纯引力轨道验证质量辐射计效应与残余气体阻尼的耦合建模及分析

纯引力轨道飞行器在精密导航、重力场测量以及基础科学研究等方面具有重要意义．内编队是用于高精度地球重力场测量的纯引力轨道飞行器，其中内卫星干扰力抑制是决定测量水平的关键因素之一．辐射计效应和残余气体阻尼都是内卫星受到的气体分子干扰力，通过分析两者的作用机理，建立了内卫星辐射计效应和残余气体阻尼的耦合模型，该模型反映了内卫星受到的实际气体分子作用力，仿真结果证明辐射计效应和残余气体阻尼的耦合值随内卫星运动速度线性增加．通过分析可知，该耦合值与腔体平均压力和内卫星最大截面积成正比，与腔体平均温度的平方根成反比．     

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.     

一种基于约束力的鲁棒的编队卫星构形非线性控制方法

提出了一种基于约束力思想的鲁棒的编队卫星构形精确保持的非线性控制方法.该方法首先将非线性和摄动条件下编队卫星构形保持问题转换为带有完整约束的拉格朗日动力学系统,然后将问题转换为一组微分代数方程,通过求解微分代数方程,确定编队卫星构形保持的非线性控制律.针对微分代数方程传统求解方法对误差敏感,相应的约束力控制法鲁棒性差的缺点,提出了编队卫星构形约束违约修正的方法,通过适当地选择违约修正因子,有效地抑制了编队卫星初始化、参考卫星轨道确定、相对动力学建模等误差的影响,提高了约束力控制法的鲁棒性。     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

青藏铁路块石夹层路基结构的冷却作用机理

为研究块石夹层路基结构的冷却作用机理, 建立了开放和封闭状态下块石夹层路基结构试验段, 获得了一个冻融循环的监测资料. 研究结果表明, 开放状态下冬半年块石层内温度场主要表现为强迫对流效应; 当风速减小时, 靠近坡脚处块石层内能产生微弱的空气对流效应; 夏半年块石层以热传导过程为主. 封闭状态下, 由于阻断了风的影响, 块石层内强迫对流效应减弱, 全年基本以热传导过程为主. 块石夹层路基结构对路基下部土体产生的冷却作用机理主要为强迫对流效应加微弱的空气自由对流效应, 其过程和冷却作用强度主要与风速和风向有关. 由于冷却作用机理的差异, 开放和封闭状态块石层对路基下部土体的冷却作用要相差2~4℃.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

吸附制冷中CaCl2-NH3的化学吸附前驱态研究

作为一种化学吸附制冷工质对, 在吸附制冷条件下, CaCl₂-NH₃在发生化学吸附之前, 由于van der Waals力相对于化学反应力作用距离比较长, 所以一般要先发生物理吸附. 这个状态称为化学吸附前驱态. 通过控制氯化钙不同的膨胀、结块现象, 在氨络合物的屏蔽系数作用下实现NH₂气体分子与Ca²⁺之间不同的距离长度, 从而得到了不同的化学吸附前驱态. 结果表明, 吸附剂发生严重膨胀现象而没有发生结块现象时, 由于化学吸附前驱态中NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离较长, 吸附过程所需要的活化能增加, 吸附剂在反复的吸附、解吸过程中出现衰减现象. 而在吸附剂发生结块现象时, 由于NH₃气体分子与Ca²⁺之间距离受到有限空间的控制, 从化学吸附前驱态过渡到化学吸附态所需要的活化能相对较小, 其吸附性能不再出现衰减趋势. 利用化学吸附前驱态研究了吸附制冷等压线, 结果也表明, 在Ca²⁺的分布没有对NH₃气体分子的渗透性能产生影响的前提下, 化学吸附前驱态对试验结果起着决定性作用.     

页岩气储层微观渗流机理研究

页岩气储层孔隙结构复杂,纳米孔隙所占比例大,而纳米孔内部气体流动机理不同于宏观流体流动,因此认识页岩气在纳米孔隙中的流动机理对页岩气的高效开采具有重要的科学意义.页岩气开采过程中,纳米孔的吸附解吸、应力敏感效应及滑脱效应使渗透率发生显著变化.为此,基于毛细管模型耦合考虑吸附变形修正应力应变的渗透率模型,在此基础上,考虑滑脱效应影响,建立页岩表观渗透率模型来描述气体流动.通过试验数据验证其合理性,并对模型相关参数对表观渗透率的影响进行讨论.研究结果表明,新建页岩表观渗透率模型能够合理地描述页岩气真实储层条件下气体的流动,考虑了吸附变形、应力敏感及应力变化下纳米孔气体滑脱效应等微观机理.在围压恒定条件下,新建模型计算出的曲线均与实测值吻合较好;随孔隙压力升高,页岩表观渗透率呈指数函数降低.两种气体的表观渗透率随平均分子自由程的增大而增大;孔径越大,在压力区间内渗透率越高,且随孔隙压力升高,渗透率逐渐降低.页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感,弹性模量增大会导致在其压力阶段内有较高的渗透率;在孔隙压力升高过程中,裂隙压缩系数越小,渗透率越高;随温度的升高,页岩表观渗透率呈上升趋势.所建模型能为页岩气生产动态分析、产能预测和生产制度制订提供指导.     

Dy-Y和Dy-Nd合金的磁性及光电子能谱

报道了稀土合金DY_(100-x)Y_x和Dy_(100 z) Nd_z的磁性及光电子能谱研究.磁性测量的结果表明,Dy—Nd合金中的dhcp结构晶场对轨道矩的抑制作用即使在6T的强外场下仍有残余表现.随Y(或Nd)含量的增加,合金中与Helix态相应的温度范围展宽(或变窄).光电子能谱的记录提示,轻稀土Nd的价起伏性质,使之在掺入Dy时产生增大Fermi波矢K_F的趋势.因而Nd掺入Dy引起Néel温度急剧减小的原因不仅仅在于它的稀释作用.轻稀土掺入重稀土将有助于抑制合金中的螺旋反铁磁相,从而克服“负磁热效应”。     

Cluster卫星对磁尾电流片运动特性的统计分析

地球磁尾电流片拍动的起源和运动方式一直是磁尾动力学研究中的重要问题之一.本文利用Cluster卫星数据,统计分析了2001年和2003年的磁尾电流片运动特性,利用我们最近发展的分析结构特征方向和运动速度的新方法,计算了磁尾电流片的运动速度,并给出了磁尾电流片在GSE坐标系中XY平面内的速度分布图.我们发现磁尾电流片存在着两种不同性质的运动,除了磁尾电流片向晨昏方向的运动,分析表明,磁尾电流片还存在着明显朝向子夜方向的运动（即GSE坐标系中Y=0平面）.观测还进一步表明,位于磁尾中间区域（｜Y_GSE｜〈8Re）的电流片的扰动,其南北向的速度分量相对较大,这从另一个方面说明磁尾中性片的中间区域可能是导致大部分磁尾电流片拍动事件中电流片朝向晨昏两侧运动的源区.对于运动方向朝向子夜方向（Y=0平面）的电流片,其运动方式与运动方向朝向晨昏两侧的电流片存在着明显的不同,因此我们推测,它们应具有不同的起源.本文的统计结果,为我们深入研究地球磁尾电流片拍动源区等物理问题提供了的参考依据.     

磁暴时ULF波多卫星联合观测研究

利用Cluster C1,GOES10,12和Polar四颗卫星的观测数据,研究了在2003年10月31日21：00～23：00 UT磁暴恢复相期间,地球磁层内大尺度ULF波的全球分布特征.数据分析结果表明,位于磁层不同区域的卫星观测到的ULF波的幅度、周期等性质差别很大.对ULF波幅度的全球分布来说,ClusterC1观测到的环向模最强,这可以解释为Cluster C1所在区域内发生了磁力线共振：空腔共振的压缩波模将能量耦合传递给磁力线共振的剪切阿尔芬波,从而观测到了到的很强的环向模.对ULF波周期的全球分布来说,ClusterC1观测到的波的频谱峰值周期最短,同步轨道高度的GOES卫星观测到的峰值周期较长,而位于更远处的Polar卫星观测到的峰值周期最长.Cluster C1在L=11.7～5.3范围内观测到环向模的周期几乎相同.GOES10和Cluster C1的三种波模的平方小波相关分析表明磁力线共振区域在向日面磁层至少扩展了四个地方时的宽度范围.Polar卫星观测的环向模是驻波,而极向模是行波,这可能是开放的磁尾波导模作用的结果.由于在时段内的太阳风速度很高而动压变化不明显,因此推测观测到的ULF波是高速太阳风在磁层顶激发的Kelvin-Helmholtz不稳定性激发的.     

CBERS-02IRMSS热红外数据及UTAE算法在城市热岛研究中的应用

文中使用城市热异常信息提取算法(urban thermal anomaly extraction,UTAE)提取城市热岛信息.该算法使用不同大小的滑动窗口来探测整幅图像,根据稳健估计的方法设定地表温度高于全部像元以及窗口内像元温度统计均值加标准差的像元为热异常像元,并将滑动窗口的范围设置在3×3至9×9个像元之间,根据像元被记为热岛像元的次数是否为0来区别热岛区与非热岛区,在热岛区域内根据次数的多少来决定热岛强度,具有动态阈值的特点和无偏特性.研究结果表明,在城市热岛范围的提取上,2004年2月13日长沙市热岛面积在27.21—33.98km2之间;在城市热岛强度和尺度效应分析上,宏观尺度的研究应选用较大的窗口来体现城—郊热岛关系以及热岛发展的总体趋势,而小窗口在微观分析城区内热岛的具体分布、与下垫面的关系以及驱动因子方面较有优势.最后,对UTAE算法在中巴地球资源卫星后继星数据上的应用做出了展望.     

太阳宁静条件下“资源一号”卫星星内粒子探测器数据分析

在目前有关地球辐射带的背景知识和基本理论基础上, 对“资源一号”卫星星内粒子探测器对高能粒子的探测结果进行了分析. 证明探测结果基本反映了辐射带在近地空间的结构分布. 3年多的连续观测资料的统计分析表明, 在太阳及行星际条件相对平静的情况下, 在800 km高度的太阳同步轨道上, 高能粒子主要集中在3个区域: 南纬40°~80°之间的南极光带, 北纬40°~80°之间的北极光带和范围从东经20°至西经100°, 北纬10°到南纬60°的南大西洋地磁异常区, 这是就全球的地理纬度而言, 每个经度上高能粒子分布的纬度跨度并没有这么宽, 基本上沿地磁纬度60°分布. 在不同区域出现高能粒子的种类, 计数率的分布有所不同. 在南大西洋异常区可同时观测到高能电子和质子, 它们应当来源于内辐射带; 在两极极光带通常宁静条件下只观测到高能电子, 且其分布特征上具有南北两极记数率的不对称性和经度不对称性. 根据辐射带基本理论, 计算了同一个漂移壳上带电粒子在南北半球磁镜点的反射高度并且据此解释了高能粒子计数率南北两极不对称性和经度不对称性.