扭转Alfvén波共振的数学描述

提出完备正交函数基(OFSE)展开方法,求解冕环中无耗散扭转Alfvn波。每个基函数对应冕环中每根磁力线的一个固有角频率ω_n,当冕环足点驱动频率等于磁力线的固有频率时,Alfvn波将在这根磁力线处发生共振。采用OFSE方法求解了双足点驱动时冕环Alfvn波的时变演化问题,给出了时变解析解的新形式,其中包含共振项,从共振项可以发现,在共振角频率为ω的共振磁力线附近,在时间t为π/ω的整数倍时,出现δ型间断;在t为π/(2ω)的奇数倍时,出现1/x间断。共振磁力线振幅随时间线性增加,增加的斜率正比于Alfvn波速,反比于冕环长度,与驱动频率无关。     

冕环中扭转Alfvén波和快波的耦合共振

推广完备正交函数系(OFSE)展开方法,应用它研究冕环中无耗散扭转Alfvén波和快波耦合的时变过程.采用这种方法,从数学上描述了总体波模的固有角频率,从理论和数值计算结果两方面分析了Alfvén波和快波耦合时冕环中磁力线Alfvén波固有角频率.采用这种方法,分析了耦合驱动项和Alfvén波共振的关系.计算结果给出了耦合共振出现位置Alfvén波和快波的波幅特征,发现如果足点驱动角频率不等于冕环总体波模的固有角频率,在耦合共振位置当扭转Alfvén波幅出现δ断面时,快波振幅沿径向梯度很大,有时近似为一个间断,非常有利于快波耗散;如果足点驱动角频率等于总体波模的固有角频率,Alfvén波振幅出现δ断面时在径向出现丰富的小尺度结构,共振位置近似为一个间断,非常有利于Alfvén波耗散.     

冕环中扭转Alfvén波和快波的耦合共振

推广完备正交函数系(OFSE)展开方法,应用它研究冕环中无耗散扭转Alfven波和快波耦合的时变过程.采用这种方法,从数学上描述了总体波模的固有角频率,从理论和数值计算结果两方面分析了Alfven波和快波耦合时冕环中磁力线Alfven波固有角频率.采用这种方法,分析了耦合驱动项和Alfven波共振的关系.计算结果给出了耦合共振出现位置Alfven波和快波的波幅特征,发现如果足点驱动角频率不等于冕环总体波模的固有角频率,在耦合共振位置当扭转Alfven波幅出现δ断面时,快波振幅沿径向梯度很大,有时近似为一个间断,非常有利于快波耗散;如果足点驱动角频率等于总有体波模的固有角频率,Alfvn波振幅出现δ断面时在径向出现丰富的小尺度结构,共振位置近似为一个间断,非常有利于Alfven波耗散.     

吸气式高超声速飞行器耦合运动数值模拟

为了研究吸气式高超声速飞行器在俯仰/滚转两自由度耦合运动下的动稳定性问题,基于气动/运动耦合数值模拟方法并结合理论分析,针对一种类似SR-72构型的吸气式高超声速飞行器开展了进气道通流状态下强迫俯仰/自由滚转耦合运动数值模拟研究。结果表明:强迫俯仰/自由滚转耦合运动下,滚转通道的动力学方程可以简化为有阻尼的Mathieu方程形式,并且可以求得稳定性边界。理论分析表明:滚转通道的动稳定性与俯仰振荡角频率相关,在飞行器滚转振荡固有角频率附近存在2个临界角频率,当俯仰振荡角频率位于2个临界角频率之间时,滚转通道是动不稳定的。在俯仰振荡振幅较小时,数值模拟结果与理论符合较好,但实际的临界角频率与理论分析求解的值有一定偏差;数值模拟结果表明随着俯仰振荡振幅增大,导致滚转发散的角频率范围变得更宽,且向更高频率偏移。      

基于遗传编程的航天器有限推力逼近轨迹规划

通过引入基函数的概念,提出了采用遗传编程求解有限推力航天器逼近非合作目标最终逼近段轨迹规划问题的方法。该方法将推力器开关状态定义为基函数,以多个基函数分别乘以开关状态持续时间再求和作为推力器开关的历程函数;将历程函数转换为遗传编程的树型结构,将消耗燃料的质量作为适应度函数,并将规避障碍物和终端逼近精度等约束条件以罚函数的形式添加到适应度函数中;利用遗传编程的模拟自然进化理论的全局寻优机制求解,最终得到最优逼近轨迹方案。某航天器在有限推力下逼近非合作目标的轨迹规划结果表明:整个逼近过程推力器仅开关5次,大大降低了对开关频率的要求,同时,规划结果比采用高斯伪谱法时逼近时间降低了30.09%,燃料消耗降低了4.18%。      

大迎角下小振幅振荡三角翼破裂涡的频率特性

在风洞和水洞中分别进行了小振幅振荡三角翼的动态测压和热膜测速实验,目的是研究振荡的无量纲频率 n 对于三角翼前缘涡的频率特性的影响.对风洞中测得的压力数据进行频谱分析,发现 n 值在0.018~0.036时,即与三角翼翼面上涡破裂点的振荡频率接近时,会发生耦合现象,使振动能量明显加强;对水洞中测得的速度数据进行频谱分析,则发现 n 在0.8~1.4的范围内,即与螺旋波的传播频率接近时,三角翼的振荡会使涡破裂点向后缘移动,延缓了涡的破裂,使螺旋波频率增大.     

日冕冲浪形成的磁流体动力学模拟

应用二维时变可压缩磁流体动力学模拟,数值研究了双极-单极磁场中电阻撕裂模不稳定性引起的磁场重联过程,用于模拟日冕冲浪的形成.结果表明,在包含有三区——双极场、电流片和单极场的磁静力平衡初态下,双极场和单极场中的磁力线将会直接重联,磁场演变成鞭状(whip)结构.由弯曲磁力线支撑的等离子体团向上运动到最高位置后,逐渐下落和弥散.等离子体团上升速度可达到0.10v_A(v_A为双极场中的Alfv'én速度).模拟结果证实日冕冲浪的形成可能与双极-单极场中的磁场重联密切相关.      

磁暴恢复相后期超低频波观测分析

利用Radiation Belt Storm Probes（RBSP）和Magnetospheric Multiscale（MMS）的联合观测研究了2016年1月25日和2月22日的两个超低频（ULF）波动事件.这两个事件均发生在磁暴的恢复相后期，波动分布在晨侧与正午之间的区域.RBSP观测到的两次波动都发生在低L-shell（4.7～5.8），MMS观测到的两次波动都发生在高L-shell（8.0～14.2）.在高L-shell，超低频波偏振以环向波为主，沿磁力线方向为基频谐波.在低L-shell，超低频波偏振以径向波为主，沿磁力线方向为二次谐波.对内磁层（L<6）中的ULF波，通过比较∂f/∂w|μ,L和（dL）/（dW）（∂f）/（∂L）|μ,W的绝对值可知，bump-on-tail的离子分布和向地的离子相空间密度梯度通过N=1的弹跳共振，共同为波动的产生提供自由能.多重事例分析表明，在磁暴恢复相后期，约10keV的离子伴随着波动的存在而存在，并且为波动的产生提供自由能.      

Alfven波在微电离大气中的衰减特性研究

利用简单的偶极子地磁场模型以及大气电子密度和电导率模式, 分析地面产生的磁扰动以Alfven波的模式传播到近地空间区域. 这种地面的磁扰动可能干扰近地空间卫星对空间磁扰动的观测. 通过对地面磁扰动Alfven波模式1000 km高度内的衰减情况进行模拟, 认为在近地空间采用地磁偶极子模型是合理的. 由于衰减随扰动频率的增大而急剧增强, 分析还得到了近地卫星能够探测到地面磁扰动的最大频率. 计算结果表明, Alfven波的衰减主要集中在高度50 km以下, 这个区域内的大气电导率极其微弱, 使Alfven波的传播受到极大衰减. 0.4 Hz以下的Alfven波沿磁力线传播到1000 km高度后衰减结为原来扰动幅度的千分之一, 因此频率在0.4 Hz以下的Alfven波可能会干扰低轨卫星探测磁场脉动.