银河系移民轨道设计——第十届国际空间轨道设计大赛冠军团队总结

由美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)主办的第十届国际空间轨道设计大赛于2019年6月落下帷幕,中国队伍首次在该赛事中夺冠。本届比赛在历史上首次以科幻任务为背景,需设计对银河系10万颗恒星的最优移民轨道方案。本文介绍了银河系移民的任务要求、引力模型和飞船机动模型,着重分析了赛题的评价指标。引入了树结构来表示移民方案,并对移民树初始分布的选取方法进行了描述,再对比介绍了正向和反向两种移民树生成策略。同时对竞赛中使用的移民树局部优化和拓扑重构等方法进行了简要说明,并在银河系星图中以树结构展示了冠军方案。对本届竞赛的意义进行了总结,得到了一些有益的启发。     

接触爆炸荷载对钢筋混凝土梁的局部毁伤效应

为得到接触爆炸下钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）梁的局部破坏模式和毁伤效应，对同一尺寸的RC梁进行了不同装药量的接触爆炸试验研究。试验中采用框架结构中典型工程尺度RC原型梁为研究对象，通过4次爆炸试验，观测了RC梁在不同装药量下的局部破坏模式和破坏特征，分析了装药量对局部毁伤效应的影响。研究结果表明:接触爆炸荷载作用下，RC梁将发生正面成坑、侧面崩落、背面震塌和截面冲切等局部破坏模式，爆坑深度、震塌厚度、表面毁伤面积以及受压区纵筋变形均与装药量立方根近似呈线性增加关系。在试验数据基础上，将RC梁局部毁伤程度划分为轻度毁伤、中度毁伤、重度毁伤和严重毁伤4个等级，采用比例装药量判据进行评估。研究成果可为抗爆结构设计和结构毁伤评估提供理论依据。     

AN ALGORITHM FOR SOLVING SPACECRAFT REACHABLE DOMAIN WITH SINGLE-IMPULSE MANEUVERING 1)

航天器轨道机动可达域是表征其在未来时间可能到达空间位置集合的有效方式,对维护航天器在轨安全、改善空间态势感知能力具有重要意义.现有关于可达域计算的方法仍然存在模型复杂、初值敏感性高导致计算效果较差等缺点,因此有必要发展更加简洁有效的可达域包络求解算法.本文基于近心点坐标系建立了基于未来可达位置矢量极值求解的可达域求解模型,首先定义任意指向的矢量描述方法并给出未来该指向位置是否可达的判据;其次,设置转移轨道面内机动方位角,将可达域求解问题转化为当前可达位置矢量方向的单变量极值求解问题,利用极值点处可达域包络面函数梯度需为零的条件确定转移轨道面机动方位角的取值,从而确定航天器的轨道机动可达域;此外根据二体轨道动力学特性,利用包络的对称性减少可达域求解计算量;最后通过蒙特卡洛打靶仿真对提出的可达域求解方法进行仿真验证.结果表明,本文方法对航天器单脉冲轨道机动可达域的计算结果与蒙特卡洛打靶仿真吻合良好,模型更加简洁且计算精度优于现有方法.     

STABILITY OF CIRCULAR RING OF CIRCULAR CROSS-SECTION UNDER UNIFORMLY DISTRIBUTED TORSION 1)

圆环在均布扭力矩作用下的变形特殊且容易发生跳跃,不考虑稳定性而得到的一些结论将可能不存在。本文利用最小势能原理导出圆截面圆环在均布扭力矩作用下的平衡路径,并根据系统稳定性的能量判据,对圆环的平衡稳定性、变形与运动过程进行分析,最后得到稳定平衡状态下圆环横截面上的内力最大值。     

以酚醛树脂为碳源原位合成富锂层状相/尖晶石/碳核壳结构正极材料及其电化学性能

通过酚醛树酯包覆和碳热反应在富锂正极材料表面原位构建碳和尖晶石双壳保护结构, 对这种核壳结构的正极材料进行了结构和形貌表征, 并研究了其电化学性能. 研究发现, 尖晶石相为材料提供了三维锂离子迁移通道, 碳包覆层显著提高了正极材料的电子电导率, 两种效应的共同作用极大降低了材料的电化学阻抗, 提升了材料的放电比容量, 这种多壳层结构正极材料还具有优异的倍率性能, 在5C倍率下放电比容量可达到135.1 mA·h/g.     

气体-表面相互作用中动量和能量分量间转化机制的分子动力学研究

气体分子与壁面之间的相互作用是影响稀薄气体流动状态的主要因素,但是由于其物理上的复杂性和微观性,这一过程的机理并没有得到充分揭示.本文利用分子束法对Ar分子在金属Pt表面的碰撞过程进行了分子动力学模拟,并探究了入射速度、角度和壁面粗糙度对动量、能量转化机制的影响.结果表明,当气体分子以5o的极角入射时,分子的法向速度分量占主导因素,在与壁面发生碰撞之后,分子的切向和法向动量都会损失,法向动能会向切向转移,并且当分子速度不低于2.0时,切向和法向动能的比值会稳定在一个很小的区间,而粗糙度对动量和能量转化的影响不明显.与小角度入射时不同,当气体分子以75o的极角与金属表面碰撞时,粗糙度的影响就不能再被忽略了.大极角入射的气体分子在光滑壁面散射之后,其运动规律基本符合Maxwell所假设的镜面反射,动量和能量分量的变化都不明显.而粗糙度的引入则会促进气体分子切向动量和能量向法向转移,并且会使分子总能量的损失更加显著.     

石墨负极表面聚合物功能保护膜对 锂离子电池存储寿命的提升

采用溶液浸渍法制备了聚乙烯醇(PVA)均匀包覆的石墨并研究了其微观形貌及电化学性能. 以LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂(NCA)为正极材料、 PVA包覆石墨为负极材料组装成软包电池和钢壳电池, 研究了PVA功能保护膜对全电池的电化学性能和存储寿命的影响. 结果表明, 存储过程中PVA功能保护膜可以有效抑制电解液和石墨内嵌锂反应的发生, 延长电池的存储寿命.     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

合成双射流控制机翼水滴撞击特性

在低速来流条件下,针对前缘位置嵌有合成射流/合成双射流激励器的机翼的水滴撞击特性开展了数值模拟研究,基于Fluent软件,采用Euler气液两相模型和欧拉壁面液膜（Eulerian wall film,EWF）模型,得到的计算结果表明:在合成射流或合成双射流的主动控制下,阻挡了机翼前缘等积冰重点防护区域内的水滴撞击,从而大幅降低了该区域的结冰强度.其机理是:在高频合成射流的作用下,机翼前缘上游附近形成了一对稳定的闭合回流区,形成了水滴的"真空区域".由于回流区内部水滴速度和质量分数较低,改变了机翼前缘水滴运动轨迹和水滴收集率分布,能够减少机翼前缘结冰程度并改变冰形,起到了虚拟气动外形的作用.      

圆筒内氢等离子体非定常化学反应羽流场DSMC分析

利用直接模拟Monte Carlo方法研究圆筒侧壁注入氢等离子体羽流场在8×10^-6s内的非定常流动特性.根据Bird的化学反应模型考虑离解-复合反应模型和电荷转移反应模型.在流场中注入H₂、H、金属原子X、H₂⁺和H⁺五种组分,研究离解-复合反应对流场中粒子分布和密度的影响,结果表明离解-复合反应使H₂数密度降低,H数密度增加,说明在流场中H₂的离解反应速率大于H的复合反应速率.加入电荷转移反应后H₂⁺数密度降低,H⁺数密度增加,对其他组分数密度没有显著影响.