质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

基于双目视觉的非合作目标自主姿态估计方法

针对在轨服务任务对于空间非合作目标的自主相对导航需求,提出了一种基于双目视觉的自主姿态估计方法。该方法以Markley变量描述目标的姿态运动,并利用双目相机对目标表面的特征点进行观测,利用特征点的运动规律与目标姿态运动的相关性,并通过容积卡尔曼滤波算法实现了对非合作目标角速度与自旋轴方向的估计。数学仿真验证了所给出的姿态估计方法,并分析了估计精度的影响因素。     

航天器交会最终逼近段相对姿态估计与控制

对航天器交会对接最终逼近段,给出姿态运动学方程统一形式以及相对姿态动力学方程;除了应用交会航天器的绝对姿态运动方程进行相对姿态估计(间接法)外,还直接应用相对姿态运动方程进行相对姿态估计(直接法);阐述相对姿态控制的相平面法与四元数反馈法的设计方法.相平面控制法应用常值推力,针对小姿态角机动的特点,将相对姿态通道解耦为3个独立的二阶子系统,设计相平面推力方向切换函数;四元数反馈法应用简化的基于本征轴旋转的线性二阶系统,选择相对四元数与角速率反馈增益系数,确定控制力矩.此外,对相对姿态估计与控制方法进行模拟计算与比较.理论分析与模拟计算结果表明:应用扩展Kalman滤波的相对姿态间接估计法与直接估计法是有效的,后者有可能简化估计算法;相平面控制法与四元数反馈法均可有效实现相对姿态控制,前者应用常值推力(推力方向与姿态反馈有关),较易实现,但动力消耗较大,后者按控制力矩随姿态反馈量而变,动力消耗较小.      

姿态异常下的星体自旋角速度确定方法

摘要： 针对在轨姿态异常后星体高速自旋情况,开展星体自旋角速度确定方法研究.提出一种基于太阳敏感器测量数据确定自旋角速度的方法,并对自旋角速率确定误差进行分析,得到各误差源对确定精度的影响关系;基于角速率确定误差分析结论,给出根据角速度大小选取不同时间间隔测量数据的策略,通过大时间间隔测量数据的选取,保证小角速度情况下的确定精度.所提出方法的有效性通过数学仿真验证,并在实际应用中基于太阳敏感器遥测数据获取在轨姿态异常卫星角速度.     

自旋飞行器姿态运动的动态-测量系统建模

模型化处理是飞行器测控工程的重要技术之一。文章以在轨自旋飞行器的姿态运动为研究对象,采用动力学分析的方法,不仅实现了姿态角演化微分方程与转动角速度微分方程的严格解耦,而且提出并建立带关联方程的动态-测量系统模型。基于该系统模型和扩展Kalman滤波/预报算法,建立了姿态角最优估计和转动角速度高精度估计算法。     

空泡摆动对超空泡航行体尾拍影响分析

针对超空泡航行体存在尾拍运动与空泡形态变化互相耦合作用的特点,建立了超空泡航行体尾拍耦合运动方程,并对超空泡摆动对超空泡航行体尾拍相互作用过程进行了数值研究,对比分析了不同速度和角速度的超空泡航行体运动过程及空泡摆动对尾拍的影响规律.研究结果表明:空泡摆动使航行体转角、整体运动周期、尾拍升力和阻力增大;在不同速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期及尾拍周期的影响随速度增大而逐渐减小;不同初始角速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期、航行体尾拍升力和阻力的影响随角速度增大而逐渐增大.     

纵向非均匀多孔介质Marangoni对流不稳定性

理论研究了纵向非均匀多孔介质中流体表面张力驱动的对流不稳定性.充满液体的多孔介质层从下方加热,上方自由表面冷却,形成可引起多孔介质液层Marangoni-Benaxd对流流动的纵向温度梯度.采用线性化的Brinkman-Forchheimier方程作为控制方程组,对孔隙率分别为线性函数、正弦三角函数分布的非均匀多孔介质液层的Marangoni-Benaxd问题进行了线性稳定性分析.通过采用Chebyshev-Tau谱方法求解广义特征值问题,得到了系统临界Maxangoni数随无量纲波数变化的中性稳定性曲线,分析和比较了孔隙率的变化对液层对流稳定性和流场结构的影响,获得了纵向非均匀多孔介质液层不稳定性现象的新特征.      

基于主动约束层阻尼控制的大型挠性航天器动力学模型

以大型挠性航天器简化模型——中心刚体和固接板混合系统为对象,同时考虑板表面粘贴的主动约束层阻尼结构,根据拟坐标拉格朗日方程,建立了包含所有高阶小量的完整动力学模型。建模时,采用混合坐标描述中心刚体和主动约束阻尼板的运动,用Golla-Hughes-Mctavish模型描述阻尼材料的复模量。基于该动力学模型可进行空间柔性板振动的主动约束阻尼控制器设计和大型挠性航天器的姿态动力学研究。     

带有两个飞轮的欠驱动航天器姿态稳定控制研究

在系统总角动量不为零的前提下,仅带两个飞轮的航天器无法实现本体系相对于惯性系三轴姿态角为零的稳定控制,而已实现的角速度稳定控制和自旋稳定控制也无法满足姿态控制任务的多样化需求。于是在系统总角动量不为零时,首次提出存在最大程度姿态稳定形式为航天器本体三轴角速度稳定,同时固连于航天器的某一特定视线轴指向任意给定惯性方向。利用一种新的姿态描述形式推导出了角速度为零时航天器的目标姿态,然后基于线性化后的系统设计了线性二次型最优控制器。数值仿真表明利用此控制器能实现所提出的姿态稳定形式,这对于无须实现本体系相对惯性系三轴姿态角为零,而只需对固连于本体的天线或相机进行惯性空间定向控制的航天器将完全满足其姿态控制要求,同时也能提高欠驱动航天器的可靠性。     

生物皮肤传质的研究

针对皮肤各层结构主要由细胞和细胞间液构成的特点提出了可行的3层多孔介质物理模型,根据不同层的具体特点建立了相应的浓度和能量数学方程.利用浓度方程对模型进行了浓度分析求解,和编程计算了在不同灌流率、传质系数和各层厚度下对浓度的影响.与传质系数实验所得结果相比较,结果一致.      

Prospects of using a permanent magnetic end effector to despin and detumble an uncooperative target

Space debris, such as defunct satellites and upper stages of rockets, becomes an uncooperative target after losing its attitude control and communication ability. In addition, tumbling motion can occur due to environmental perturbations and residual angular momentum prior to the object’s end-of-mission. To minimize the collision risk during docking and capturing of the tumbling target, a non-contact method based on the eddy current effect is put forward to transmit the control torque to the tumbling target. The main idea is to induce a controllable torque on the conducting surface of the tumbling target using a rotational magnetic field generated by a Halbach rotor. The radial and axial Halbach rotors are used to damp the spinning and nutation motions of the target, respectively. The normal and tangential force are evaluated concerning the relative pose between the chaser and the target. A simplified dynamic model of the nutation damping and despinning processes is developed and the influences of the asymmetrical principal moments of inertia and transverse angular velocity are discussed. The numerical simulation results show that the designed Halbach rotor stabilized the target attitude within an acceptable time. The electromagnetic nutation damping and despinning method provides new solutions for the development of on-orbit capture technology.     

重力梯度力矩作用下近地卫星自旋运动规律分析

为研究近地卫星自旋运动规律,建立了近地卫星在受摄动影响的轨道上运行并受重力梯度力矩作用下的姿态运动模型,推导了自旋角速率满足一定条件下自旋运动的进动角、章动角、自旋角的解析解,对重力梯度作用下的自旋姿态运动规律进行了仿真分析,并用仿真计算结果验证了解析解的正确性。在轨道面缓慢进动情况下,当卫星绕最大主惯量轴自旋时,给出了自旋角速率取值范围表达式,在该取值范围内卫星自旋运动能够跟随轨道面一起进动,自旋轴以恒定的平均角速率进动,章动角在小范围内波动。建立的自旋姿态运动模型和分析结论可用于近地卫星姿态失控后的姿态确定和预测、在轨姿态设计及在轨备份等。     

一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法

全球定位系统（GPS）测姿技术主要是利用GPS载波相位和信号功率2种方法，但是测量信息单一且独立，针对旋转载体的测姿问题，提出一种基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法，通过融合GPS接收机天线信号功率和多普勒频率信息测量载体滚转角和滚转角速度。利用当前统计模型对滚转角和滚转角速度测量进行系统建模，根据滚转角预测估计值选取量测量，并提出自适应滤波，采用滚转角加速度估计自适应滤波算法，实现了对系统噪声方差阵的自适应调整，避免了滚转角加速度最值的选取问题，降低了噪声的影响。通过仿真验证了基于自适应滤波的GPS滚转角估计方法的可行性，结果表明该方法的测量精度高于无迹卡尔曼滤波（UKF）。      

空间目标视星等曲线仿真

人类航天活动日益频繁，空间目标种类和数量不断增多，识别未知空间目标的关键特征具有重要的科学价值。本文通过辅助图形软件建模分割，获取球体、圆锥体和圆柱体带法向量的面元坐标；基于卫星仿真工具包，得到了目标轨道及位置参数，并结合双向反射分布函数各向异性Phong 模型和四元数姿态更新模型，完成了地基观测条件下4种形状空间目标的视星等仿真。仿真结果表明，目标受空间位置、形状和姿态的影响程度不同，其光度曲线具有各自特点。球体由于形状完全中心对称，光度曲线主要受空间位置的影响；圆锥体、正方体、圆柱体光度曲线的波形受形状影响较大，曲线走向受位置影响较大，波动频率受姿态角速率影响较大。通过统计分析相关数据，可为后续空间目标位置、姿态和形状的反演提供先验模型。      

星载运动附件扰动抑制方法研究

为改善高分七号卫星（GF-7）在附件（特别是双轴定向天线）运动时的姿态稳定度，研究了星载附件指向运动平滑及其扰动抑制方法。首先，针对卫星姿态扰动主要来源于对地数传天线对地面通信目标的快速捕获运动的情况，通过引入具有角速度全局光滑性的路径平滑技术对天线的目标捕获过程进行规划；其次，针对含有双轴运动天线的整星姿态运动，建立了适用于任意星体运动速度下的一般动力学方程，并进行了对比验证。进而根据规划后的天线运动引起的扰动力矩对姿态控制系统引入前馈补偿，从而抑制天线运动对整星姿态的扰动影响。基于提出的扰动抑制方法进行数值仿真,结果表明，运动平滑与力矩补偿结合的协同控制技术可将天线扰动削减90%以上。     

Magnetogasdynamic shock wave generated by a moving piston in a rotational axisymmetric isothermal flow of perfect gas with variable density

The propagation of a strong cylindrical shock wave in an ideal gas with azimuthal magnetic field, and with or without axisymmetric rotational effects, is investigated. The shock wave is driven out by a piston moving with time according to power law. The ambient medium is assumed to have radial, axial and azimuthal component of fluid velocities. The fluid velocities, the initial density and the initial magnetic field of the ambient medium are assumed to be varying and obey power laws. Solutions are obtained, when the flow between the shock and the piston is isothermal. The gas is assumed to have infinite electrical conductivity and the angular velocity of the ambient medium is assumed to be decreasing as the distance from the axis increases. It is expected that such an angular velocity may occur in the atmospheres of rotating planets and stars. The shock wave moves with variable velocity and the total energy of the wave is non-constant. The effects of variation of the initial density and the Alfven-Mach number on the flow-field are obtained. A comparison is also made between rotating and non-rotating cases.     

充液航天器大角度机动自适应无源控制

研究了基于自适应无源控制的三轴稳定充液航天器大角度姿态机动问题.将液体晃动等效为黏性球摆模型，利用动量矩守恒定理推导出充液航天器耦合动力学方程.针对陀螺故障及无陀螺配置导致航天器姿态无角速度测量的情况，同时考虑存在外部未知干扰、转动惯量不确定性以及液体晃动位移不可测量的特性，设计自适应输出反馈无源控制，其中自适应更新律用于补偿外部未知干扰和估计液体晃动的位移变量.利用Lyapunov方法和LaSalle不变引理，证明该控制律不但可以保证闭环系统渐进稳定，而且可以保证二个期望平衡位置均达到稳定.仿真结果验证了本文控制方法的有效性.      

液体不完全起旋时充液陀螺稳定性研究

一些旋转充液系统,尽管理论上满足固化液体系统的陀螺稳定性条件,并且也不在章动与液体惯性波的共振区域内,但是在实验时系统却出现运动不稳定.这一现象无法由SWM(Stewartson-Wedemeyer-Murphy)线性理论解释,致使在工程设计中很难避开不稳定的参数区域.本文采用数值方法分析了液体未完全起旋对高速旋转充液陀螺稳定性的影响,并应用Lyapunov-Rumjantsev 部分变量稳定性理论,得出了液体不完全起旋时,充液陀螺稳定性条件.      

空间绳系拖拽系统摆动特性与平稳控制

考虑了任务星与废星的姿态运动以及系统组合体的面内外姿态运动,建立了绳系拖拽离轨系统动力学与控制模型,以切向常值推力下绳系拖拽轨道转移为任务过程,分析了任务星在喷气和零动量轮的限制姿态反馈控制条件下飞行时,废星姿态摆动、系统组合体面内外摆动和任务星姿态运动的规律及相互影响关系。采用留位和阻尼控制相结合的系绳张力复合控制方法,并结合任务星姿态控制,确保绳系拖拽转移安全平稳进行。仿真结果表明:常值推力下绳系拖拽轨道转移时,牵挂点偏置诱发的废星姿态周期性摆动会激发绳系组合体的面内外同频率高阶摆动,星体姿态运动是任务星姿态扰动力矩产生的主要因素;采用张力复合控制可有效消除废星姿态摆动并保持星间相对距离,结合任务星姿态控制,可实现离轨过程的平稳与安全,大幅减少任务星的姿控能耗。