号软着陆轨道模型及最优控制策略

基于嫦娥三号在月球预定区域内实现软着陆的轨道设计要求,建立着陆轨道设计与最优控制策略模型。首先,利用月心惯性参考系建立着陆准备轨道位置模型,确定近月点和远月点的位置;利用开普勒第二定律、机械守恒定律建立卫星速度模型,得到近月点和远月点的速度。然后,利用微分方程理论建立着陆轨道模型,得到主减速阶段的最优化策略;利用灰度值理论和Matlab软件,得到快速调整阶段,避障阶段,缓速下降阶段的最优化策略。     

基于羽流污染的霍尔推进器电荷交换碰撞效应分析

推进器喷射过程中在尾部形成羽流区,羽流区域发生电荷交换碰撞,产生的电荷交换(charge exchange, CEX)离子与航天器表面相互作用,对在轨运行的航天器产生羽流污染效应.基于SPT100霍尔推进器建立了完整的航天器三维仿真模型,在满足准中性假设的条件下,采用PIC-MCC方法,通过模拟和计算航天器表面电势分布、电荷交换碰撞后的CEX离子电荷密度分布以及束流离子电荷密度分布规律,分析了CEX离子对航天器表面充放电的影响以及造成的羽流污染影响区域范围,为霍尔推进器系统的进一步优化设计提供理论参考.     

旋风分离器分级效率的多区计算模型

在旋风分离器内部流场及浓度场测定的基础上,考虑了分离器内的短路流,颗粒间的相互碰撞、粗颗粒的弹跳以及细粉粒返混等对分离性能的影响。建立了旋风分离器分级效率的多区计算模型,并与现有计算模型作了分析比较.结果表明,多区模型的计算精度令人满意.其理论预测与试验结果较为吻合.     

强震下钢筋混凝土连续梁桥非线性动力响应分析

为了探索连续梁桥的地震损伤演化和破坏历程,在连续梁桥1∶3模型地震振动台台阵试验基础上,对该模型桥进行了非线性动力响应分析,考虑了主梁与桥台间以及横向挡块之间的碰撞效应对地震响应的影响,弥补了模型试验未考虑碰撞效应的不足.分析结果表明:数值分析结果与振动台试验结果较为吻合,两跨连续梁模型的主要破坏模式为墩柱破坏,中墩墩底为关键截面;纵向地震动作用下该模型结构加速度反应谱小于17.4 m/s2则结构不发生倒塌破坏;若考虑桥台对主梁的纵向约束作用,则主梁加速度响应增加、主梁位移减小、墩柱受力减轻,且该约束作用随接触间隙减小而越发显著;若考虑梁和挡块之间的碰撞,则主梁加速度增大,墩柱受力随着间隙的增加而增加.该研究成果可为后续连续梁桥的抗倒塌设计和抗震加固提供参考.     

考虑地震动空间效应的城市高架桥梁地震碰撞响应分析

分析了地震动空间效应对城市高架简支梁桥和多跨连续梁桥地震碰撞响应的影响．拟合了与规范反应谱相一致且考虑空间效应的人工地震波；建立了两种桥型的有限元模型；数值仿真并比较分析了一致激励以及仅考虑行波效应、仅考虑部分相干效应和同时考虑行波效应与部分相干效应的非一致激励等4种激励情况下，两种桥型的非线性地震碰撞响应．结果表明：地震动空间效应对桥梁地震碰撞响应的影响显著，且对连续梁桥的影响更为明显；考虑地震动空间效应会使桥梁的撞击力明显增大，同时考虑行波效应与部分相干效应时增幅最大；随着视波速的提高，地震动空间效应的影响逐渐减弱．因此，在城市高架桥梁地震碰撞响应分析中，必须考虑地震动空间效应的影响.     

嫦娥三号的软着陆轨道设计与控制策略

嫦娥三号的软着陆轨道设计与控制策略,是根据嫦娥三号软着陆过程六个阶段的运动状态及其月面的数字高程图,建立动力学模型,依据能量守恒原理与各阶段状态要求,通过控制推力方向缩短发动机工作时间来节省燃料,利用Matlab软件,最终得出嫦娥三号的软着陆最优控制策略以及各阶段轨迹方程.     

滚珠丝杠副中滚珠与导珠管的接触碰撞分析

对滚珠丝杠副中滚珠进入循环导珠管时发生的接触碰撞进行研究分析,考虑滚珠和导珠管的几何外形、丝杠的转动速度等因素,建立了滚珠和导珠管碰撞接触的动力学模型.在此基础上,分析了滚珠丝杠转速、碰撞角与碰撞力、接触时间之间的关系,并讨论了空心滚珠结构和采用Si3N4的陶瓷材料作为滚珠材料以降低滚珠与导珠管间冲击的效果.这对于优化导珠管结构,改善和提高高速滚珠丝杠副的动态性能指标具有重要的理论意义.     

基于随机效应模型的交叉口事故碰撞类型建模

考虑交叉口不同进口道之间的差异性,在进口道层面对不同碰撞类型事故分别建立随机效应模型,通过在负二项模型中引入随机效应项来考虑交叉口不同进口道之间的空间相关性.模型参数采用全贝叶斯方法进行估计.结果表明:不同碰撞类型事故的影响因素不同,且同一影响因素对不同碰撞类型事故的影响程度也存在显著差异,验证了区分碰撞类型进行事故建模的必要性.随机效应项在各模型中均显著,表明交叉口不同进口道之间事故频率存在显著的空间相关性.