空间应用高光束质量小型化被动调Q激光器

为了实现航天应用的特定需求，对空间激光器的激光单脉冲能量、脉冲宽度、光束质量等都有严格的技术指标要求。研究并设计了一种适用于空间的小型化高光束质量被动调Q激光器，实现了工程样机。样机输出激光脉冲宽度约为5 ns，峰值功率可达兆瓦，激光光束质量因子M²=1.01，单脉冲能量稳定性均方根(Root Mean Square， RMS)为1.53%。激光头体积为0.469 L，质量为0.52 kg，激光器样机实现了结构小型化。     

机载220 GHz云雷达衰减订正模拟试验

针对220 GHz云雷达回波信号的衰减问题，结合典型云滴谱和云参数，对水云和冰云模拟取样2 100次，应用离散偶极子近似法计算了220 GHz云雷达探测云滴粒子的衰减系数kc和雷达反射率因子Z的关系。在考虑大气和云对220 GHz云雷达信号衰减的基础上，对水云和冰云的机载220 GHz雷达回波强度进行了数值模拟，根据得到的kc-Z关系，进行衰减订正的模拟试验。结果表明:水滴云比冰晶云的衰减系数大2~3个数量级;相对于小粒子的水云和冰云，大气吸收是造成机载220 GHz云雷达衰减的主要原因。高频段的雷达信号在传播路径上的衰减非常明显，本研究中给出的kc-Z关系适用于220 GHz频率雷达的云衰减订正计算。     

驱动模式和转速对某星载天线扰动特性的影响

空间天线姿态调整过程中产生的微振动，对航天器指向精度和稳定性影响较大，因此其微振动分析与设计已成为高精度航天器设计的重要内容。基于Ansys软件和Admas软件，建立天线结构的多柔体系统动力学分析模型，分析典型驱动条件下天线结构的扰动力和扰动力矩，通过地面微振动物理试验，验证动力学分析方法的可靠性。基于天线多柔体系统动力学分析模型，探讨驱动模式、驱动转速对天线扰动力和扰动力矩的影响。结果表明:扰动力和力矩主要幅值集中在频率f=0~50 Hz的低频段;驱动模式和驱动转速对天线结构的扰动频率无明显影响，主要影响扰动力和扰动力矩的幅值;单轴驱动模式下，驱动转速n=0.2 °/s时，天线的扰动最剧烈;XY双轴同时驱动时，X轴和Y轴转动单元引起的天线扰动产生一定程度的叠加，天线结构的扰动更为剧烈，扰动力和扰动力矩变化较为复杂。研究工作可为空间天线的微振动抑振策略制定提供技术支持。     

固液捆绑火箭起飞喷流特性及对发射台影响研究

为了研究固液捆绑火箭起飞阶段多簇高度欠膨胀燃气射流冲击发射台及导流装置的复杂流场图谱，基于连续介质假设，建立固液捆绑火箭发射燃气羽流含Al2O3颗粒混合物流动的欧拉离散相气-固耦合流动模型，包括燃气多组分可压缩N-S方程、Al2O3颗粒流动方程、RNG k-ε湍流模型，并运用二阶Roe迎风差分格式求解控制方程的对流通量，二阶中心差分计算耗散项。在流动计算结果基础上，建立高温燃气射流的热辐射方程，采用离散坐标法(DOM)计算多簇燃气射流热辐射的影响，通过数值模拟得到火箭起飞时高度和漂移量对发射台和箭体底部底部燃气射流流动及热流密度的影响。所得结果可为发射台和箭体底部防热设计提供一定的参考依据。为了验证欧拉离散相模型及其数值方法的有效性，以固体推进剂标准发动机羽流热环境实验为对象，将数值模拟结果与实验数据进行了对比，发现两者的温度和热流密度相对误差分别为2.2%和3.7%，由此可见本文的方法具有良好的数值精度。     

载人航天器太阳翼多姿态输出能力建模及分析

载人航天器太阳翼在轨运行期间除正常对日定向转动外，根据飞行任务要求可能需要工作在α轴水平归零或垂直归零等特殊状态。在特殊工作模式下，太阳入射角和太阳翼的输出能力变化曲线更加复杂。建立太阳入射角与轨道角、太阳高度角、β轴转角等变量的数学模型，分析太阳入射角的变化规律，并结合光照区时长，建立太阳翼在轨输出能力的预测模型。与实际飞行数据相比较，表明该模型可较为准确地评估特殊工作模式下太阳翼的输出能力，可用于在轨整舱能量平衡分析，为飞行任务计划安排提供参考。     

基于FFT算法的激光有源非稳腔光场分布数值计算方法

在激光器应用中,激光发散角是重要的技术指标,可由光场分布得出。非稳腔由于易于实现高光束质量输出的优势,是激光器的常用腔型。为了快速获得有源非稳腔激光器的光场分布,提高激光器设计仿真效率,在参考了现有激光器谐振腔数值算法的基础上,建立了一种基于快速傅里叶变换算法的有源谐振腔光场分布计算模型;基于该模型,开展了有源非稳腔的谐振腔特性研究,重点分析了小信号增益分布、输出镜反射率分布及谐振腔的腔镜失谐等因素对激光器光场分布的影响,并量化分析了上述参数对激光器发散角的影响;同时,通过搭建激光器样机,获得了激光输出光斑分布、失谐发散角参数等试验结果,并与光场分布计算模型的计算结果进行了对比分析,认为两者的光斑分布及发散角随腔镜失谐角度变化的趋势大致相同,验证了光场分布计算模型的正确性。因而,在有源谐振腔设计中,应用文章中建立的计算模型,可以对激光器的泵浦设计、腔镜参数选择等提供直观、量化的参考。     

基于时变散射特征与CNN的双极化SAR作物分类

作物类型分类是极化合成孔径雷达(PolSAR)图像中最重要的应用之一。然而，由于成本和系统限制，越来越多的双极化SAR系统已经投入使用。由于双极化模式的限制，双极化SAR数据集存在严重的贴现特性，使得双极化SAR图像难以获得令人满意的分类精度，因此有必要提取更适合于双极化SAR数据集的散射特征。基于H/α分解的基本理论，引入了一个新的参数来测量农作物的时变散射特性，并针对双极化SAR图像提出了时变散射特征驱动的卷积神经网络(CNN)。实验结果表明:提出的CNN分类方法达到了最高的分类精度。与不同的特征组合输入相比，提出的新参数能稳定地提高分类器的分类性能，H、α、θ和强度特征的组合也能达到最佳的分类性能。     

分体组合式双自由度对日定向系统构型及布局设计

为解决空间站在不同的构型及飞行姿态下，因太阳入射角变化大引起的太阳电池翼难以对日定向的难题，提出分体组合式双自由度对日定向系统构型。研究空间站构型及飞行姿态，确定采用A轴与B轴2个轴独立运转、单独控制的对日定向方式，2个轴通过桁架结构实现正交连接。在梦天实验舱单舱飞行时，A轴不动，B轴根据轨道周期跟踪太阳，通过飞行器姿态调整补偿太阳入射角的变化。组合体飞行时，B轴补偿太阳高度角，A轴根据轨道周期带动B轴与太阳电池翼共同跟踪太阳，实现双自由度对日定向。在轨飞行结果表明:在不同的舱段构型及飞行姿态下，功率通道输出功率波动幅度由60%减小到7%，分体组合式双自由度对日定向系统构型能够适应空间站复杂的飞行工况。     

星载“偏振交火”传感器设计及初步在轨应用

针对近地表细颗粒物含量的卫星遥感精度问题，系统提出了“偏振交火”的卫星遥感策略和模型，开发了高精度偏振扫描仪(POSP)和多角度偏振成像仪(DPC)双偏振载荷套件，装载在大气环境监测卫星上并成功发射。本文在介绍“偏振交火”原理的基础上，系统论述了载荷工程的实现方法和在轨应用方法，初步展示和评估了在轨应用效果。在轨初步应用结果显示:双偏振载荷间能够实现稳定交火工作，视场匹配精度优于0.077 POSP像元;基于L1级数据初步开展了双偏振载荷间的辐射和偏振交叉定标/验证，共有波段拟合优度(R²)分别达到0.999和0.993;基于“偏振交火”载荷观测数据融合反演的近地表PM2.5与地基网络监测结果的相关性为0.684，偏差落在期望误差(EE)范围内的比例为88.36%。初步在轨结果达到了预期应用目标，显示了“偏振交火”方案在气溶胶污染监测方面的应用潜力。     

一种新型铁电移相器材料的第一性原理计算

铁电薄膜移相器是基于铁电材料的新型移相器,被广泛应用于相控阵天线中。对于这类移相器组成材料的性能改进一直是雷达系统在军事、航天等领域的研究热点之一。基于第一性原理密度泛函理论,综合分析了ABi₂Nb₂O₉(A=Ba, Pb, Sr, Ca)材料的电子属性、化学键和极化属性。结果表明:这种体系有着类似的铁电性起源；Nb—O和Bi—O间的杂化对于系统的畸变和铁电相的稳定起着重要作用；随着A位离子半径的增大,体系的畸变参数也随之增大,导致材料有更大的自发极化,增强了铁电移相器的性能。实验结果验证了理论计算的正确性,为新型铁电移相器的研发奠定了基础。     

基于背景扣除的弱吸收信息精确提取方法研究

随着半导体器件的快速发展，基于分子振-转吸收光谱的研究日益深入，以可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy， TDLAS）为代表的检测技术取得巨大进步，应用领域进一步扩大，已有超过一千类仪器应用于连续监测以及过程控制，每年出售的气体检测仪器占据了红外气体传感检测仪器总数的5%以上，已实现不同领域组分浓度、温度、压力等参数的高精度探测。本文针对仪器开发领域目标吸收信息被完全覆盖的复杂应用环境，利用调制技术将吸收信息转移到高频部分，经过分通道背景扣除和谐波信号归一化处理提取吸收信息。以测量含硫天然气中微量H₂S为例，天然气中CH₄含量超过90%，目标组分H₂S的吸收信息被完全覆盖，将吸收信息转移到1 kHz频率，得到的谐波信号峰值与H₂S浓度呈正相关，线性参数达到0.999 9，实现了弱吸收信号的有效提取，从方法上验证了提取弱吸收信号的有效性，进一步扩展了光学气体传感的应用领域，为仪器开发提供技术保障。     

多充液贮腔航天器耦合动力学与姿态控制

基于已有的质心面液体大幅晃动等效力学模型，采用拉格朗日方法，系统地建立了任意复杂激励下四贮腔航天器刚-液耦合动力学精确模型。由本文方法所得到的等效晃动力及晃动力矩与通过Flow3D计算出的相应结果吻合良好，验证了所建模型的可靠性。根据所建立的大幅晃动类充液航天器耦合系统动力学模型进一步研究了该类航天器在进行三轴稳定姿态机动时的主要动力学耦合特性，并设计了一类抑制姿态振荡的补偿控 制器。     

路径积分差分吸收激光雷达反演模型设计与测试

激光雷达作为主动探测手段,能够较好地弥补被动卫星(如OCO-2/3、GOSAT-1/2和Tan Sat等)的不足,实现高精度、全天候和全天时的观测。中国在2022年4月16日成功发射世界首颗基于主动理论探测二氧化碳柱浓度(XCO2)的激光雷达卫星。本文基于前期在秦皇岛的缩比飞行试验数据,围绕优化积分权重函数和优化差分吸收光学厚度两大核心要素,提出了基于光谱能量模型的算法框架。该框架旨在提高基于主动理论的星载激光雷达探测XCO2反演的精度。评估获得光谱能量模型在海上、陆地上的测距精度分别为0.74和6.20 m。论文的工作在10 s滑动平均值下,海洋、城市和山区的平均XCO2值分别为411.07、425.71、417.87 ppm,标准差分别为1.93、0.85、0.96 ppm。综上所述,光谱能量模型对我国发展基于差分吸收激光雷达的二氧化碳浓度算法具有重要的参考意义。     

星载高增益毫米波SAR相控天线阵设计

介绍了一种高增益、高效率的星载毫米波合成孔径雷达(SAR)有源相控天线阵的设计。天线单元采用了窄边开缝的波导缝隙天线，辐射缝隙与波导宽边垂直，天线具有效率高、匹配良好的特点。在方位向，波导缝隙天线组成直线阵，直线阵内采用折叠的波导功分器降低了直线阵的剖面高度。在距离向，波导缝隙直线阵紧密排布，形成一维相扫阵列。定标网络及馈电网络均采用波导形式并集成于天线阵列背面，其中，定标网络通过定向耦合器改善了定标通道的一致性及带内起伏特性，馈电网络通过魔T结构改善各有源通道间的隔离度。以距离向84个直线阵为一个子阵列，最终设计的天线全阵在方位向共包含8个子阵列，总体尺寸是595.8λ0×56λ0(λ0是中心频率在自由空间中的波长)。实测天线带内最高增益为54.37 dBi，辐射效率65.2%。天线阵列具有高增益、高效率的优点，同时结构简洁紧凑，适用于星载毫米波SAR系统。     

逆威布尔分布模型及其应用

介绍了可靠性研究领域中的一种新分布——逆威布尔分布的分布函数、可靠度函数、故障概率密度函数以及故障率函数，研究用极大似然法、最小二乘法以及图估计法进行参数估计，并给出了两部件串联和并联模型，最后对应用实例进行了分析。     

空间站复合材料收紧装置刚度及静力试验分析

针对空间站柔性翼在展开及收拢状态，通过地面结构试验，对复合材料收紧装置试验件刚度及强度进行试验摸底。对试验项目进行设计，分别对面外刚度、面内刚度、0°工况强度、90°工况强度6个工况条件进行测试，获取了复合材料收紧装置试验件的刚度、强度数据。通过强度试验可知，Y向位移最大，X方向位移最小，且理论与实际偏差小于12%，证明复合材料收紧装置理论预测方法有效，可以为后续复合材料收紧装置结构优化及工艺制造提供有效理论支撑。     

空间压力容器可靠性定量设计方法研究

针对空间压力容器常规设计方法难以满足航天技术快速发展对轻质量、低成本、高可靠的需求,基于可靠性理论中应力-强度干涉模型,建立空间压力容器可靠性设计数学模型。结合某型号钛合金球形气瓶随机变量统计数据,开展了气瓶可靠性定量设计。计算结果表明,可靠性定量设计方法能够给出产品可靠度定量指标,并在一定程度上降低空间压力容器结构重量。     

低温气动阀的人机环境可靠性评估方法

为了在液体火箭发动机试验过程中全面定量识别低温气动阀故障产生根源,针对低温气动阀可靠性分析过程的动态时变问题,首先通过引入人机环境系统工程理论,结合低温气动阀工作原理,从人机环境方面分析低温气动阀可靠性影响因素,建立基于人机环境系统工程的低温气动阀时变可靠性模型;并在此基础上,通过从人机环境范围定量分析低温气动阀的可靠度与失效率,对低温气动阀可靠性薄弱环节进行评估.最后通过具体的应用实例验证了该方法的有效性与准确性,为定量分析和改进低温气动阀可靠性提供了一种方法指导,为提高液体火箭发动机性能准确客观评价以及研制提供了支撑.     

空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证

针对Hart-Smith板壳粘接缝模型不适用于空间薄膜结构粘接缝的问题及空间薄膜结构高精度设计中粘接缝二维模型缺失的问题,开展了空间薄膜结构粘接缝模型的建立与验证工作。首先基于Kirchhoff板理论建立了空间薄膜结构粘接缝的三维模型,计算了粘接缝内部剪应力和剥离应力分布;其次,将三维模型映射到二维,建立了薄膜粘接缝二维等效模型,给出了二维等效模型的杨氏模量和强度的计算方法;最后,对薄膜粘接缝二维等效模型进行了仿真校验,仿真结果表明,根据二维等效模型求得的杨氏模量误差为4.5%～11.8%,且该误差与粘接缝宽度正相关。仿真校验证实了粘接缝的主要失效模式为剪切,且粘接缝的等效强度不受粘接缝宽度影响。当粘接缝宽度为5 mm时,二维等效模型比Hart-Smith模型求得的等效强度误差减小了29.2%。薄膜粘接缝二维等效模型为空间薄膜结构高精度设计提供了参考。     

基于弱相关界限理论的大型振动试验设备台体系统可靠性分析

航天器振动试验台部分元件在长时间使用的情况下易老化,甚至失效。采用FMEA方法对试验台整体定性分析,得出最薄弱环节;针对试验台中水平滑台的可靠性串联模型,分析并确定了其符合弱相关界限理论。使用传统可靠性公式和弱相关界限理论对串联模型的可靠性进行了计算,通过对比证实,弱相关界限理论比传统可靠性公式更符合实际情况,对水平滑台可靠度的评定更有效。该方法对机械系统可靠度计算具有理论和实际指导意义。