临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。     

径向变体飞艇总体参数估算方法

为突破临近空间可操纵浮空器的关键技术难点,使可操纵浮空器往返地面至临近空间成为可能,提出了一种径向变体飞艇的总体参数估算方法,该方法基于阿基米德浮力定律和李式变体飞艇原理(Li-Style Transformable Airship Theory),通过艇体结构的径向变形来实现艇体截面积的自适与可控变化,控制飞艇容积变化以改变净升力大小,并使飞艇在容积变化中始终保持可操纵的气动外形,从而实现飞艇的升、降与驻空和飞行等控制.通过设计变形方案估算内气囊与外气囊尺寸,分析力学平衡与能源平衡估算飞艇长度.在拟定设计参数的基础上,给出了一种太阳能径向变体飞艇的总体设计方案,并通过设计实例验证了此方法的可行性与实用性.     

临近空间环境下封闭方腔内耦合换热特性

以临近空间浮空器载荷舱为应用背景,对复杂热边界条件下含热源的三维封闭方腔内自然对流、表面辐射和导热的耦合问题进行了数值模拟。综合考虑对流换热、长波辐射、太阳辐射等因素的影响,建立了临近空间热环境模型。通过Fluent软件用户自定义函数（UDF）引入外部非定常的辐射-对流耦合热边界条件,对腔内换热特性的昼夜变化进行研究,并分析了腔壁厚度、发射率和导热系数对其的影响。数值结果表明,腔内平均温度昼夜变化很小,约为12.9 K,但温度场分布随太阳方位变化而变化;腔内对流换热较弱,同一时刻最大温差约为71.3 K;腔壁热阻和发射率增加会削弱自然对流的强度。      

蒙皮热辐射特性对平流层浮空器氦气温度影响

分析了平流层球形超压浮空器在运行高度所受的各种环境辐射,研究浮空器处于热平衡状态时辐射传热、对流换热的作用规律,建立了浮空器的热平衡模型,分析太阳辐射、地面反照、地面辐射等环境辐照因素对浮空器全天各个时刻蒙皮材料和内部氦气平均温度影响,对比了吸收率、发射率和吸收发射比等辐射参数对浮空器热性能的影响.分析结果表明:具有低吸收发射比的蒙皮材料具有较好的热控效果;对于吸收发射比相同的蒙皮材料,具备低吸收率特性的蒙皮材料热控效果更为明显,更适用于长航时平流层超压浮空器.分析结果对浮空器蒙皮材料选择和总体设计具有指导意义.     

基于平流层风场预测的浮空器轨迹控制

平流层风场环境对浮空器设计和轨迹控制具有重要影响。针对平流层风场建模,以长沙地区2005—2010年的风场数据为例,首先采用本征正交分解（POD）方法对风场数据进行降阶处理;然后分别采用Fourier级数与BP神经网络算法对平流层风场进行预测,并对2种模型的预测精度进行比较分析;最后通过建立临近空间浮空器的动力学模型和高度调控模型,分析2种风场预测模型对浮空器轨迹控制的影响。研究结果表明,相对于Fourier预测模型,基于BP神经网络预测模型的预测精度更高,可信度更强,能够更好地为浮空器飞行轨迹控制提供参考价值。      

基于副气囊的平流层浮空器高度控制

浮空器悬停或飞行控制设计时,通常将风作为干扰项或阻力,螺旋桨需要消耗大量的能源克服风的阻力,而浮空器携带的能源有限,因此浮空器设计时存在欠能源问题。根据平流层风场的特点,采用副气囊控制浮空器的高度,实现平流层不同高度的风场利用,可以减小浮空器的能源消耗。建立浮空器高度控制模型,采用反步法设计浮空器高度控制器,利用状态观测器对浮空器的模型误差和输入误差进行估计,并进行了仿真分析,证明所设计的控制器能有效控制浮空器的高度。建立浮空器高度控制时其囊体内外压差变化模型,仿真分析表明, 浮空器高度变化后,其囊体最终内外压差与初始压差相同。      

高超声速飞行器热流密度/分层温度/碳化层研究

受试验设备能力限制,地面风洞无法完全模拟高超声速飞行器临近空间热环境。文章采用在飞行器表面开孔安装长时耐高温热流传感器直接测量热流密度的方法,国内首次获得Ma12以上高超声速飞行器表面热流密度时变数据和边界层转捩特征。实测热流值与理论预示值规律相同,两者偏差小于20%。针对树脂基材料导热微分方程中虽考虑了热解吸热项,但未考虑导热系数随温度变化情况,采用在树脂基材料导热微分方程中加入物性参数随温度变化项的方法,计算了飞行器热防护结构内部分层温度和碳化层厚度,并与实测结果进行了比较,不考虑树脂热解特性和材料物性参数随温度变化,理论值高于实测值,最大偏差275~320℃;考虑热解特性和物性参数随温度变化情况,计算值与实测值最大偏差小于70℃。     

毫米波大气窗口在临近空间等离子体鞘套中的传播特性

针对飞行器再入和以高超声速在临近空间飞行时出现的通信黑障问题,依据RAM C提供的飞行试验数据建立等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体厚度及等离子体碰撞频率和等离子体电子密度等参数对毫米波大气窗口传输的反射和衰减特性.综合分析表明,可以采用大气窗口35 GHz所在的Ka波段作为临近空间主通信平台,辅以大气窗口0.22 THz所在的太赫兹波段天基中继平台,以期实现飞行器在临近空间飞行时的实时测控.     

某高空飞艇光学吊舱热状态及飞行策略研究

使用光学遥感设备开展地球大气层临边观测是研究中高层大气目标特性变化规律的重要手段之一.光学遥感设备的热状态对其光学精度及系统信噪比控制至关重要，能够直接影响观测数据质量乃至观测任务的实现.针对中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪在高空飞艇平台探测的热状态需求，分析了光谱仪吊舱的热环境，给出了光学吊舱的热平衡控制方程，并对上升/下降段和平飞段先后开展了热状态计算，得到光学吊舱在不同状态下的温度变化规律、光电部件的温度场等计算结果.结果表明热控方案能够满足光谱仪的热状态需求.根据热状态分析计算结果，制定了飞行前后及飞行过程中光学吊舱的热控策略.本文分析方法和飞行策略可为同类飞行设备热控状态设计及研究提供数据参考.      

地球同步轨道长寿命卫星热控涂层太阳吸收率性能退化研究

文章介绍了15年地球同步轨道环境对卫星表面太阳吸收率性能影响的试验模拟研究,研究结果为长寿命卫星热设计及热控涂层选择和研制提供可靠依据;介绍自行研制的空间低能综合环境试验设备、太阳吸收率原位测试系统和空间低能综合环境模拟试验方法,并对航天器常用的S781白漆、SR107ZK白漆、F46镀银和OSR二次表面镜热控材料进行空间低能综合环境模拟试验,获得了这些热控涂层在地球同步轨道15年期间太阳吸收率性能退化模拟数据,与已有的飞行试验数据进行对比研究,取得满意的结果。     

单相流体回路辐射器性能优化方法

文章以“神舟”飞船辐射器为例,对管肋式单相流体回路辐射器的肋宽进行了优化分析。采用理论分析与数值求解相结合的方法,分析了管肋式辐射器常用性能评价方法--能质比及微元能质比（单位质量散热能力）随肋片宽度的变化规律;而后以提高辐射器能质比为优化目的,对辐射器肋宽进行了优化,得出了辐射器的最佳能质比对应的肋宽表达式;最后给出了“神舟”飞船辐射器优化前后的参数对比。文章对管肋式辐射器的优化设计具有很好的参考价值。     

《中国空间科学技术》创刊30周年

自1981年6月出版创刊号以来,《中国空间科学技术》至2011年6月已建刊30周年,出版了184期。
在伴随并见证着中国空间事业的高速成长与发展的同时,这30年中,《中国空间科学技术》也取得了一系列丰硕成果：荣获多次中国航天系统、国防科学技术委员会、北京市、国家级优秀科技期刊奖励;2000年入选“中国期刊方阵”和“双百期刊”;2008年被评为“中国精品科技期刊”;还被收入《中文核心期刊要目总览》,并被列入航空航天类统计引文源;入选“中国科技核心源期刊”;入编中国科学引文数据库统计源;被美国“剑桥科技文摘”（CSA）收录,并成为核心源期刊;2010年成为EI检索数据库正式收录期刊。
《中国空间科学技术》所取得的这些进步,是主管、主办单位各级领导大力支持的结果,是期刊编委、审稿专家无私培植的结果,是广大作者奉献智慧财富的结果,是众多读者关心爱护的结果。在此《中国空间科学技术》编辑部向他们致以衷心的感谢。
今后《中国空间科学技术》将始终本着“交流空间技术科研成果,探讨前沿技术,活跃学术研究,促进人才成长,服务空间事业”的宗旨,努力成为国内一流的学术技术刊物。编辑部将始终遵循“百花齐放,百家争鸣”的办刊方针,发扬学术民主,积极开展学术研讨,使《中国空间科学技术》成为中国空间科技人员发表研究成果、进行学术交流、探讨前沿技术的重要园地;成为宣传和展示中国空间科学技术成果的重要窗口;成为沟通航天工程技术领域科研人员的“桥梁”和“纽带”,为促进中国空间事业的发展做出应有的贡献。     

“ 互联网+” 计量发展现状与建议

分析了国内计量检测行业现状与存在的问题,描述了“互联网+”计量服务模式的初步探索情况,指出“互联网+”计量转型是未来计量检测领域的必然发展趋势,提出了“树立正确的互联网思维、加强对“互联网+”计量模式的研究与应用, 加强行业整合、提高为用户服务能力”的措施及建议。     

空间光学遥感器真空热试验工装模块化设计

针对空间光学遥感器在空间环境地面模拟试验中舱板温度分布不均的问题,运用模块化思想对某型号空间光学遥感器工装的舱板结构开展了优化设计。将舱板按照温度分布进行分块,提出模块化拼装和模块化热控2种设计方案,模块化拼装是对舱板及其表面加热片进行独立分块划分,模块化热控则是将舱板视为整体,仅对其表面的加热片进行分块设计。结果表明:模块化热控的舱板平均温度偏差为0.205 K,低于未模块化设计的0.87 K和模块化拼装的0.30 K,提高了舱板的温度均匀性。同时,模块化拼装改善了舱板温度分布,使得符合热控要求的测点比例由34.8%提高到96.7%,但独立划分的模块之间仍存在一定温差;模块化热控则消除了模块间的温差,将符合热控要求的测点比例进一步提高到100%,完全满足热控要求。      

适用于月面高温环境的嫦娥三号地形地貌相机热设计

“嫦娥三号暠月面探测器上安装的地形地貌相机工作时直接暴露在月面高温环境下,受月表红外辐射影响很大,给热控设计带来很大难题。为解决设备工作时的高温问题,在外热流分析的基础上提出了以“最佳散热位置暠为核心的热控方案,设备处于“最佳散热位置暠时能够获得较好的初始温度和最快的降温速率;另外通过把散热面布置在月表红外辐射热流最小的位置并在除散热面以外的其他表面包覆多层隔热组件这两个措施,可以最大程度减小月表红外辐射的影响。地形地貌相机在轨开机工作前的各飞行阶段遥测数据均满足存储温度指标要求并且有较大余量;开机工作环拍一周的遥测数据满足工作温度指标要求并且与热分析结果符合较好,初始温度与遥测温度数据偏差为-1灡7曟,温升速率和降温速率偏差分别为14灡9%和16灡9%。这表明该热控方案正确可行,可为后续中国深空探测类似热控问题参考。     

精密热控技术在太极一号卫星上的应用

为探测空间引力波,中国科学院提出了太极计划,其第一步是通过近地轨道卫星太极一号对核心载荷的关键技术进行验证.由于温度稳定性直接影响干涉仪测距和加速度的测量精度,太极一号卫星提出了（T±0.1）K的高精度、高稳定度温控指标.针对该指标要求设计热控方案,从热组件的选取到单机设备的应用均依照高指标进行控制.为了保证方案实施的有效性,在热设计实现过程中进行了详细的控制.热控方案采用“恒温笼”的设计思路以及三级控温方式,采取主动与被动相结合的原则,实现了在轨飞行（T±0.005）K的高稳定性温控指标.通过对高精度、高稳定度技术的应用研究发现,热控加热方案、漏热控制、控温仪单机的分辨率、测温电路、控制算法、控制精度、测温元件的测温分辨率仍然是制约高精度控温技术的重要因素.      

天问一号火星进入舱热控系统设计与验证

天问一号火星进入舱携带祝融号火星车实施进入、下降、着陆过程,其热控系统设计主要面临地火转移外热流大幅变化、进入火星舱壁气动烧蚀长时高温、着陆发动机点火局部超高温等技术挑战。为此,综合采用隔热设计、等温化设计、主动控温设计等热控手段,针对外热流大幅变化应用了新型SAL-2热控涂层,为解决局部超高温问题研制了新型气凝胶热防护装置,完整构建了进入舱的高效可靠热控系统。飞行遥测数据表明,全飞行过程设备温度和热控功耗均优于指标要求,进入、下降、着陆过程工作设备温度范围5.0~40.3℃,整舱平均控温功耗不超过43W,验证了进入舱热控系统设计的有效性。     

折叠式变体飞行器轨迹优化及控制分析

针对临近空间高超声速飞行器存在的问题，设计了一种折叠翼飞行器，可以通过折叠机翼来适应各种飞行状态，保持最优的气动特性。并针对临近空间滑翔式高超声速的特点，采用高斯伪谱法对固定翼飞行器和折叠翼飞行器的轨迹优化，通过将折叠翼飞行器与传统固定翼飞行器在射程能力、规避热流能力方面进行对比，提出了一种综合目标的轨迹优化思想。设计的折叠翼飞行器相比传统固定翼飞行器性能更加优越，更适合临近空间环境，提高了17.67%的航程，减少了热流率峰值的35.72%，并通过控制系统的设计和仿真加以验证，仿真结果表明变体飞行器机动能力相比固定翼飞行器有了显著的提高。     

基于激光测距的飞艇净重在线计算方法研究

通过对三维建模软件CATIA中的飞艇副气囊模型进行切片分割,获得了不同副气囊高度下的对应体积值,使用最小二乘法建立了副气囊中心点高度与副气囊体积的三次曲线拟合公式,采用相位式激光测距仪对副气囊中心高度测量,使用该公式可以估算出副气囊的实时体积大小,从而推算飞艇净重大小,掌握飞艇的压力高度和起降能力。使用某次飞行试验对副气囊高度测量的数据计算出的飞艇净重值,与多次地面称重数据一致性较好,验证了使用激光测距仪对大型飞艇净重进行在线评估的可行性,并使用该方法对某飞艇某次飞行试验过程中的净重进行了分析,对飞艇的压力高度进行了核算。