天地大课堂

6月20日上午10时04分，在距离地面300多公里的天宫一号里，中国女航天员王亚平进行了太空授课。此次授课主要面向中小学生，使其了解失重条件下物体运动的特点、液体表面张力的作用，加深对质量、重量以及牛顿定律等基本物理概念的理解。     

运载器式潜射导弹水面分离运动特性

基于分数容积障碍法(FAVOUR)、不可压缩Navier Stokes方程、RNG  k ε 湍流模型和VOF函数,建立了自由液面模型并与六自由度运动方程联合求解了运载器式潜射导弹的水面分离运动。通过数值计算结果与实验值对比，验证了计算模型的精度和有效性，进而对不同海况条件以及出水角度下潜射导弹的水面分离运动特性进行了对比研究。结果表明，各工况下运载器与导弹的质心位置、姿态角和轴向速度均处于稳定和发射安全允许范围内。但随着浪高的增加，导弹姿态角散布范围也明显增大。在5级海况下，运载器与导弹俯仰角的峰值达到22°。此外，相同海况下，若控制运载器以10°倾角出水，导弹分离后最终可以获得接近垂直的姿态。本文的数值分析方法能有效地用于预测运载器式潜射导弹水面分离过程。     

太空10大未解之谜之——反物质：宇宙中的异数

在上期的“太空谜云”栏目中，刊登了王山而的《暗物质：隐形在宇宙》一文，其对太空中神秘暗物质的介绍，引起了读者的极大兴趣。其实，早在2007年9月，NASA太空网就把宇宙中的10种神秘物质或现象列为了当代科学界最关注的太空10大未解之谜，“暗物质”仅是其中之一。此后，我们还将陆续推出太空10大未解之谜中其他未解之谜，敬请关注!本期，我们推出的是：     

非工作状态下电液伺服机构运动分析

针对电液伺服机构安装到运载火箭后存在非工作状态下承受外力并产生被动运动的现状，分析伺服机构的受力情况并构建内部液体流动回路，研究非工作状态下伺服机构在外力作用时的运动特性。发现伺服阀零位特性以及伺服机构高压回路密封性能是影响伺服机构非工作状态下运动特性的主要因素。在外力作用下发生运动时油缸某一侧往往处于抽真空状态。使用零位特性良好的伺服阀以及高压回路泄漏小的伺服机构，在外力作用下将处于双向不动或单向可动的状况。利用典型产品开展了物理试验，验证了结论的有效性。     

周边桁架式大型星载天线的展开可能性分析

对某周边桁架式大型星载天线的展开可能性进行了研究。在其展开运动机理分析的基础上，建立了展开机构的力学分析模型，并推导了桁架杆内力的计算式。从桁架展开要满足的功能函数出发，给出机构运动可靠性的分析模型。综合考虑尺寸误差和太空环境因素的影响，将运动功能函数视为随机变量函数，利用二阶矩法导出可靠性计算公式。最后，对机构在整个展开过程中的运动可靠性进行预测和仿真。计算结果的变化趋势与实际进程比较吻合，表明本文方法是合理的、有效的。     

带移动负载海上浮筒系统运动响应特性初步研究

将某类海上自动作业系统简化为带移动负载的浮筒系统,其中负载简化为外径为180mm、约50kg重的柱型体,浮筒为外径533mm的圆筒;初步设计了浮筒系统的主参数。在此基础上,采用频域数值模拟计算,获得了浮筒自由状态下的固有周期和运动响应传递函数(RAO);再采用时域模拟方法,预报了3级海况下(JONSWAP谱)浮筒系统整体的运动响应特性,给出了运动响应幅值、最小干舷高度等特性参数,可为相关装备设计提供技术参考和借鉴。     

轨控喷流干扰气动—运动一体化非定常数值模拟

针对运动条件对反作用控制喷流控制气动干扰的影响,基于雷诺平均N-S方程,建立非定常气动--运动一体化方法,通过计算流体力学（CFD）/刚体动力学（RBD）耦合求解,对一种采用轨控喷流直接力控制的锥柱裙外形进行了数值模拟,研究了干扰流场结构、力和力矩与飞行器状态随时间变化特性,分析了运动非定常计算和定常计算的对比结果以及外流参数（马赫数,攻角等）变化对气动运动特性的影响。研究结果表明：轨控喷流使飞行器运动时存在强烈的非定常特性,定常计算的法向力放大系数和干扰俯仰力矩大于运动非定常计算结果。     

R2：机器人航天员

空间机器人按用途主要分为星球（月球、火星等）探测机器人和空间站应用机器人，可以在太空恶劣的环境下代替人类完成危险和难以完成的任务，如探索火星和水星等行星，搭建空间站，进行太空实验和空间飞行器、卫星、太空望远镜等的维修和维护任务，甚至保卫太空安全等。     

太空环境中水在各种温度下的状态以及部分基于水的实验

实验目的： 探究太空中的水在各种温度下的状态，为以后人类长时间的太空活动的生命维持探索可行方案，甚至为建立一个太空的人工生态系统有所帮助。验证布朗运动：试验在失重下是否还可以进行热传导。     

星载合成孔径雷达的运动效应

对星载合成孔径雷达的运动效应进行了详细的分析，给出了雷达回波的多普勒参数和距离徒动特性的一般关系式。详细论证了卫星运动对多普勒参数和成像的影响，导出了描述速度误差、加速度误差和姿态误差的一系列定量计算公式，并就运动误差的补偿方法进行了阐述。     

航天器的系统组成

由航天运载器携带、从航天发射场升空并在航天测控网站的跟踪测量控制下进入特定太空轨道运动的航天器,称为太空中的人造天体。这种人造天体在太空中的运动基本上遵循天体力学的规律,这是它的一个特点。但仅具有这个特点还成不了“器”(器具)。航天器必须具有满足地面特定需求的功能,才可成为在太空中探测研究太空环境和开发利用太空资源来为人类造福的工具。     

卫星双向时间传递中的卫星运动误差研究

对转发卫星运动引入误差进行了研究。推导了卫星双向时间传递中的卫星运动误差模型，用两行轨道根数（TLE）对目前在轨的多颗地球同步轨道卫星（GEO）的运动进行计算。仿真结果显示：GEO卫星的受摄运动导致的卫星运动误差迭数百皮秒，卫星运动规律呈现周日特性，导致1d中不同时刻进行的卫星双向时间传递操作产生不同大小的卫星运动误差。     

电磁涡旋波斜平面旋转目标运动参数估计方法

相较于传统平面电磁波,电磁涡旋波具有螺旋分布的波前相位、特殊的环形天线方向图、独特的涡旋方位维信息等特点。近几年来,得益于其特殊的物理特性,电磁涡旋波在目标运动参数估计领域受到了广泛的关注,其目标多普勒效应具有线性多普勒与旋转多普勒两维多普勒信息。现有参数估计方法实现了运动平面与涡旋天线口面平行时的目标旋转参数测量。然而,目标斜平面旋转下,现有方法将不再适用。基于电磁涡旋波所提供的目标旋转多普勒信息,提出一种斜平面旋转目标运动参数估计方法。该方法推导了一般形式下旋转目标的多普勒信号模型,通过分析斜平面下的多普勒信息特征,建立了目标运动参数表征式,给出了斜平面目标旋转参数的计算方法。最后通过仿真分析,验证了模型及参数计算方法的正确性及有效性。     

在太空“散散热”

空间站上,要实施诸多科研项目,大都会使用到各种电子设备,但如果太空中的电子设备过热怎么办？在地面上,电脑可以通过小风扇来散热,而在微重力环境下,没有空气对流运动,从而给计算机等电子设备散热就成为一个难题。那么我们来看看这个难题到底是如何解决的呢？     

不同约束模型下降落伞-返回舱系统运动特性分析

建立了球铰链约束、单点吊挂约束、倒“Y”型约束三种约束模型,并对某型号舱-伞系统稳定下降过程的运动特性进行仿真计算,给出在三种约束模型下,系统运动参数随时间、高度变化的对比曲线图,并对仿真结果进行分析。计算所得结论可为降落伞-返回舱系统进行运动特性分析时简化约束模型提供重要参考。     

太空用笔历史

在2009年广受好评的印度电影《3 idiots》开头，引入了一个关于太空笔的小插曲：教授指着胸前佩戴的太空笔对新入学的学生们说：“……这支（太空）笔是卓越的标志，32年前，我的老师把它送给我的时候对我说，等你遇见和你一样卓越的学生，请再传给他。32年过去了，我一直在等那个学生出现……”     

周边桁架式大型星载天线的展开可能性分析

对某周边桁架式大型星载天线的展开可能性进行了研究.在其展开运动机理分析的基础上,建立了展开机构的力学分析模型,并推导了桁架杆内力的计算式.从桁架展开要满足的功能函数出发,给出机构运动可靠性的分析模型.综合考虑尺寸误差和太空环境因素的影响,将运动功能函数视为随机变量函数,利用二阶矩法导出可靠性计算公式.最后,对机构在整个展开过程中的运动可靠性进行预测和仿真.计算结果的变化趋势与实际进程比较吻合,表明本文方法是合理的、有效的.     

零重力运动模拟跑台

失重环境下，人体产生力量的肌肉和骨架失去用武之地，肌肉会逐渐萎缩，钙、磷、镁等元素流失；重新回到重力环境后，人容易发生骨折，这些都可归入“航天运动病”。这些生理病症如同达摩克利斯宝剑，时刻悬在太空旅行者的头顶。     

卫星光通信终端二维转台运动参量对天线指向影响研究

二维转台与卫星平台间的耦合运动，是影响卫星光通信终端天线指向控制的重要因素。在耦合动力学模型基础上，研究了二维转台不同运动参量对光通信终端天线指向偏差的影响。分析结果表明：在耦合动力学环境下，光束指向偏差随二维转台转动成规律性变化；当方位轴、俯仰轴转角θh、θv分别为（π，0）、（-π，0）时，指向偏差出现最大值；随二维转台转动时间的增加，天线指向偏差略有增加，转动时间由10s增加到1000s时增幅仅为1％。其结果为补偿耦合运动影响，保证天线指向控制精度，提高卫星光通信终端星上应用的稳定性打下基础。     

空间机械臂非完整运动规划的遗传算法研究

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时，系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统。由于非完整约束的不可积性，非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多。现利用非完整特性研究了自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动控制问题。首先导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型，并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题。在运动规划中，根据最优控制原理和优化理论，提出基于遗传算法的最优运动规划数值算法。通过数值仿真，表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的。