地球-火星引力辅助下的地-火无动力循环轨道

针对火星探测任务,提出一种地-火无动力循环轨道设计方法。该方法有望实现火星探测的自由返回,并能够多次无动力地火往返。本文首先求解地火之间转移的Lambert问题,考虑地球和火星引力辅助效应,并分别给出以地球和火星为中心的半圈转移轨道。其次,以该轨道作为辅助轨道,设计搜索能够实现无动力循环的发射窗口和转移轨道。最后,本文给出效率较高的几种无动力循环轨道,希望对未来火星探测的任务设计有一定指导意义。     

利用小行星视线矢量的火星探测光学自主导航研究

结合我国即将开展的自主火星探测计划,研究了航天器在火星探测巡航过程中利用小行星进行光学自主导航的整个过程. 根据巡航段的设计轨道,给出了导航小行星的筛选条件并筛选出可用于实际任务的导航小行星序列. 将自主导航的数据弧段长度设定为30d,数据观测周期为5d. 采用加权最小二乘滤波算法,当数据弧段长度为30d时,导航计算的位置误差在100～400km变化,速度误差不超过0.25m/s.      

一种适用于金星气动捕获的预测制导算法

针对金星探测制动捕获过程速度增量需求大、燃料携带量多的问题,结合金星稠密大气环境特点,分析了利用气动阻力捕获降轨的可行性,提出了一种基于解析预测修正制导算法的气动捕获方案,可在短时间内进入目标圆轨道,达到节省燃料、实现快速轨道调整的目的。根据飞行任务特点,将纵向和侧向运动解耦,纵向运动控制基于预测制导算法,侧向运动由倾侧角翻转控制实现。仿真结果表明,所采用的制导方法能够有效克服初始误差和参数不确定性的影响,具有较强的鲁棒性。     

考虑时间相关噪声的火星捕获段天文组合导航

针对火星捕获段高精度实时自主导航的需求,提出一种以火星及太阳为导航目标源的天文光学图像测角和天文光谱测速的组合自主导航滤波方法。针对天文组合导航系统中测量信息包含时间相关测量噪声的问题,首先分析时间相关噪声对状态估计过程的影响,然后建立考虑时间相关噪声的状态方程和量测方程,并分析和推导了改进的卡尔曼滤波器方程。仿真结果显示,同传统方法相比,所提出的滤波方法可将导航精度提高一个数量级,对火星探测器捕获段实时高精度自主导航具有一定的参考意义。     

空间目标初始轨道确定吉布斯问题误差分析

现代战争中的空间武器平台捕获敌方的空间目标,确定其运行轨道后实施军事打击,所以对轨道确定参数的误差进行分析对于精确打击具有非常重要的意义。为了准确分析吉布斯三位置矢量定轨法的轨道根数的确定精度,根据吉布斯方法的轨道确定模型,采用向量求导的方法,详细推导了轨道根数对于观测位置误差的灵敏度矩阵,并给出了轨道根数误差与观测位置误差之间的关系,明确初始轨道的确定精度及误差传播规律。最后对吉布斯方法及其误差分析进行仿真分析验证,验证了方法的正确性。     

火星探测器进入飞行气动测量方法研究

在火星探测任务的进入飞行过程中,开展气动测量将获取大量宝贵的气动特性数据,一方面可以验证进入探测器气动外形,掌握其准确的气动特性,另一方面,可以积累详实的火星大气数据,为后续任务提高落点精度等飞行性能提供支持. 本文针对火星探测器进入飞行任务,基于弹道重建和嵌入式大气数据传感系统(flushair data system, FADS),提出火星探测器进入飞行过程中的气动测量方法. 通过融合火星进入外测弹道信息,利用输出误差法实现攻角、侧滑角的高精度测量;基于嵌入式大气数据传感系统,利用最小二乘最优估计算法,建立了进入飞行动压的测量方法. 仿真分析表明,气动测量方案精度高,进入动压测量精度优于1%,攻角和侧滑角测量精度相较于当前火星探测器进入气动测量而言,至少提升1 个量级. 研究结果将为火星探测等深空探测任务的进入飞行气动测量提供技术参考.      

行星探测中的大气制动技术研究进展

大气制动技术正成为一种有效的行星探测技术, 该技术利用目的行星的大气阻力作用来减缓探测器的速度以达到预定轨道, 不需要或很少使用携带的燃料进行反推减速入轨, 能够降低行星探测器的发射成本, 增加探测器的入轨有效载荷. 本文描述了大气制动的特点, 以及NASA成功应用大气制动技术的4次行星探测任务, 重点评述了大气制动期间气体动力学特性和轨道模拟的研究情况, 并对大气制动技术的风险性和成本分析进行了总结. 最后, 指出了今后大气制动技术研究和发展的重点.      

第3届全国深空轨道设计竞赛的通知

深空探测已成为当前航天领域的主要发展方向之一.未来30年我国将逐步开展火星、金星、小天体和其他深空探测活动.深空轨道设计对深空探测任务具有巨大的支撑作用.深空飞行轨道的时间、空间尺度很大,优化方法多样以及可选的方     

一般形式的共振轨道研究

为了利用较小的推力使航天器的轨道产生较大的变化,可以利用共振原理来研究航天器的运动,称这样一类非开普勒轨道为共振轨道.将圆频率作为变量,通过合理地选择轨道描述参数、时间尺度和推力描述方式建立了一般形式的共振轨道模型,并基于仿真分析研究了共振轨道圆频率对共振轨道的影响.通过对地球-火星共振转移轨道的算例进行仿真分析,初步研究了共振轨道在星际探测轨道设计中应用的效果.研究结果表明:圆频率改变将对推力峰值产生影响;共振轨道在星际探测中的应用是可行的,并且在能量消耗方面优于Lambert轨道.     

纯引力轨道检验质量的相对测量技术

纯引力轨道是物体在太空仅受引力作用的运行轨道, 通过构造纯引 力轨道, 可实现超高精度的空间引力探测, 也可为科学实验提供超稳定卫星 平台. 作为纯引力轨道构造的核心, 检验质量的相对测量不仅提供了部分任 务科学数据, 还为航天器平台的跟踪控制提供输入. 首先, 描述了纯引力轨道 的概念内涵, 总结了它在卫星重力测量、引力波探测等方面的应用情况. 其 次, 综述了不同任务对相对测量的需求, 给出了电容式测量、磁感应测量和 光学测量的原理, 总结了各自的优缺点. 根据检验质量的姿态运动, 将检验质 量质心相对状态解算问题分为3 类, 给出了基于检验质量姿态动力学与表面 建模的典型解算模型和质心速度估计方法. 最后分析了非引力干扰的理论计 算、地面实验验证和在轨实验验证问题.      

细长椭球体在水中自由下落的运动特性实验研究

固体颗粒在液体中的运动现象在日常生活和工业应用领域广泛存在, 其中因蕴含着丰富的流体力学现象而受到学者们的广泛关注. 本文通过实验研究了细长椭球体在水中受浮力影响的下落特性. 实验中采用带有两台相互垂直的高速摄像机和光源组成的运动跟踪平台并结合荧光染色技术对细长椭球体下落过程中的运动轨迹和尾涡结构进行研究. 文中选用的细长椭球体与环境流体的密度比为1.2, 其长短轴比范围为2$\sim $10, 相应的阿基米德数范围为400$\sim$1400, 对应实现的终态雷诺数范围为120$\sim$1350. 实验过程中我们观察到细长椭球体在水中下落过程中产生的5种典型路径, 分别为: 小振幅不规则运动、小振幅高频振荡运动、大振幅低频振荡运动、高度非线性运动以及直线运动, 并得到了对应的速度振荡以及倾斜角的演化规律. 进一步地, 分析了细长椭球体运动过程中受到的阻力系数与雷诺数之间的关系. 随后采用荧光可视化技术清晰获得了颗粒下落过程中的尾涡结构特性, 并结合颗粒的运动状态详细分析了涡脱落过程对颗粒运动状态转捩的影响. 最后, 通过对比前人关于圆柱体下落的运动特性的相关结果, 获得了细长椭球体和细长圆柱体运动特性之间的异同点以及其潜在的物理机理.      

Solution behavior of the falling sphere problem in viscoelastic flows

Thehp-finite element method and pseudo arc-length method are combined to track solution behavior of the steady flow of a sphere falling in a tube filled with viscoelastic fluids. The computations is proved to be convergent and stable by a posteriori error analyses; the solutions smooth and with extremely steep stress gradient are obtained by using appropriate high-order interpolation distributions. The commonly used drag coefficient is proved not a reliable indicator for the approximation error. The solution curves of the upper convected Maxwell (UCM) and the Oldroyd-B fluids clearly indicate that there exist limiting points, parameterized by the Deborah number, where the magnitude of the solutions and the axial normal stress gradients behind the rear stagnation rise up rapidly, maybe go to infinity. The limiting points can be simply removed by employing the modified Chilcott and Rallison (MCR) fluid, which replaces the infinitely extendable, linear Gaussian chain with the finitely extendable nonlinear elastic spring (the FENE chain). Therefore the limiting behavior is caused by the physical model; it is not a numerical artifact. The project supported by the National Natural Science Foundation of China (20274041) and the Cooperative Research Center for Polymers, Australia     

A METHOD TO CORRECT CATALOG ORBIT DETERMINATION VELOCITY 1)

对于大批量空间目标,监测资源有限,测轨数据稀疏,导致编目定轨结果误差较大。本文分析了不同轨道类型的编目轨道预报误差演化特性,分析结果表明,轨道预报误差主要分布在沿迹方向,且主要是由于大气阻力摄动模型误差和初始径向速度误差引起的。进一步的理论推导显示,在忽略初始位置误差的假设条件下,轨道初值误差引起的预报位置误差前后具有近似对称特性,利用仿真数据,验证了近似对称特性的正确性。基于上述分析,本文提出了一种校准编目定轨初始速度的方法,即通过减小向前预报的位置与已知位置的偏差来迭代地校准定轨结果的速度,从而提高目标向后预报的轨道精度。利用实际轨道数据的试验结果表明,该方法对于采用稀疏数据的近圆轨道目标定轨结果修正效果明显,可以有效改进自主编目定轨结果的精度,对提高大批量空间目标的编目管理能力具有重要价值。     

WHY CAN THE MAJOR PLANETS HAVE THEIR SATELLITES MOVING IN DIRECT AND RETROGRADE ORBITS AS WELL?

Now we use the Jacobian integral of circular restricted three-body problem toestablish a testing function of the stability of satellites.This method of criterion may beapplied to the stability problem of satellites when the six elements of the instantaneous orbitof the satellite with respect to its parent planet are known.By means of an electronic computer,we can find the stable region of a satellite with aquasi-circular orbit.The boundary surface of this region is a nearly oblate ellipsoid.Thevolume of this enclosed space is much smaller than that of binding by Hill surface and thatof“sphere of action”.As the expressions of relative kinetic energy of a satellite with respect to its parentplanet have the same form for the direct as well as the retrograde orbits,they can coexist inthe same region at the same time.     

Influence of magnetic field on free vibrations in elastodynamic problem of orthotropic hollow sphere

The effect of magnetic field on the plane vibrations for an elastodynamic orthotropic sphere is studied. Equations of elastodynamic problems of the orthotropic hollow sphere in terms of displacement are solved. The numerical results of the frequency equations in the presence of magnetic field are discussed and shown graphically. Compar-isons are made with the result in the presence and absence of magnetic field in the case of orthotropic sphere. The results show that the effect of magnetic field is very pronounced.     

用库仑-莫尔屈服准则对厚壁球的极限分析

用库仑－莫尔屈服准则对厚壁球进行了极限分析。该分析能够较好地反映出考虑材料的拉压屈服强度不同而对结构极限承载能力的影响。结果表明,厚壁球的极限承载能力随坟拉比Ｋ的增大而增大。本文导出的公式,对于理论研究和工程设计都具有参考价值。     

幂强化材料和超弹性材料组合球体中孔穴的动态生成

在简单加载条件下,研究幂强化材料和超弹性材料组合球体中的动态孔穴生成和增长问题,首先在有限变形动力学的框架下建立了相应的非线性数学模型,得到了应力的表达式,利用变量变换的方法求得了外加载荷和孔穴半径之间的一个精确的微分关系式,证明了当突加载荷超过其临界值时,球体内部有孔穴的突然生成,并随时间呈现非线性的周期振动．通过数值计算,分析了材料参数和球体的半径比对孔穴生成和增长的影响,并与相应的静态结果进行了比较．结果发现,惯性力的影响降低孔穴生成的临界载荷,而且材料的塑性对孔穴生成和增长有明显的影响．     

Numerical investigation of dynamical behavior of tethered rigid spheres in supersonic flow

The dynamical behavior of two tethered rigid spheres in a supersonic flow is numerically investigated. The tethered lengths and radius ratios of the two spheres are different. The two spheres, which are centroid axially aligned initially, are held stationary first, then released, and subsequently let fly freely in a supersonic flow. The mean qualities of the system and the qualities of the bigger sphere are considered and compared with the situations without the tether. In the separation process, six types of motion caused by the spheres, tether, and fluid interaction are found. The results show that the mean x-velocity of the system changes in a different manner for different radius ratios, and the x-velocity of the bigger sphere is uniformly reduced but through different mechanisms.     

Free-field blast parameter errors from Cartesian cell representations of bursting sphere-type charges

The bursting sphere model is a simple approach to the numerical simulation of blast from charge detonation. It involves initializing a group of computational cells at high pressure with the correct blast energy to represent the charge volume. In this paper, a programme of numerical simulations of charge detonations in free-field air using the bursting sphere approach will be performed. This is done to investigate the errors in important blast parameters like peak overpressure and impulse that arise due to deviation of the charge shape from an ideal spherical profile when the charge is represented by a Cartesian mesh. This study will also include an assessment of the quality of error estimation for this problem based on grid refinement studies.