基于多尺度方法的平动圆柱贮箱航天器刚——液耦合动力学研究

以充液航天器为工程背景,借助多尺度方法研究刚--液耦合动力学系统非线性动力学特性.利用多维模态方法,将描述横向外激励下圆柱贮箱中液体非线性晃动的自由边界问题转换为液体模态系数相互耦合的有限维非线性常微分方程组.推导液体晃动产生的作用于贮箱壁的晃动力和晃动力矩的解析表达式,进而建立航天器刚体部分平动和液体晃动耦合的非线性动力学方程组.应用多尺度方法对刚--液耦合系统的动力学特性进行解析分析,通过固有频率的特征方程求解耦合系统固有频率,推导外激励频率接近耦合系统第一阶固有频率时液体晃动稳态解的幅值频率响应方程.结合数值方法,研究了液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线和激励--幅值响应曲线.结果表明, 随充液比变化,液体晃动稳态解的幅值频率响应曲线会发生软、硬弹簧特性转换现象和"跳跃"现象;幅值频率响应曲线的软、硬弹簧特性转换点受重力加速度和弹簧刚度系数影响;以上所得研究结果表明,考虑非线性效应时的刚--液耦合系统动力学特性与传统的线性系统模型所显示的动力学特性具有本质区别.本文的研究工作对进一步分析充液航天器刚--液耦合非线性动力学特性具有重要参考价值.      

空间机器人捕获航天器后基于无源性理论的鲁棒镇定控制

研究了漂浮基空间机器人捕获非合作航天器过程对系统产生的冲击效应及其后联合体系统镇定运动的控制问题。为此,利用拉格朗日方法及牛顿-欧拉法分别获得了捕获前空间机器人及目标航天器的动力学模型;结合动量守恒定律、系统运动几何关系及力的传递规律,分析了捕获过程相互碰撞所产生的冲击效应,建立了捕获完成后两者联合体的系统动力学模型。在此基础上,针对同时存在不确定参数及外部扰动的联合体系统,设计了基于无源性理论的镇定运动神经网络H_∞鲁棒控制算法。本文提出的基于无源性理论设计的鲁棒控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可快速完成系统的镇定控制,实现轨迹的精确跟踪。系统数值模拟仿真验证了本文控制方案的正确性。     

基于无线传感器网络的飞行器测控通信系统测量方案设计

随着航天技术的发展,飞行器测控通信系统需要测量的参数种类和数量不断增加,但同时要求系统在进行方案搭建时满足更高的可靠性、更小的体积和更小的设备质量。为解决这类问题,提出了基于无线传感器网络的飞行器测量方案,方案重点从节点配置、时间同步、网络拓扑、能源供应等方面对方案进行阐述,最后给出了应解决的关键技术攻关方向。     

附加约束阻尼层对星箭系统动特性的影响分析

在星箭连接支架外表面附加约束阻尼层可抑制星箭对接界面的振动,从而降低卫星在发射过程中所承受的振动和噪声载荷.本文将有限元技术与矩阵特征值摄动分析方法相结合,就卫星支架局部修改(附加约束阻尼层)对星箭系统动态特性的影响进行了分析.以已有星箭系统结构的模态信息为基础,给出了支架部位附加约束阻尼层后星箭系统动态特性变化的定量计算方法,并证明了该减振技术能够不明显的改变原星箭系统的固有特性.     

Optimal Slewing of a Flexible Spacecraft

An optimal slewing program is designed within the class of Euler rotations for a spacecraft with elastic elements. The mathematical model constructed accounts for an arbitrary number of partial modes of elastic vibrations. An optimal reorientation problem is formulated using a nontraditional performance criterion, which minimizes the dynamic overloads of the elastic elements in relative motion. An algorithm for solving the corresponding nonlinear boundary-value problem is developed and implemented in a software package of FORTRAN-programs. A neural network is generated in the space of slew parameters; it may be trained during a preflight period. Known radial basis functions are used to model the process of fast in-flight computation of the optimal reorientation program     

飞行器上层大气层空气动力特性探讨

针对近地轨道飞行器所面临的上层大气层（100~300 km）空气动力学问题,对几类典型航天器构型的上层大气层气动力特性进行了分析,给出了典型气动布局在该空域的气动力基本规律,取得了对上层大气层气动力关键影响因素的初步认识.在上层大气层,飞行器的绕流属于自由分子流状态.研究发现,气体分子与不同材质物面的相互作用反映出截然不同的升力和阻力特性.对于1 m2气动受力面的飞行器,在100~200 km轨道高度存在大于1 mN的气动力,在接近300 km轨道高度时受到的气动力则远小于1 mN.在一般条件下,飞行器的升阻比小于1.但是,当物面适应系数约为0.2时,在100~200 km轨道高度存在升阻比大于1的状态,这一特点体现了上层大气层气动力学的基本特性.据此认为,100~200 km是气动力可利用的飞行空域,在此空域开展上层大气层空气动力学研究,对于未来发展上层大气层飞行器意义重大.      

Viscoelastic plate-fluid interactive vibration and liquid sloshing suppression

The viscoelastic plate-fluid interaction problem was studied. Forced vibration of the interactive system was investigated, and the equivalent mechanical models were obtained. The conclusion is that, for some case, the inner damping of the viscoelastic baffle will play a major role for liquid sloshing suppression. The project supported by National Natural Science Foundation of China and Astronautics Ministry.     

X射线脉冲轮廓稳定性对导航精度的影响

X射线脉冲星具有广阔的导航应用前景,稳定的脉冲轮廓是自主导航的基础,然而在X射线脉冲轮廓的稳定性及其对导航精度的影响方面一直缺乏系统的研究.采用Pearson相关系数、标准偏差及功率谱熵三组指标量化脉冲轮廓的稳定性.利用罗西X射线计时探测器卫星X射线段(2—16 keV)11年的观测资料,统计了包括周期跃变在内的Crab脉冲轮廓稳定性.在此基础上,引入Cramer-Rao理论建立了脉冲轮廓稳定性对距离测量误差影响的数学模型,并通过分析各误差因素确定脉冲轮廓稳定性对距离测量误差的影响范围.实测数据处理表明,Crab脉冲星的X射线脉冲轮廓具有极高的稳定性,跃变期间脉冲轮廓无明显变化,脉冲轮廓的稳定性导致沿脉冲星方向上产生34 m±25 m的距离测量误差.     

空间站快速充电事件的机理研究

空间站等大型航天器由于采用高压太阳电池阵而引发的 带电问题成为近年来航天器带电研究领域的热点问题. 近年来观测到国际空间站(ISS)在出地影瞬间产生的"快速带电"事件 (也称"异常带电") , 再度引起了对低轨道航天器充电效应的深入研究. "快速带电"事件的特征为, 集中出现在出地影的瞬间, 在几秒内快速上升到较高电位(30—70 V), 然后在几十秒时间内缓慢衰降, 相对高压电池阵本身引起的结构体带电(称为"正常带电", 一般在30 V以下)严重得多. 目前国际上对"快速带电"的研究尚不充分. 本文在Furguson等人机理研究工作的基础上, 首次建立了描述"快速带电"事件的物理模型, 定量揭示了其充电过程的主要机理. 根据该模型对国际空间站的"快速带电"进行计算, 结果与观测到的典型充电脉冲符合, 模型预测的快速带电事件的统计规律也与观测结果基本一致. 关键词： 表面充电 等离子体 空间站 高压太阳电池阵     

"神舟"五号的空间环境保障

空间环境安全保障是载人航天器飞行安全和航天员生命安全保障的一个重要部分．文章从高层大气、高能辐射环境、流星体空间碎片和重大空间环境扰动事件等四个方面空间环境要素对载人航天的影响，介绍了空间环境预报中心为“神舟”五号载人飞行任务所作的空间环境保障工作．