Spatial variation of the supersonic thermal plasma flow downstream of the termination shock

In this paper we start from the most recently observed fact that the solar wind plasma after passage over the termination shock is still supersonic with a Mach number of about 2. To explain this unexpected phenomenon and to predict the evolution of properties of the downstream plasma flow we here consider a two-fluid proton plasma with pick-up protons as a separate suprathermal, second proton fluid. We then formulate a self-consistent system of hydrodynamical conservation equations coupling the two fluids by dynamical and thermodynamical coupling terms and taking into account the effects of newly incorporated protons due to charge exchange with the H-atoms in the heliosheath. This then allows us to predict that in the most probable case the solar wind protons will become subsonic over a distance of about 30 AU downstream of the shock. As we can also show, it may, however, happen that the plasma mixture later again reconverts to a supersonic signature and has to undergo a second shock before meeting the heliopause.     

卫星液体推进剂剩余量测量的热力学模型及其应用

通过对气体注入压力激励法测量卫星液体推进剂剩余量装置系统的详细热力学过程分析,建立了能满足实际测量需求的等温和绝热两种热力学模型,对具体测量模型的选用及相关问题进行了分析讨论,并在此基础上给出了两种模型在实际测量中的应用模式。     

流动拓扑对液体射流失稳与雾化的影响

在大推力液体火箭发动机燃烧过程中，推进剂射流失稳与雾化是起始环节，会对后续蒸发与燃烧等过程产生显著影响。尽管前人做过很多研究，但对湍流射流雾化机理的认知还存在盲区。基于此通过流动拓扑理论来揭示湍流液体平面射流的雾化机理。采用直接数值模拟方法对静止空气环境下的液体平面射流雾化过程进行了高分辨率数值模拟，分析了流场中不同拓扑结构与气液界面曲率的相互影响，阐明了流动拓扑对液体平面射流雾化的影响机制。研究发现，所有流动拓扑结构都有助于产生压缩应变率和拉伸应变率，其中不稳定焦点结构(UFC)拓扑结构对流场应变率的影响最大；在流动拓扑结构影响下，液体体积分数等值面的曲率与应变呈现负相关关系。另外，UFC主要产生拉伸应变率，而其余流动拓扑结构主要产生压缩应变率。研究结果表明: 射流雾化过程主要受到UFC拓扑结构的影响，UFC会促进气液界面产生较大的拉伸应变率，进而促进片状或管状结构液体结构生成，从而引起液体射流破碎。      

镜反射凹面及相互可视表面的轨道外热流计算

通过对空间表面所受外热流以及镜反射表面所具有的特性的分析，提出了采用蒙特卡罗法计算镜反射凹面及镜反射相互可视表面的轨道热流的方法，并对半球凹面和两相互垂直可视平板的轨道热流进行了计算。     

流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能影响

为研究流动应力计算对铝合金板材充液热成形性能的影响,进行了板材热态胀形试验,得到了不同直径的胀形高度-压力曲线。结合三坐标测量仪测得的胀形零件轮廓数据,拟合出了最小二乘圆（LSCF）半径,发现在高径比（h/a）范围（0.18 < h/a≤0.68）内,对应的曲率半径与圆形半径之间的圆形度误差为5%。为获取更为精确的应力-应变曲线,通过对现有曲率半径和厚度理论模型进行比较,结合流动应力计算,发现Hill及Panknin曲率半径模型的平均值及Kruglov-Hill厚度模型最符合试验数据。利用组合模型计算胀形试验所得到的胀形高度-压力曲线,得到了不同温度、不同压力率下的应力-应变曲线。结果表明,210℃时方向异性（轧制方向及垂直方向）对铝合金7075-O胀形件曲率半径的影响很小;同时,压力率可影响其应力-应变曲线。      

“Biospherics” approach for studies of natural and artificial ecosystems

The main unifying feature of natural and artificial ecosystems is their biotic turnover (cycling) of substances which is induced with energy fluxes. A new integrating scientific discipline – Biospherics – studies biotic cycles (both in experiments and in mathematical models) of different degree of closure and complexity. By its origin, Biospherics is to be connected with extensive studies of Biosphere by Russian academician Vladimir Vernadsky. He developed and used “empirical generalizations” based on innumerous observations, comparisons and reflections. His “bio-geo-chemical principles” of Biosphere and ecosystems development have more qualitative than quantitative nature. Quantitative criteria to evaluate the efficiency of natural and artificial ecosystems are to take into account energy fluxes and their use in ecosystems of different types. At least, three of them are of value for estimation of natural and artificial ecosystems’ functional activities. Energy principle of extensive development (EPED), energy principle of intensive development (EPID) and main universal (generalized) criterion (MUC). The last criterion (Principle) characterizes the specific cycling rate of limiting chemical elements in multi-organism systems, developing under external energy fluxes. Its value can be a quantitative measure of effectiveness for every ecosystem functioning, including our global Biosphere. Different examples of these (above-mentioned) integrated criteria actions are presented and analyzed in the paper.     

纳卫星散热面与隔热层的联合设计模型与算法

纳卫星的被动热控系统对卫星舱内的温度控制及其有效载荷的可靠工作具有重要意义.散热面与隔热层设计是被动热控设计的两大关键环节.在对其进行传热学分析的基础上,建立了纳卫星散热面面积及隔热层厚度的联合设计模型和求解算法,阐述了应用这一联合设计模型与算法的具体流程,并以一太阳同步轨道纳米卫星为例,在客观分析其轨道热环境特点的基础上,对其散热面面积和隔热层厚度进行了设计计算、结果分析和仿真验证,得出了各设计参数间的制约关系,设计结果的分析及仿真验证表明:采用散热面和隔热层的联合设计可以得到较好的被动热控效果,这一联合设计模型与算法为纳卫星的被动热控系统设计提供了简便的设计计算模型和求解算法.      

The atmospheric radiation response to solar-particle-events.

High-energy solar particles, produced in association with solar flares and coronal mass ejections, occasionally bombard the earth's atmosphere. resulting in radiation intensities additional to the background cosmic radiation. Access of these particles to the earth's vicinity during times of geomagnetic disturbances are not adequately described by using static geomagnetic field models. These solar fluxes are also often distributed non uniformly in space, so that fluxes measured by satellites obtained at great distances from the earth and which sample large volumes of space around the earth cannot be used to predict fluxes locally at the earth's surface. We present here a method which uses the ground-level neutron monitor counting rates as adjoint sources of the flux in the atmosphere immediately above them to obtain solar-particle effective dose rates as a function of position over the earth's surface. We have applied this approach to the large September 29-30, 1989 ground-level event (designated GLE 42) to obtain the magnitude and distribution of the solar-particle effective dose rate from an atypically large event. The results of these calculations clearly show the effect of the softer particle spectra associated with solar particle events, as compared with galactic cosmic rays, results in a greater sensitivity to the geomagnetic field, and, unlike cosmic rays, the near-absence of a "knee" near 60 degrees geomagnetic latitude.     

复杂曲面上的自动铺放路径规划方法

自动铺丝是一种先进的复合材料自动制造技术,广泛应用于制造形面复杂的复合材料构件。大曲率区域丝束的压实质量较差、铺放路径的方向偏差和转弯半径难以同时满足等问题,导致了各种铺放缺陷。研究了曲面曲率对路径性能的影响,建立了分区域路径规划机制。采用压辊到曲面的距离来表征丝束压实情况,并根据曲面曲率估算可压实丝束的数量。建立了局部方向偏差和转弯半径计算方法,并在路径密化过程中实时评价,在路径性能超出约束时进行分区。考虑了丝束压实、方向偏差及转弯半径对铺放路径的约束,保证了整张曲面的铺放质量和铺放效率。在翼梢小翼曲面上完成了路径规划方法的仿真和实验验证,结果表明:所提方法能够在复杂曲面上获得满足性能要求的铺放路径。      

基于Euler方程的三维机翼厚度与扭角优化设计

使用Euler方程作为流场解算器,结合Powell算法,讨论了在确定的机翼平面形状和翼型的条件下,以最大升阻比为目标的三维机翼截面翼型最大厚度与扭角的优化设计.设计中以机翼沿展向0.1,0.2,0.3,0.8,1.0倍半展长的翼剖面的厚度作为优化控制量,再选取翼梢剖面的扭角增量为第6个控制量,对机翼作了数值优化设计计算,得到了在亚音速时具有相对较大升阻比的机翼其厚度及扭角的优化分布.针对Lockheed-AFOSR Wing B的亚临界和超临界算例结果表明,厚度的非线性分布和负的扭角会改善机翼流场的流动状态,使机翼的升阻比得到提高,优化设计方法是可行的.      

太阳电池阵极月轨道在轨热分析

以极月轨道上太阳电池阵作为研究对象,详细分析了该轨道上电池阵所得各外热流的确定方法.以此为基础,对太阳电池阵进行在轨温度数值模拟,得到月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布.计算结果与地球卫星的相应数据进行比较,明确了月球轨道上电池阵所得外热流以及温度的周期分布特点,为月球卫星上太阳电池阵以及整个卫星的设计提供了有利的数据参考.      

基于姿态标准化的线特征点云提取方法

从零件三维点云中提取棱边等线特征所对应的点云是零件模型重构的关键,也是点云数据处理的基本操作.基于曲率的线特征点云提取方法易受点云初始姿态以及曲率估计方法的影响,曲面拟合及曲率估计误差较大.提出了一种基于点云姿态标准化的线特征点云提取方法:首先计算点云主方向并将其同z轴对准实现点云姿态的标准化,然后进行曲面拟合并以最大主曲率绝对值作为曲率估计值,最后对曲率值取阈值提取出线特征点云.用不同类型的点云数据进行了实验,结果表明所提方法有较高的提取效率和良好的适用性.     

Trapped antiprotons produced by cosmic rays in the Earth's magnetosphere.

The existence of significant fluxes of antiparticles in the Earth magnetosphere has been predicted on theoretical considerations in this article. These antiparticles (positrons or antiprotons) at several hundred kilometers of altitudes, we believe are not of direct extraterrestrial origin, but are the natural products of nuclear reactions of the high energy primary cosmic rays (CR) and trapped protons (TP) confined in the terrestrial radiation belt, with the constituents of terrestrial atmosphere. Extraterrestrial positrons and antiprotons born in nuclear reactions of the same CR particles passing through only 5-7 g/cm2 of interstellar matter, exhibit lower fluxes compared to the antiprotons born at hundreds of g/cm2 in the atmosphere, which when confined in the magnetic field of the Earth (in any other planet), get accumulated. We present the results of the computations of the antiproton fluxes at 10 MeV to several GeV energies due to CR particle interactions with the matter in the interstellar space, and also with the residual atmosphere at altitudes of approximately 1000 km over the Earth's surface. The estimates show that the magnetospheric antiproton fluxes are greater by two orders of magnitude compared to the extraterrestrial fluxes measured at energies <1-2 GeV.     

湿滑跑道飞机着陆轮胎-水膜-道面相互作用

基于飞机在湿滑跑道着陆时轮胎-水膜-道面相互作用流体力学平衡,得到道面积水水膜厚度、飞机行驶速度和轮胎花纹沟槽深度为动水压强的主要影响因素。以波音737-800的主轮胎为主要研究对象,建立轮胎-水膜-道面相互作用三维模型,基于Fluent软件建立三者相互作用有限元分析模型,采用流体体积函数(VOF)法获得轮胎迎水面水流分布情况和平均动水压强,利用上述有限元模型对动水压强影响因素进行规律性分析,得出动水压强的显著影响因素为道面积水水膜厚度和飞机行驶速度,动水压强与水膜厚度及行驶速度呈正相关,水膜厚度大于3 mm时水膜产生的动水压强增长较快,等于12 mm时动水压强达到并超过胎压(1.47 MPa),存在滑水风险。行驶速度小于100 km/h时,动水压强值小于胎压,不存在滑水风险。基于上述分析结果建立动水压强与水膜厚度、行驶速度和轮胎花纹沟槽深度之间的相关关系式,考虑着陆升力的影响,获得不同降雨条件下波音737-800临界滑水速度及着陆距离延长值,为飞机着陆安全行驶提供重要理论依据。     

部分开放多极磁场中的日冕磁绳灾变

采用球坐标下二维三分量理想MHD模型，研究部分开放多极背景磁场中日冕磁绳的灾变现象．背景磁场由含3个闭合双极场的冕流和带赤道中性电流片的开放场构成，磁绳位于中心双极场的下方，其特性由环向磁通和轴向磁通表征．对给定的环向磁通，存在轴向磁通的一个临界值；对给定的轴向磁通，也存在环向磁通的一个临界值．在该临界值以下，磁绳附着于太阳表面，系统处于平衡状态；该临界值一旦被超越，磁绳将脱离太阳表面向上喷发，说明部分开放多极背景磁场中的日冕磁绳系统存在灾变现象．本文算例表明，灾变点对应的磁能阈值超过对应部分开放场(中心双极场开放，两侧的双极场仍维持闭合)能量约15％，其超过部分可为日冕物质抛射一类太阳爆发提供能源．     

用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰

采用GAO-YONG可压缩湍流方程组,模拟了平板激波/湍流边界层干扰现象.运用SIMPLE算法求解方程组,并分别采用三阶精度的QUICK格式和中心格式离散对流项和扩散项.计算结果较好预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征: 分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波.对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够高精度模拟平板激波/湍流边界层干扰流动.      

视线测量光学导航系统观测模型选取

在基于视线矢量观测的自主光学导航系统中,观测模型的非线性是影响导航精度的一个重要因素。通过定量计算观测模型的非线性强度,研究了视线测量光学导航系统测量模型的选取问题。文章基于透射投影模型的共线性方程,给出了两种视线矢量观测模型的导航测量方程及测量噪声统计特性。在扩展卡尔曼滤波框架内深入分析了观测模型非线性对导航性能的影响。并利用微分几何非线性曲率测量理论,定量比较了两种观测模型的非线性强度。最后以基于视线矢量观测的姿态确定系统为例,仿真验证了非线性曲率测量与导航性能的一致性,结果表明基于单位矢量观测模型的光学导航系统具有更高的估计精度和更快的收敛特性。     

曲率连续造型方法对激波噪声的影响机理

激波噪声是大涵道比涡扇发动机噪声的主要来源。为降低风扇/压气机叶片叶尖产生的激波噪声，对轴向亚音、相对超音的基元级叶型前缘脱体激波系进行研究。基于几何Hermit差值法（GHI）思想，提出一种3段式贝塞尔（Bezier）曲线构造曲率连续前缘叶型的方法，在完成改型设计时拥有更高的自由度。通过改变前缘上3段Bezier曲线间过渡点位置，探究局部曲率优化、整体曲率优化及带厚度补偿的改型方式对前缘处外伸激波强度和激波噪声的影响。通过对比研究不同数值模拟，结果表明：曲率连续前缘设计能减小叶型前缘处过膨胀区大小，减小由此产生的逆压梯度；局部曲率优化和整体曲率优化的方式能够分别在距前缘1倍弦长处降低噪声1.6 dB和4.6 dB。     

复杂外形网格生成技术及应用

以某型双立尾战斗机为例,给出了实际复杂型号飞行器结构网格生成的一种分块方案及实现过程,用一种矢性三次多项式插值的方法生成相邻块公共交界面的网格,用Hilgenstock方法修正源项,求解椭圆型方程生成块内空间网格,使网格线与边界面夹角、与边界面间距控制为期望的值.在所生成的双立尾战斗机分块结构网格中求解Euler方程,获得了合理的全机气动力系数、翼面压力分布和绕流图谱结果.     

飞机旋转表面结冰数值模拟

在Shallow-Water结冰热力学模型的基础上, 搭建了一套适用于三维旋转表面的非稳态结冰模型, 采用Jacobi迭代法和Gauss-Seidel迭代法对表面结冰进行非稳态迭代求解。用所提模型对简化后的旋转桨叶模型进行计算, 并与FENSAP软件结果进行对比, 验证了所提模型的准确性, 分析了转速、水滴直径和液态水含量等因素对旋转表面结冰冰形和水膜流动的影响。结果表明:随着转速的增加, 结冰范围和水膜覆盖范围偏移愈加明显;结冰范围和水膜覆盖范围随水滴直径增长逐渐增加, 水膜厚度也逐渐增大;结冰厚度和水膜厚度随液态水含量增长而相应增加, 水膜覆盖范围也明显变大。