一种不规则小行星附近周期轨道全局搜索策略

研究不规则小行星附近的自然周期轨道,有助于更好地认识小行星附近的动力学特性。周期轨道的搜索过程需要频繁地进行轨道递推,其中绝大多数的计算时间消耗在不规则小行星附近的引力加速度计算中。为提高加速度计算效率,提出一种不规则小行星引力加速度快速估计方法;在此基础上,通过参数空间内随机化粗略搜索获得周期轨道的初值猜想;利用遗传算法在初值猜想附近区间进行精细搜索,找到周期轨道的初值。通过对不规则小行星433 Eros附近周期轨道的搜索,对其附近不同形状的周期轨道进行了分类,分析周期轨道在小行星附近的分布规律。     

考虑太阳摄动的小行星附近轨道动力学

本文研究了艳后星(216 Kleopatra)和爱神星(433 Eros)附近的周期轨道,在考虑太阳引力摄动的情况下,发现了以往所遗漏的216 Kleopatra轨道族和环绕433 Eros的12族周期轨道,并且给出了它们的特性。研究结果表明,太阳引力对小行星平衡点位置的影响很小,但是对平衡点上航天器运动的影响较大。同族不稳定轨道中,大Jacobi常数轨道更容易在摄动后保持轨道原来特性,这很好地解释了小行星卫星在较远轨道上长期存在的可能性。     

两极地区局部点质量模型构建方法

针对两极地区位系数模型计算扰动引力时的奇异问题和点质量模型方程解不稳定问题,分别引入扰动引力去奇异算法和基于换极法的两极地区局部点质量模型构造方法.数值实验结果表明,去奇异算法能有效解决靠近极点处扰动引力计算过程中出现的奇异性问题,基于换极法的点质量模型在两极地区方程结构稳定,精度与位系数模型相当.本文方法可为极区飞行器扰动引力快速赋值提供新的思路.      

小天体着陆动力学参数不确定性影响分析

针对小天体不规则程度高、引力场复杂,且物理参数存在较高不确定性的问题,基于小天体着陆动力学方程线性化近似解析解,对各动力学参数不确定性的影响进行了分析。考虑动力学方程线性化带来的误差,引入线性化误差补偿校正方法,建立了探测器轨迹对动力学参数不确定性的敏感度方程。以小行星Eros 433为例,重点分析了目标小天体质量、自转角速度、引力势函数系数,以及探测器初始状态、推力加速度等动力学参数不确定性对探测器着陆轨迹的影响。数学仿真分析表明,针对本文选取的目标小天体,推力加速度扰动为主要影响因素,探测器初始状态的不确定性为次要影响因素,其他参数扰动的影响较小。     

双小行星系统引力场建模方法研究

针对弱引力双小行星系统的引力场建模问题,本文采用复杂度和精度依次递增的球体–球体模型、椭球体–球体模型和改进的限制性椭球体–椭球体模型来进行引力场建模,并分别采用椭圆积分以及无积分环节、计算效率高的二阶二次球谐函数来表征引力势,从而比较精确地刻画双小行星系统和探测器构成的限制性全三体问题的动力学模型;针对双小行星系统1999KW4,对其不同的引力场模型进行了仿真研究,分别给出了不同模型下的等效势能函数曲面及零速度曲线,比较了不同模型下的平动点位置坐标偏差。结果表明,二阶二次球谐函数计算引力势的椭球体-椭球体模型计算精度高,复杂程度低,计算量更少,计算速度更快,能够较精确的对双小行星系统进行引力场建模。     

精确动力学模型中的行星引力辅助轨道设计

轨道设计分为初步设计和精确模型迭代两步,初步设计基于等效脉冲模型,用圆锥曲线拼接法确定时间窗口和引力辅助产生的速度脉冲。精确模型中引力辅助看作是一个连续的过程,将简化模型得到的引力辅助双曲线轨道化为行星心目标B平面参数,以地心逃逸速度作为设计变量,通过微分修正的方法进行求解。通过算例对比分析了简化模型和精确模型设计结果之间的关系,结果表明,引力辅助脉冲等效模型精度较好。     

目标分速度的遥、外测数据融合估计算法

建立了发射坐标系和惯性坐标系之间的转换关系，讨论了利用遥测数据计算引力加速度的具体方法，并给出了计算公式；最后建立了利用遥、外数据融合估计目标外测分速度的算法。文中给出的仿真结果说明，利用遥测数据融合计算目标分速度可极大提高计算精度，并为合理利用遥测数据解决外测数据处理中遇到的有关问题提供方法基础。     

航空发动机一维数值仿真

分析了航空发动机一维气动热力数值仿真模型,此模型能够用于航空发动机整机数值仿真.进行了整机性能数值仿真,求解过程考虑了粘性效应以及气体流动损失对于整机性能的影响;采用了具有TVD性质的高阶精度Godunov格式,此格式具有良好的数值稳定性和激波捕捉能力;应用了时间推进法,交替使用显/隐格式.计算了某型带加力的混排涡扇发动机的速度特性以及节流特性并且与设计数据进行了比较分析,数值仿真结果与设计数据比较吻合.分析了典型工作点的计算过程,模型收敛速度较快.     

小型涡扇发动机燃油控制规律

以小型涡扇发动机DGEN380燃油控制规律为研究目标,使用解析法基于MATLAB平台建立其整机部件级稳态及动态数学模型并进行仿真计算。在旋转部件建模过程中使用工具获取特性数据,并绘制可以即时显示当前工作点/线的部件特性图;在稳态仿真时使用Newton-Raphson法和遗传算法2种方法求解发动机工作方程组,并对二者进行评估对比,针对遗传算法在发动机模型求解过程中的局限性对一般基础模型进行优化改进;在动态仿真时,采用欧拉法计算微分项。基于模型分析发动机燃油控制规律,并以发动机高度特性为例进行仿真计算。试验结果表明:Newton-Raphson法具有高精度和高速度,改进模型后遗传算法具有更好的适应性,模型及燃油控制规律的仿真结果较好地符合试验数据和理论趋势,对比误差小于3%。      

X射线脉冲星自主导航的卫星运动方程

基于X射线脉冲星的卫星自主导航模型中, 无论从理论上还是从测量精度方面考虑, 光子到达时间测量方程(观测方程)和卫星运动方程(状态方程)应在同一参考系中讨论. 在DSX体系中太阳系质心系是惯性系, 可以使用现行时间测量方程, 但卫星摄动加速度中除了地球多极矩、日月引力摄动和太阳光压三项外, 还应考虑相对论修正项, 计算表明该修正项导致卫星位置误差在10m量级. 而地心系是非惯性系, 在此系中卫星运动方程中的相对论效应导致卫星误差在10 cm量级, 因而可以忽略, 但要将BCRS的时间测量方程转换到GCRS中. 在此基础上建立的导航模型较为精确和完整.      

短距离起飞加速度对飞行员操作影响的分析

短距离起飞产生的过载加速度可能对飞行员的安全操作造成极大隐患。本文建立飞行员-座舱系统的多刚体模型,仿真分析了胸-背方向的加速度载荷（Gx）对飞行员驾驶状态下的人机动力学响应。首先,根据第3百分位的男性人体测量学数据,通过三维CAD软件建立了飞行员的虚拟假人模型;并根据设计参数的要求建立了包括座椅和操作杆（油门杆与驾驶杆）在内的飞机座舱模型。然后,以标准的短距离起飞的加速度模拟曲线为载荷条件,利用多刚体动力学软件ADAMS模拟了飞行员在短距离加速起飞过程中的动力学响应及飞行员与操作系统之间的力学相互关系。仿真结果表明,过载加速度会经飞行员身体传递给操作杆,5G加速度载荷产生的传递力作用在驾驶杆和油门杆上的值分别为128 N和211 N,两者均已超过了通常操作杆所设计的有效阈值,因此存在误操作的可能。另外,本文结合仿真结果和国外现有战机设计,提出了短距离起飞下飞行员避免误操作的可行方式,结果显示该方式可以有效地转移加速度传递所带来的影响。本文方法将为在短距离起飞作用下避免误操作的分析提供技术途径,得到的结果将为驾驶部位的人机设计提供参考。      

A fast Chebyshev polynomial method for calculating asteroid gravitational fields using space partitioning and cosine sampling

This paper presents a computationally fast method for solving gravitational accelerations near irregularly-shaped asteroids. This method is based on analytical three-dimensional Chebyshev polynomial approximation of the polyhedral gravity. For the purpose of improving the approximation accuracy, space partitioning schemes based on practical flight zones is used to avoid interpolation the whole space around the target asteroid. Specifically, a minimum ellipsoid close to the asteroid surface is defined to select the space for surrounding trajectories with safe distance and a cone connected to the surface is defined to select the space for descent trajectories. Moreover, interpolation points are sampled in a cosine sampling fashion according to the Chebyshev-Gauss-Lobatto nodes and a radial adaption technique. The performance of different space partitioning schemes is analyzed. The effectiveness of the proposed method is validated through simulations of solving gravitational accelerations at the test points near different shaped asteroids 1996 HW1, 433 Eros, 25143 Itokawa and 101955 Bennu.     

液体非线性晃动试验与等效力学模型仿真

航天器的在轨机动可能导致液体燃料出现包括非线性晃动在内的复杂动力学行为。采用运动脉动球模型（MPBM）对液体非线性旋转晃动问题进行了研究,并通过开展地面试验验证了MPBM仿真结果的准确性。首先,在MPBM的建模过程中以晃动回复力的形式考虑重力的影响,具体是通过虚功原理将重力作用引入到脉动球的能量变化过程。然后,搭建地面晃动试验平台,实现了对球型贮箱晃动现象的准确观测以及对晃动力和晃动力矩的实时测量。最后,以试验实测的加速度激励和晃动力为参照,采用MPBM进行了仿真与对比,仿真结果较好地匹配了试验结果。文中对液体晃动的合理抽象进一步地提升了等效力学模型对复杂晃动行为的仿真能力,为实现航天器更为高效、准确的在轨控制提供基础。     

基于计算力矩法的眼内手术机器人的重力补偿

为了提高一种具有远程运动中心(RCM)机构的眼内手术机器人的定位精度和稳定性,在建立机器人坐标系的基础上,通过动力学等效,对机器人各构件质心瞬态位置进行分析。根据拉格朗日方程建立机器人动力学模型。提出基于计算力矩法的重力补偿方法。在此基础上,通过MATLAB/Simulink软件对重力补偿模型进行仿真。比较独立比例微分(PD)控制方法及重力补偿方法的各关节运动响应曲线,表明重力补偿模型可有效补偿重力项;同时,分析重力补偿模型响应曲线与期望曲线的误差,证明重力补偿模型具有较高的补偿精度和可行性。     

非等间距显式算法在重力波非线性传播数值模拟中的初步应用

采用3阶TVD型显式时间积分方法,建立了2维可压缩大气中重力波非线性传播的非等间距显式数值模式.对小振幅重力波传播过程的模拟结果表明,该模式能够很好地再现小振幅重力波的传播过程,并能保持能量守恒关系和各扰动量之间的相位关系,与线性重力波理论预测的结果吻合很好.对有限振幅重力波的模拟结果表明,与格点数相同的等间距网格中的模拟结果相比,采用非等间距网格能够以更高的分辨率模拟重力波的不稳定传播直到破碎的整个过程;在非等间距网格中的模拟结果与在加密一倍的等间距网格中的模拟结果相同,说明了用非等间距网格模拟重力波的饱和与破碎过程是正确的,并且采用非等间距网格能够大大减少计算量.      

Finding the suitable drag-free acceleration noise level for future low-low satellite-to-satellite tracking geodesy missions

This paper evaluates the impact of residual acceleration noise on the estimation of the Earth’s time-varying gravity field for future low-low satellite-to-satellite tracking missions. The goal is to determine the maximum level of residual acceleration noise that does not adversely affect the estimation error. The Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) has provided monthly average gravity field solutions in spherical harmonic coefficients for more than a decade. It provides information about land and ocean mass variations with a spatial resolution of ～350?km and with an accuracy within 2?cm throughout the entire Earth. GRACE Follow-on was launched in May 2018 to advance the work of GRACE and to test a new laser ranging interferometer, which measures the range between the two satellites with higher precision than the K-Band ranging system used in GRACE. Moreover, there have been simulation studies that show, an additional pair of satellites in an inclined orbit increases the sampling frequency and reduces temporal aliasing errors. Given the fact that future missions will likely continue to use the low-low satellite-to-satellite tracking formation with laser ranging interferometry, it is expected that the residual acceleration noise will become one of the largest error contributor for the time-variable gravity field solution. We evaluate three different levels of residual acceleration noise based on demonstrated drag-free systems to find a suitable drag-free performance target for upcoming geodesy missions. We analyze both a single collinear polar pair and the optimal double collinear pair of drag-free satellites and assume the use of a laser ranging interferometer. A partitioned best linear unbiased estimator that was developed, incorporating several novel features from the ground up is used to compute the solutions in terms of spherical harmonics. It was found that the suitable residual acceleration noise level is around 2?×?10^?12?ms^?2?Hz^?1/2. Decreasing the acceleration noise below this level did not result in more accurate gravity field solutions for the chosen mission architecture.     

基于刚柔耦合模型的月球着陆器动力学分析

基于刚柔耦合多体动力学理论,提出了一种基于三维实体造型、有限元分析与多体动力学分析的刚柔耦合动力学仿真分析方法;利用该方法建立了月球着陆器着陆动力学模型,分别在地球重力环境和月球重力环境(1/6地球重力环境)下,对某典型着陆工况下的着陆动力学进行了仿真分析,得到了着陆器着陆的缓冲性能分析结果,包括主支柱最大缓冲行程、左右辅助支柱最大缓冲行程、最大质心加速度响应;将仿真结果与试验结果相比较,验证了着陆器动力学模型的正确性以及仿真分析方法的有效性,为今后的着陆器缓冲试验提供了动力学模型和仿真分析方法.从能量角度对月球着陆器的着陆过程进行分析,弥补了缓冲试验难以进行能量分析的不足.     

基于相似理论的月球车月面牵引性能预测

引入相似理论对月球车的轮土交互系统进行研究,建立了月壤-车轮交互系统的地面力学相似模型,针对原位月壤内聚力较小的特点,提出了一种无需改变车轮尺寸、以模拟月壤为土壤介质的模型试验方法,对月面重力环境下月球车轮的牵引性能进行预测.利用室内土槽试验和颗粒流仿真相结合的方法对该模型试验方法的有效性进行验证,验证结果与模型试验的理论分析结果较为接近,表明该法具有较好的可行性和有效性,可考虑用于预测月球车的月面牵引性能.