XNAV/UVNAV/SINS组合导航在航天器轨道机动中的应用

针对X射线脉冲星导航在航天器轨道机动过程中精度不高甚至发散的问题,提出一种将X射线脉冲星导航结合惯性导航和紫外敏感器的组合导航方法。以航天器在惯性系中的位置、速度、姿态四元数和惯性导航设备误差作为系统状态变量,用X射线探测器测量X射线脉冲到达时间,用紫外敏感器测量中心天体质心相对于航天器的方向矢量和距离以及航天器在惯性系中的姿态四元数,用扩展卡尔曼滤波器估计组合导航系统状态。仿真结果验证了该组合导航方法的可行性,能够解决轨道机动中X射线脉冲星单独导航的误差过大(位置误差达107m)问题,且该组合导航具有较高的导航精度,在轨道机动前、机动中和机动后导航位置误差均在100 m以内。     

气动力辅助变轨的数值模拟

采用了航天器在行星上层大气中进行高超声速飞行时的轨道动力学方程,针对航天器从地球静止轨道转移到一个共面圆形低地轨道的变轨过程,进行了气动力辅助变轨过程的模拟.在变轨过程中,航天器从地球静止轨道开始,经过8次大气路径,耗时43.7小时,到达圆形低地轨道,与霍曼转移进行对比,其所消耗的推进剂质量仅为霍曼转移的41%.研究结果表明:气动力辅助变轨技术能够在降低推进剂消耗的情况下实现航天器的轨道转移.     

基于机动目标滤波估计的航天器主动规避策略

随着空间操控技术的发展, 航天器在轨安全问题日益受到重视.具有主动机动能力的航天器对目标航天器的自主接近严重威胁航天器的在轨安全.航天器近距离追逃博弈时,相对位置、速度、加速度等状态获取是追逃双方博弈策略形成的基础.本文在追逃双方信息获取不完全的情况下,提出了基于机动目标滤波估计与最大化视线偏转率的主动规避逃脱策略.追逃双方航天器基于当前统计模型滤波算法获得对方的相对位置、速度、加速度等导航信息.追踪航天器采用比例导引律自主接近逃逸航天器.逃逸航天器计算相对于追踪航天器的视线方向及视线偏转率,采用基于最大化视线偏转率的主动规避策略进行逃脱.对不同规避策略及不同工况进行仿真分析, 结果表明:逃逸航天器的机动能力达到追踪航天器的60%以上时,所提出的规避策略可有效规避追踪航天器的自主接近;规避策略对观测设备的测量精度和工作频率不敏感;规避效果与规避策略的响应时间有关, 逃逸航天器收到预警信息越早, 规避效果越好.      

航天器集群编队最优单脉冲机动

对航天器集群编队最优单脉冲机动问题进行了研究. 针对不同的任务约束,基于非线性相对运动的周期性条件,以解析的思路分别研究了机动时刻给定和机动时刻未定情况下集群编队的最优单脉冲机动问题. 对于机动时刻给定的情况,从高斯变分方程和基于能量匹配条件的拉格朗日乘子法两个角度分别进行了探讨,将问题转化为对一元二次方程求极值或对一个单零点非线性方程求根;对于机动时刻未定的情况,将问题转化为对一个多零点非线性方程求根,通过傅里叶-贝塞尔级数展开可以得到任意高阶近似解. 对于每种情况,推导得到二范数意义下能量最省对应的最优参考长半轴,以及所施加的最优速度脉冲. 数值仿真验证了本文方法的正确性,并对仿真结果进行了解释和分析.      

SPACECRAFT EVASION STRATEGY USING ACTIVE MANEUVERS BASED ON MANEUVERING-TARGET ACCELERATION ESTIMATION 1)

随着空间操控技术的发展, 航天器在轨安全问题日益受到重视.具有主动机动能力的航天器对目标航天器的自主接近严重威胁航天器的在轨安全.航天器近距离追逃博弈时,相对位置、速度、加速度等状态获取是追逃双方博弈策略形成的基础.本文在追逃双方信息获取不完全的情况下,提出了基于机动目标滤波估计与最大化视线偏转率的主动规避逃脱策略.追逃双方航天器基于当前统计模型滤波算法获得对方的相对位置、速度、加速度等导航信息.追踪航天器采用比例导引律自主接近逃逸航天器.逃逸航天器计算相对于追踪航天器的视线方向及视线偏转率,采用基于最大化视线偏转率的主动规避策略进行逃脱.对不同规避策略及不同工况进行仿真分析, 结果表明:逃逸航天器的机动能力达到追踪航天器的60%以上时,所提出的规避策略可有效规避追踪航天器的自主接近;规避策略对观测设备的测量精度和工作频率不敏感;规避效果与规避策略的响应时间有关, 逃逸航天器收到预警信息越早, 规避效果越好.     

带脉冲的三维引力辅助变轨研究

在引力辅助过程中施加脉冲可以有效地改善变轨效果.目前只能对施加小脉冲的情况进行近似计算,当脉冲大于近拱点速度的1%时无法进行分析.针对这一问题,提出了一种解析分析方法,可以计算施加任意大小和方向脉冲的三维引力辅助变轨.基于二体问题,建立了带任意脉冲的三维引力辅助模型,采用8个相互独立的参数对模型进行描述,其中5个参数表征三维引力辅助、一个参数表征脉冲的大小、两个参数表征脉冲的方向;建立了一组坐标系,可以方便地对轨道进行描述;以施加脉冲为界,将轨道划分为前后两段,分别进行公式推导;应用双曲线轨道动力学与坐标变换等技术方法,可以将飞行器的位置矢量和速度矢量表示为上述8个参数的解析公式,进而可以求出变轨导致的速度、能量和轨道倾角的变化量.通过与基于圆型限制性三体问题的数值仿真结果进行对比,验证公式的有效性.应用导出的解析公式分析了施加脉冲的大小和方向对飞行器能量和轨道倾角的影响,并给出了相应规律.结果表明:以最大能量改变为优化目标,施加脉冲的最优方向往往并不是该点速度方向;轨道倾角受到脉冲方向的影响显著.      

考虑防御系统延迟使其预测误差最大的突防弹道设计

对中段多脉冲机动突防弹道的设计问题进行了研究。采用的原理与方法有别于成熟的航天器多脉冲变轨,而是基于路径规划的思想对弹道设计问题简化。考虑敌方防御系统延迟,改进多脉冲点火模型,并基于变射面的思想对关机点参数进行了设计及优化。然后,从使敌方预测误差最大的角度提出评价函数,并利用遗传算法进行优化。最后,给出了一种同时满足导弹机动突防与打击精度要求的多脉冲弹道设计方法。从模型的可行性,方法的有效性、灵活性、迭代效率及精度等方面进行了仿真验证分析。在PC机仿真中,20 s内就设计出一条保证打击精度的中段突防弹道。结果表明,建立的模型是可行的,提出的突防弹道设计方法是快速有效的。     

基于地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航

针对近圆轨道编队卫星,提出了一种仅需要地平仪两轴姿态测量的卫星自主相对导航滤波方法,利用星间相对测量与偏航姿态运动的弱相关性,解决了欠偏航量测下的相对位置估计以及三轴姿态确定问题。可观性分析证明了该方法的可行性及对编队构型参数的适应性。大量仿真表明,对于绕飞和伴飞构型,该方法均收敛,性能特性与理论分析一致。针对当前典型的地平仪与星间测量能力,相对位置滤波精度均优于2 m(3σ),绕飞构型偏航姿态精度优于1.0°(3σ),伴飞构型偏航姿态精度优于0.5°(3σ),是对中等精度编队卫星配置简化的有益探索。     

多储液腔航天器刚液耦合动力学与复合控制

采用复合控制方法对充液航天器的姿态和轨道机动进行高精度控制.通过傅里叶-贝塞尔级数展开法,将低重力环境下液体的弯曲自由表面的动态边界条件转化为简单的微分方程,其中耦合液体晃动方程的状态向量由相对势函数的模态坐标和波高的模态坐标组成.通过广义准坐标下的拉格朗日方程得到航天器刚体部分运动和液体燃料晃动的耦合动力学方程,提出了自适应快速终端滑模策略和输入整形技术相结合的复合控制器,并分别用于控制携带有一个燃料腔和四个燃料腔航天器的轨道机动和姿态机动.通过数值模拟来验证控制器的效率和精度.结果表明,对于多储液腔航天器,如果在设计航天器的姿态和轨道控制器时没有充分考虑燃料晃动效应,那么在受控航天器系统中将会出现刚-液-控耦合问题并导致航天器姿态不稳定.而本研究中的复合自适应终端滑模控制器可以实现航天器机动的高精度控制并有效抑制液体燃料晃动.     

燃料消耗下充液航天器等效动力学建模与分析

在轨航天器贮腔内的液体可能表现出多种不同的运动模式, 主要包括液体相对于贮腔的整体性刚体运动、自由液面横向晃动、液体起旋后逐步发生明显的旋转晃动及液体自旋运动; 复合三自由度刚体摆晃动模型能够较为全面地描述这些液体运动模式, 同时为研究起旋阶段的液体晃动动力学问题提供了有效手段. 本文对非线性液体晃动刚体摆复合模型作进一步发展, 考虑模型等效参数随贮腔充液比的变化, 提出了变参数的刚体摆复合模型, 该模型适用于研究燃料消耗下非线性晃动类充液航天器大范围运动耦合动力学问题. 采用刚体摆复合模型对球形贮腔内的液体晃动进行等效后, 基于混合坐标意义下的拉格朗日方程推导了一类充液航天器轨道-姿态-晃动全耦合的动力学方程组, 并展开了充液航天器大角度三轴稳定姿态机动和零冲量轨道机动仿真以及航天器耦合动力学响应特性分析. 研究表明: 液体相对于贮腔的运动会造成航天器主刚体位置发生偏移, 当航天器在执行零冲量机动时, 燃料消耗会造成航天器的轨道平动速度无法收敛到零; 贮腔偏心布放时, 航天器在执行轨道机动过程中贮腔内液体易发生剧烈而且形式复杂的晃动行为, 进而可能造成航天器刚体运动的不稳定.      

一种基于直接计算高阶奇异积分的断裂力学双边界积分方程分析法

相对于有限元法,边界单元法在求解断裂问题上有着独特的优势,现有的边界单元法中主要有子区域法和双边界积分方程法.采用一种改进的双边界积分方程法求解二维、三维断裂问题的应力强度因子,对非裂纹边界采用传统的位移边界积分方程,只需对裂纹面中的一面采用面力边界积分方程,并以裂纹间断位移为未知量直接用于计算应力强度因子.采用一种高阶奇异积分的直接法计算面力边界积分方程中的超强奇异积分;对于裂纹尖端单元,提供了三种不同形式的间断位移插值函数,采用两点公式计算应力强度因子.给出了多个具体的算例,与现存的精确解或参考解对比,可得到高精度的计算结果.      

汶川地震诱发文家沟巨型滑坡 碎屑流基本特征及成因机制初步分析

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2008年5月12日,汶川M80地震在四川省绵竹市清平乡文家沟内诱发一巨型滑坡。通过现场调查得知,滑坡前后缘高差455m,厚度20～30m,滑面为基岩层面,初始方量2750×107m3。滑体在运动中转化为碎屑流。滑坡-碎屑流总的水平运动距离为4022m,垂直运动距离为1443m,遗留的堆积物体积达5×107m3。滑坡距映秀—北川断裂仅36km,位于其下盘,地震烈度达XI度。滑坡导致文家沟中48人遇害,并形成一条完整的地震次生地质灾害链。初步分析表明滑坡启动速度快,滑坡向碎屑流转化过程明显、地点明确。碎屑流运动过程复杂,伴有强烈的“气垫效应”和“前缘气浪冲击效应”。作者认为,文家沟滑坡的高启动速度是长持时强烈地震动作用的结果,与山体的猛烈碰撞是导致滑体解体并转化为碎屑流的原因。     

Preface: Orbits around asteroid

One of the core issues in modern celestial mechanics is the orbital dynamics in the near-regime gravitational field of as- teroids, which provides deep insights into the mathematical nature of a class of nonlinear systems, and plays as a critical basis for in situ explorations of different science goals. Lots of efforts have been made to reveal the characteristics of orbital motion in the vicinity of asteroids, and to improve the skills of asteroid research in methodology.     

Effet de l'anisotropie élastique cristalline sur la distribution des facteurs de Schmid à la surface des polycristauxInfluence of crystalline elasticity anisotropy on Schmid factor distribution at the free surface of polycrystals

Experimental studies of the plasticity mechanisms of polycrystals are usually based on the Schmid factor distribution supposing crystalline elasticity isotropy. A numerical evaluation of the effect of crystalline elasticity anisotropy on the apparent Schmid factor distribution at the free surface of polycrystals is presented. Cubic elasticity is considered. Order II stresses (averaged on all grains with the same crystallographic orientation) as well as variations between averages computed on grains with the same crystallographic orientation but with different neighbour grains are computed. The Finite Element Method is used. Commonly studied metals presenting an increasing anisotropy degree are considered (aluminium, nickel, austenite, copper). Concerning order II stresses in strongly anisotropic metals, the apparent Schmid factor distribution is drifted towards small Schmid factor values (the maximum Schmid factor is equal to 0.43 instead of 0.5) and the slip activation order between characteristic orientations of the crystallographic standard triangle is modified. The computed square deviations of the stresses averaged on grains with the same crystallographic orientation but with different neighbour grains are a bit higher than the second order ones (inter-orientation scatter). Our numerical evaluations agree quantitatively with several observations and measures of the literature concerning stress and strain distribution in copper and austenite polycrystals submitted to low amplitude loadings. Hopefully, the given apparent Schmid factor distributions could help to better understand the observations of the plasticity mechanisms taking place at the free surface of polycrystals. To cite this article: M. Sauzay, C. R. Mecanique 334 (2006).     

Preface: Current research progress on mechanics of high speed rail

The construction and operation of high-speed rail（HSR）grid within the past two decades in China,in terms of the scale,may be possibly comparable to any national-wide construction in the history of China,even the Great Wall.By counting railways with commercial train service at the speed of200 km/h,China has the world’s longest HSR network with over 19 369.8 km of track in service today and this number     

ACTA MECHANICA SINICA 2014 ANNUAL SUBJECT INDEX

正~~     

Nonlinear behavior of matrix-inclusion composites under high confining pressure: application to concrete and mortar

This paper is devoted to a micromechanics-based simulation of the response of concrete to hydrostatic and oedometric compressions. Concrete is described as a composite made up of a cement matrix in which rigid inclusions are embedded. The focus is put on the role of the interface between matrix and inclusion which represent the interfacial transition zone (ITZ). A plastic behavior is considered for both the matrix and the interfaces. The effective response of the composite is derived from the modified secant method adapted to the situation of imperfect interfaces. To cite this article: T.H. Le et al., C. R. Mecanique 336 (2008).