临近空间飞行器若干问题讨论

临近空间作为未来战场上很有发展前景的区域,逐渐得到了各国专家的重视,本文对这一区域的飞行器的设计构成以及影响因素进行了讨论.     

临近空间飞行器再入轨迹优化设计

针对临近空间飞行器再入轨迹的优化设计问题,给出了临近空间飞行器再入轨迹运动学模型和再入轨迹优化模型。选取飞行器末端飞行速度实际值与理想值之差的平方最小为性能指标,控制变量为迎角和滚转角。过程约束为过载、动压、热流,终端约束为高度、轨道偏角、轨道倾角。应用罚函数法和约束算子法将有约束最优控制问题转化为无约束最优控制问题。应用庞特里亚金极小值原理及最优控制理论对性能指标进行处理,得到最优控制问题的正则方程、控制方程及横截条件。在C++环境下应用共轭梯度法对无约束优化问题进行数值解算。仿真结果表明应用共轭梯度法能够得到满足各种约束的再入轨迹。因此,共轭梯度法对于临近空间飞行器再入轨迹优化问题的求解是可行的。     

临近空间飞行器的发展趋势和重大基础科学问题研讨会在京召开

为了研讨近空间飞行器的关键基础科学问题，探讨发展近空间飞行器的有效途径，国家自然科学基金委员会数理科学部于2006年4月17—18日在北京组织召开了“临近空间飞行器的发展趋势和重大基础科学问题研讨会”．国家自然科学基金委员会主任陈宜瑜院士、副主任沈文庆院士、国家两弹一星功勋奖章获得者王希季院士，国家最高科技奖获得者、载人航天工程总设计师王永志院士，中国人民解放军总装备部、国防科学技术工业委员会、航天航空部门有关领导以及相关领域专家80余人出席了会议。     

临近空间飞行器在空间通信中的应用

临近空间飞行器凭借其突出的优点,在空间通信方面有着广阔的应用前景。本文在分析临近空间飞行器的分类方法和各自特点的基础上,论述了多种临近空间飞行器作为通信平台的优缺点、通信栽荷的选择与发展方向和临近空间通信平台的应用方法。通过介绍国际上,特别是美国在临近空间通信系统研究应用方面认识与发展的历程,和近年来主要军事大国在临近空间通信平台方面所进行的试验与研究的进展情况,得出了我国发展,临近空间通信系统的必然性和可行性。     

临近空间高超声速飞行器轨迹跟踪控制研究

临近空间高超声速飞行器在大空域飞行过程中,呈现复杂的不稳定运动模态,对控制器设计提出了较高的要求。以一种通用临近空间高超声速飞行器纵向运动模型为研究对象,在分析运动模态随飞行空域变化的基础上,提出了一种基于轨迹线性化与反演控制相的轨迹跟踪控制方法。该方法以参考轨迹为基准,采用Jacobian线性化方法动态建立系统平衡状态,采用反演控制方法对跟踪误差进行修正,以实现对参考轨迹的精确跟踪,并通过 Lya-punov方法分析了系统的稳定性。仿真结果表明,论文所设计的控制器在高超声速飞行器大范围飞行过程中具有良好的跟踪性能。     

执行器故障下临近空间飞行器容错控制重构

临近空间飞行器飞行条件复杂、气动环境恶劣,极易导致飞行器舵面出现故障,容错控制是保证飞行器安全运行的关键,对此提出了一种基于观测器-控制器的有限时间高精度容错控制重构策略．首先,为提高容错控制的精确性,在故障影响下飞行器姿态模型基础上,设计了双层快速自适应滑模观测器,实现对包含故障、干扰等在内的综合干扰有限时间估计,避免了传统自适应增益的过估计,从而有效提高观测器估计精度;进一步基于观测器估计值设计容错控制器,获得故障影响下的期望控制力矩,实现飞行姿态的有限时间容错控制．其次,针对故障时气动舵面实际提供的控制力矩难以满足期望值的问题,引入推力矢量喷管作为补充执行器．考虑故障舵面特性,采用基于二次规划的最优控制分配策略,将期望力矩合理分配到气动舵面及矢量喷管上,通过矢量喷管补偿故障舵面力矩损失,实现执行器故障下控制重构.最后,通过数值仿真验证了所设计观测器的优越性,并验证了所提出容错控制重构策略的有效性．     

临近空间太阳能无人机在应急通信中的应用

 临近空间太阳能无人机飞行时间长、飞行高度高,结合通信载荷可在临近空间形成空中通信服务系统,在应急通信领域具有巨大的应用前景。介绍了国内外太阳能无人机平台的发展现状及其在通信方面的应用情况,通过分析基于太阳能无人机的通信系统的特点、应用方向,提出了基于太阳能无人机通信系统的3种典型应用场景,探讨了其关键技术及效益。研究表明,利用太阳能无人机平台可构建临近空间通信系统,实现持久广域的通信覆盖,使用灵活,可在应急通信领域发挥重要作用。     

超声速飞行器环境工程中的力学问题

本文说明了以液体冲压发动机为动力的超声速飞行器与其他类型飞行器的差异,详细介绍了国内外的相关标准,分析了目前标准无法满足型号需求的原因,并给出了依据实测数据对标准进行研究的成果.本文对国内外超声速飞行器动力激励源的工作过程和研究情况进行了综述,强调了目前的研究内容、研究方向与实际型号需求存在较大差异,分析了现有的研究成果无法满足型号环境适应性的问题.本文详述了型号工作中动力学分析方法的研究现状,并从地面试验、测量、故障分析等工作中的典型事例说明了型号工作的特点和难点,从另一方面说明型号研制过程中环境工程存在着诸多难题.     

德国：太阳能飞行器

美国国家航空航天局的发言人日前称，以太阳能作为动力的飞行器“太阳神原型号”在试飞中打破了除火箭外的飞行器所创造的飞行高度记录，成功升上海拔24720米的高空。这位发言人称，“太阳神原型号”12日发射后，经过5小时16分的飞行，达到海拔24720米的高度。这一高度超过了1976年由洛克希德公司SR-71型侦察机创造并保持的24060米记录。美国国家航空航天局希望这艘太阳能飞行器能继续飞行，并成功升上海拔3万米的高空。     

在轨建造中的关键力学问题

在轨建造是指在空间轨道或者地外天体上就地取材或者利用携带的材料、组件通过加工、组装形成航天器及其部组件的过程.由于无需经历发射段苛刻的力学环境,不受运载火箭整流罩空间的限制,因此,在轨建造能够有效降低航天器结构的重量,实现百米甚至千米级空间设施的建设.本文首先分析了在轨建造的技术优势和航天领域的工程需求.其次,分析了空间微重力、高真空和极端温度环境下加工过程中材料的受力和运动行为,以及对制件特性的影响;再次,分析了空间超大型结构在轨建造全过程的激励和扰动源、动力学分析与控制的力学问题;最后,梳理了面向在轨建造的空间大型结构设计的力学约束,给出多级空间桁架结构在轨建造的优化设计模型.     

大型海上工程中的关键力学问题

大型海上工程中的关键力学问题ＭａｉｎＰｒｏｂｌｅｍｓｏｎＭｅｃｈａｎｉｃｓｉｎＬａｒｇｅ－ｓｃａｌｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｎｔｈｅＳｅａ￥／／邱大洪（大连理工大学，教授大连１１６２０３）能源是我国国民经济发展的战略重点，石油、天然气是我国重要的能源...     

页岩气藏开发中的关键力学问题

简要概述了页岩气资源和开发现状,基于页岩储层的微纳尺度孔隙结构特征、力学特点以及开采方式,系统论述了页岩气开发中的多尺度、多物理场流动动力学的过程与机制,归纳凝练出页岩气微纳尺度流动、页岩人工压裂的裂缝扩展以及分段压裂水平井缝网宏观流动等方面是亟需解决的关键前沿力学问题,并针对各前沿关键力学问题综述了研究进展和发展趋势,为促进我国能源发展尤其是页岩气的科学、有效开发具有重要的意义．     

存在证据冲突的临近空间飞行器遥测数据相关性评价与融合方法

为了解决单一的相关性分析方法在分析临近空间飞行器遥测数据时存在局限性以及证据冲突问题,在相关系数分析评价与优势组合的基础上,提出了基于支持因子的证据理论融合算法。首先分别利用Pearson相关系数、Spearman相关系数与距离相关系数对遥测数据进行相关性评价分析,表明3种相关系数可优势互补。其次,建立了基于支持因子的证据理论融合算法,实现证据的冲突基本概率赋值函数分配,避免Dempster-Shafer证据理论(D-S证据理论)的一票否决和合成规则失效问题。最后,利用3种相关系数构造相关性证据并开展遥测数据相关性分析实验。结果表明：基于支持因子的证据理论融合方法能使Pearson相关系数、Spearman相关系数与距离相关系数的证据融合更加合理;在证据冲突大的情况下,相比相容系数的证据理论融合方法,相关概率计算结果准确度提高约6.55%,能更有效地处理证据冲突问题。     

临近空间飞行器相变吸热式充排气装置的设计及其性能仿真

为解决临近空间飞行器的常规被动充排气孔存在的外部高温气体回流致使舱内仪器高温失效的问题,本文创新性地提出了一种用于临近空间飞行器被动充排气系统的相变吸热式充排气装置。该装置增设相变吸热填充区域,在有效平衡飞行器舱内外压差的同时,降低回流气体温度以保障飞行器安全。通过数值仿真对该相变吸热式充排气装置进行了性能分析和结构优化,并将优化后的充排气装置应用于某临近空间飞行器快速上升、机动飞行和快速下降的完整飞行过程中。仿真结果表明：优化后的相变吸热式充排气装置的相变材料填充质量减少了约45%,装置体积缩小了约10%;优化后的充排气装置能将飞行器内外压差维持在50 Pa以下,同时将回流气体温度降到340 K以下。该相变吸热式充排气装置具有良好的泄压与降温双重性能,在航空航天领域具有较好的应用前景。     

深层油气藏开发中的关键力学问题

我国油气资源的分布格局表明:浅层和中浅层的勘探开发程度较高,但深层和超深层探明程度仍很低,是我国今后增储上产的主要阵地.三高环境(高温、高压和高应力)是其主要特点,也是勘探开发面临的难题.目前,关于深层油气藏的研究仍局限于油气成藏动力学,亟需开展深层油气藏开采中的关键力学问题研究.对此,本文首先概述了深层油气资源和开发现状,随后基于深部地层的高温度、高压力、高地应力储层特征,系统论述了深层油气开发中的多物理场耦合流动动力学的过程与机制,归纳凝练出深层岩石力学特性、深层人工压裂的弹塑性裂缝扩展以及深层油气藏热流固耦合渗流等方面是亟需解决的关键前沿力学问题,并针对各前沿关键力学问题综述了研究进展和发展趋势,对促进我国深层油气资源的高效开发具有一定的指导意义.     

临近空间静止通信平台模型研究

在临近空间通信系统中,大气、降雨、闪烁会引起空地链路信道质量的恶化。以临近空间飞艇为通信平台,通过分析Ka频段临近空间通信信道的电波传播特性,重点分析了降雨对信号衰落的影响,在此基础上建立了Ka频段临近空间静止通信信道,以及Ka频段临近空间静止通信信道模型的仿真模型,并在Matlab环境下对Ka频段临近空间静止信道模型的BER性能进行仿真,仿真结果为临近空间链路分析及抗雨衰对策提供理论依据。     

多塔斜拉桥力学特性及其关键力学参数研究

采用有限元分析理论,应用三维有限元分析软件ANSYS,建立3～6塔主跨跨径为1 400 m的多塔斜拉桥有限元分析模型,分析了典型工况下4种方案的内力和变形,研究了索塔数对多塔斜拉桥静力特性、动力特性和静力稳定性的影响特点,探讨了索塔数对多塔斜拉桥活载挠度、塔顶纵向位移等关键力学参数的影响规律.分析结果表明：索塔数由3塔增至6塔时,塔根弯矩最大增大47.1%,主梁弯矩最大增大39.9%,边塔塔顶位移增加15%,一阶弹性稳定系数最大下降8.3%,颤振稳定性指数最大增加4.3%;主梁边跨竖向挠度比中间跨大11%左右,且中间跨挠度相近;索塔数对索塔受力影响显著.     

中继法解决临近空间Ka波段通信黑障问题研究

为了克服火箭弹滑翔飞行过程中各种扰动因素的影响,提高弹道控制效果,研究了一种非线性随机系统最优控制方法。基于火箭弹飞行过程的一般控制原理,建立了微分方程形式的姿态动力学模型;以攻角和侧滑角作为观测量,以舵偏角作为控制量,推导出姿态控制系统的状态方程、目标函数与控制律;给出了伴随函数的详细表达式,并基于里卡蒂方程设计了最优滤波器。以滑翔段启控点散布作为特征点进行姿态控制器控制参数设计与仿真分析。仿真结果表明,该控制器系统响应快,具有良好的控制品质。     

风能开发利用中的关键力学问题·编者按

正我国经济进入新常态.调结构、转方式,大力开发风能、发展低碳绿色经济势在必行.我国风能发展经历初期建设、示范工程阶段,实现了跨越式发展.到2015年底,我国风力机装机容量超过1.293亿千瓦,稳居世界首位;发电1863亿度,拥有10个以上整机制造厂,发展潜力很大.为使我国通过创新驱动实现从风能大国提升为风能强国的目标,必须解决面临的关键科学技术问题.为此,我们在中国科学院学部战略咨询研究的基础上,组织