基于二维质点振动模型的半球谐振陀螺谐振子进动分析

半球谐振陀螺是基于固体波的进动效应进行角速度检测的一种全固态陀螺。为分析半球谐振子中固体波的进动效应,基于虚功原理,建立了理想条件下半球谐振陀螺谐振子中固体波进动的动力学模型。针对进动波的动力学模型过于复杂、难于分析的缺陷,提出采用相似系统的分析方法,将该动力学模型等效为二维空间质点的简谐振动模型;采用快变量与慢变量分离的方法,对等效模型进行了参数分析,通过与实际的半球谐振陀螺信号处理系统采集的李沙育图形进行对比,验证了等效简谐振动模型的有效性和正确性。     

卫星编队飞行中相对轨道的J2摄动分析

详细分析了$J_{2}$摄动对编队卫星相对轨道构形的影响. $J_{2}$ 摄动对相对轨道的影响分为相对轨道构形的漂移、相对轨道平面的章动和进动. 首先, 分析了相对轨道构形漂移速度、章动角速度和进动角速度的一阶近似表达式的数量级及其影 响因素. 其次,给出一个准则,来判断同一相对轨道的漂移和转动之间的关系. 最后, 利用该准则,分析了主、从星的轨道根数差对相对轨道的漂移和转动的影响.     

异步进动转子与限位器碰摩试验

利用限位器来限制储能飞轮实验转子的大幅度低频异步进动,设计了转子与限位器碰摩试验装置,研究转子的碰摩振动。分析了转子内表面碰摩力对转子运动的影响。转子与内置式限位器发生稳定的局部碰摩时,转子低频进动幅值不再增加,转子自转速度保持不变。碰摩转子的强迫振动在时域及频域都表现出了复杂性,碰摩冲击作为宽频激励,能够激励出转子-支承系统的第二模态正向进动。     

圆迹合成孔径雷达星载实现的可行性分析

圆迹合成孔径雷达(circular synthetic apertureradar,CSAR)是一种通过传感器平台作360°圆周运动来获得全方位高空间分辨率的聚束合成孔径雷达,本文通过对其星载平台进行动力学分析来研究其星载的可行性.首先以CSAR的工作条件作为约束,建立了星载平台轨道模型.然后以圆迹中心为基点,分析了星载平台的运动状态及受力情况,最终得到形成圆迹平台所需要的主动控制力.研究结果表明:形成圆迹的星载平台,作用在卫星平台上的主动控制力大小、方向是不断改变的,使得CSAR对任意纬度区域的观测很难实现.但对于两极点区域,当星载平台沿圆迹以一定的角速度运行时,主动控制力的大小、方向不变,易于实现控制,有星载实现的可能性.     

你真的会玩翻身陀螺吗?

推导翻身陀螺在翻身过程中的角速度,解释为什么不怕速度太快而翻过头、翻身陀螺进动与自转方向"相反",以及并不是自转越快越易翻身.     

进动圆筒内液体流动不稳定的非线性特征

在建立进动充液圆筒内液体偏差流动方程的基础上，结合液体惯性波和轴向二次流动线性解，通过对定常二次流动的线性稳定性分析，提出了函数空间表达的流动不稳定性非线性分岔分析方程. 对非惯性坐标系下液体流动的Navier-Stokes方程进行了数值求解，并对惯性波发生破裂(实验提供的3种主模态下得出的共振破裂现象)时的压力时间序列进行分析，得出了液体流动不稳定的基本非线性特征.     

太阳帆日心悬浮轨道附近的相对运动

研究悬浮轨道附近的编队飞行问题,推导了悬浮轨道附近的相 对运动方程. 由于编队太阳帆之间的距离与帆到太阳的距离的比值为小量,将相对运动方程 在悬浮轨道附近线性化,得到了线性化方程. 基于该线性化方程,考虑了悬浮轨道附近的几 种编队控制方法,只需通过调节太阳帆的姿态来进行简单的控制. 其中包括一种被动编队控 制策略,该控制策略具有实现简单、稳定区域大的特点,具有很好的工程应用前景. 最后基 于非线性方程对每种编队策略进行了数值仿真验证,数值结果表明该控制方法能实现编 队.     

基于光学数据的地球同步轨道目标定初轨方法

初轨确定的目的主要有两个,一是为空间目标精密轨道计算提供初值,二是为空间目标轨道测量数据相互关联提供初值,其重要性不言而喻。根据地球同步轨道目标的轨道运行特征,在观测弧段内相对测站几乎保持相对静止。由于光学测角数据中缺乏测距的约束,在基于短弧段的光学测角数据采用传统的Laplace方法计算其初始轨道时,由于观测条件的病态性,迭代过程大多发散,难以得到收敛的初轨结果。鉴于上述原因,本文采用遍历搜索轨道半长轴的方法,提出了基于给定半长轴引入伪测距的初轨确定方法,经过仿真数据检验,该方法初轨确定成功率优于95%,有效地解决了地球同步轨道带近圆轨道目标初轨确定过程中迭代难以收敛的问题。

     

基于伪地球坐标系的捷联惯导全球动基座初始对准算法

由捷联惯导系统建模原因造成的导航误差随纬度升高会被急剧放大,是实现惯导系统全球初始对准所面临的主要问题之一,且现有多种编排方案共存的全球初始对准算法也不利于初始对准算法在全球范围内统一。另一方面,极地地区越来越小的地球自转水平分量,使得极点及其附近的静态自对准是无法实现的,且动基座初始对准也有利于提高导航系统的快速反应能力。基于此,提出了采用伪地球坐标系惯导编排来实现惯导系统的全球动基座初始对准,消除由惯导建模造成对全球初始对准性能的影响,并期望探索一种统一导航编排的全球初始对准算法。最后通过仿真证明了该算法的可行性。     

一种改进的轨道动力学模型

航天器的矢径可以分解为矢径模和单位矢量的乘积,利用该性质将传统轨道动力学方程分解为矢径模和矢径方向的动力学方程组,实现了航天器位置信息的分离;针对两个方程分别采用常数变易法和四元数描述方法,将轨道动力学模型转化为线性无奇异的方程组,同时得到了7 个新轨道变量,且建立了新轨道变量与惯性系下航天器位置速度信息以及轨道六要素之间的相互转换关系. 该轨道模型适用于任意形式的推力和摄动,避免了奇异性,且在虚拟时间的意义下,航天器的旋转角速度只取决于法向力;在常值推力和变推力的情况下,对该模型进行了数值验证,验证了新模型的可适用性、数值稳定性以及计算精度高的优势.      

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。     

嫦娥四号中继星角动量管理策略设计及应用

嫦娥四号中继星在Halo轨道运行期间角动量卸载会对轨道构型产生扰动。本文研究了嫦娥四号中继星动量轮主动调姿卸载对使命轨道构型保持的作用,设计了中继星角动量管理策略。通过对角动量变化率建模,结合短期遥测数据,提出了一种基于微分修正的角动量变化预估方法。给出了中继星调姿卸载计算方法以及姿态机动过程中是否发生卸载的验证方法。针对嫦娥四号着陆器、巡视器处于月球日不同情况,给出了中继星姿态调整和调姿卸载策略。工程应用表明中继星角动量变化预估方法误差较小,根据角动量管理策略调姿卸载可以降低轨道维持频率,策略有效,具有工程可行性。

     

Elastic Vibrations of a Single-Support Thin-Walled Rotor (Compound Shell) During Complex Rotation

Steady precession vibrations of a single-support thin-walled rotor whose rotation axis is forced to make an additional rotation are simulated numerically. It is established that compared with double-support rotors, single-support rotors are more dynamically compliant and undergo two precession resonances over the range of rotation speeds being considered. Mode shapes of precession vibrations are drawn     

核磁共振陀螺多层磁屏蔽系统优化设计

核磁共振陀螺是目前世界上体积最小的导航级陀螺。由于核磁共振陀螺通过探测原子核的宏观磁化在静磁场中的进动频率来测量载体的角速度,为获得高精度与大动态范围,需要确保静磁场的稳定性,防止外部磁场的干扰,所以必须对核磁共振陀螺进行磁屏蔽。从核磁共振陀螺磁屏蔽原理出发,通过数学计算和计算机仿真,分析和研究了多层磁屏蔽罩结构参数对磁屏蔽系数的影响,并对核磁共振陀螺磁屏罩进行了优化设计。设计的多层磁屏蔽罩磁屏蔽系数达到了106,满足核磁共振陀螺的使用需求。该工作为核磁共振陀螺仪的整体设计和制造提供了一定的理论依据和参考价值。     

飞行器角速度测量的三轴加速度计法

飞行器角速度的测量在航空航天领域是极为重要的问题,然而现在主流的利用陀螺仪测量角速度的方法有造价较高这一问题。本文提出了一种通过测量刚体上非共线三点的加速度得到刚体角速度的方法,可以利用极为廉价的高精度加速度计较为准确地测量高速稳态飞行器的角速度。本文应用刚体运动学中的基点法,得到由刚体上非共线三点的加速度和其距离表示的刚体角速度,并对其进行了误差分析。最终采用数值模拟的方法,分析了此方法在具有较高角速度的飞行器和具有较低角速度的稳态卫星上得到的角速度的适用性。模拟结果表明,此种方法适用于稳态高角速度的飞行器。     

旋转薄壁圆柱壳振型进动的非线性振动特性

选取在工程上常用的悬臂旋转薄壁圆柱壳为研究模型,首先推导出考虑阻尼的振型进动因子,然后根据Donnell's简化壳理论建立考虑科氏力,阻尼与几何大变形的非线性波动方程,采用Galerkin方法对波动方程进行离散化,得到模态坐标中相互耦合的三阶非线性微分方程组.应用Runge-Kutta法求解获得非线性幅频特性曲线,分析了不同模态组合下系统主模态(m=1,n=6,k=1)的共振响应.应用谐波平衡法对系统三阶非线性微分方程组解析分析,与数值解比较验证了解析解的正确性和有效性.最后分析了动力系统的运动稳定性.结果表明,节径数n和频率倍数k对于主模态共振响应的影响很小,而轴向半波数m对主共振的影响则相对较大,因此只需选取相邻的两个轴向模态(M=2)即可较为简洁,准确的描述主共振响应;谐波平衡法可以很好的解决三阶微分方程组的非线性问题,并且能够达到较为满意的精度.     

Trajectory optimization and applications using high performance solar sails

The high performance solar sail can enable fast missions to the outer solar system and produce exotic non-Keplerian orbits. As there is no fuel consumption, mission trajectories for solar sail spacecraft are typically optimized with respect to flight time. Several investigations focused on interstellar probe missions have been made, including optimal methods and new objective functions. Two modes of interstellar mission trajectories, namely “direct flyby” and “angular momentum reversal trajectory”, are compared and discussed. As a foundation, a 3D non-dimensional dynamic model for an ideal plane solar sail is introduced as well as an optimal control framework. A newly found periodic double angular momentum reversal trajectory is presented, and some properties and potential applications of this kind of inverse orbits are illustrated. The method how to achieve the minimum periodic inverse orbit is also briefly elucidated.     

适用于大角速率动力调谐陀螺仪的力矩器对比研究

作针对动力调谐式陀螺仪最大进动角速率较小的不足,提出了一种结构简单、作用原理新颖的力矩器结构形式,由其构成的动力调谐陀螺仪的动态性能完全可满足捷联式惯导系统的要求。     

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.