月地转移轨道精确轨道设计

以基于Lambert算法的快速轨道设计结果为初值,开展精确轨道设计研究.通过对月地返回飞行阶段的摄动项和量级分析,建立了月地转移轨道的动力学方程,提出了一种双向嵌套循环搜索算法,采用该算法求解同时满足两端约束条件的精确月地转移轨道.该算法以出月球影响球的时刻和位置、速度为中间变量,一方面采用前向数值积分和微分改正法搜索满足地球再入端的轨道,另一方面采用后向数值积分并进行倾角和近月距修正得到满足月球端的轨道,通过这种双向嵌套循环,使得两段轨道在月球影响球边界处的位置和速度连续,从而获得一条完整的满足两端约束条件的月地转移精确轨道.最后以2017年1月26日出月球影响球作为返回窗口,给出了具体的设计算例,并通过STK软件仿真验证了程序的设计结果.     

雷达RCS测量的月球标定方法

提出利用月球的雷达标定方法，分析了月球作为脉冲雷达标定目标的电磁散射特性。研究了月球标定时雷达工作方式的有关问题，并对方法效能进行了评估。     

一种计算转子不平衡响应的新方法

建立了以状态方程和转移矩阵为基础的分析方法，以分析复杂转子的不平衡响应。在不必事先确定转子系统固有振型及自振频率的情况下，利用此方法可直接求得转子振动响应的精确解。该方法与传递矩阵法相结合，可容易地求解复杂转子系统的不平衡响应问题。算例分析表明，该方法简捷有效     

嫦娥五号月球轨道交会导引策略设计

嫦娥五号任务实现了国际首次月球无人轨道交会对接，本文详细介绍了其最终飞控实施所采用的交会导引策略的设计模型、方法和工程实现考虑。讨论了嫦娥五号月球轨道交会任务的工程设计约束和关键参数的确定，提出了一种月球轨道交会的交班点确定方法。提出了一种新的四脉冲交会策略，通过引入径向变轨控制量，固定各次变轨点位置，解决了在月球背面测控遮挡约束下确保各次变轨全过程测控可见的工程难题。针对新四脉冲方案，采用近圆轨道偏差方程提出了一种新的初值求解方法，构造了基于微分修正的精确数值求解算法，并推导了求解所需的状态转移矩阵的解析表达形式。建立了测控约束下的交会导引约束优化模型，获得了测控约束下的最优能量解，并揭示了问题的全局特性规律。给出了所提出方法在嫦娥五号实际任务中的应用，验证了此方法的正确性。     

一种新的分区重叠洞点搜索方法—感染免疫法

本文分析了分区重叠计算中洞点搜索的传统模式及春应用上的缺陷，针对凹形重叠区难以精确寻点的问题，提出了一种新的洞点搜索方法：感染免疫法。文中给出了二维和三维情况下的搜索算例作为验证，实际应用表明，方法无论是寻点能力还是在通用性方面都优越于传统模式。     

地月L2点空间站转移轨道设计与特性分析

针对低运输成本的未来地月L2点Halo轨道空间站补给任务轨道转移问题,研究了基于不变流形和月球借力的间接转移轨道设计方法及轨道参数特性。首先建立了三脉冲从近地停泊轨道出发到Halo轨道的间接转移轨道设计模型;然后提出了二体解析初值搜索和局部梯度优化相结合的串行优化方法,并采用圆型限制性三体问题模型验证了方法的正确性与快速性;最后,通过大量仿真算例分析了间接转移轨道参数特性。结果表明不变流形插入点相位和Halo轨道幅值对间接转移轨道燃料消耗影响较大,而月球借力高度影响则比较小。     

脉冲子结构与有限元刚-弹混合连接的子结构方法

航天器结构的日益复杂庞大对系统级的动力学建模仿真以及进一步的结构优化提出了巨大挑战。为提高动力学求解效率,通常引用动态子结构方法。本文利用适于处理瞬态冲击问题的脉冲子结构(IBS)方法,并对其进行改进,将基于脉冲响应函数(IRF)的子结构与有限元建立的子结构综合,同时考虑刚性、弹性以及刚-弹混合连接情形下的子结构综合格式。通过3个数值算例,验证了方法的正确性。最后将刚-弹混合连接下的子结构方法应用到月球探测器软着陆的动态响应预测,结果表明该方法适于对月球探测器软着陆动态响应进行高精度快速预测,并且可以应用于月球探测器的局部动力学结构优化。     

高精度导弹射程精确计算方法

针对靶场导弹射程精确计算存在的问题,提出了利用微积分算法改进导弹射程的精确计算,具体采用曲线积分的方法,详细推导了一种不同于传统导弹射程精确计算的新方法,并提供了此方法的具体算法和模型。在理论分析的基础上,采用新方法对算例数据进行计算和分析,结果表明:用新方法计算得到的导弹射程精度达到亚毫米级,且精度与导弹射程大小无关。该方法已在靶场导弹射程的计算中得到成功应用。     

基于单层数值特征曲线法的复合材料接头强度分析

提出了基于单层的特征曲线法，利用Patran／Nastran有限元软件对复合材料机械连接接头强度进行了分析计算。根据提出的基于单层的数值特征曲线法，各个角度铺层的特征长度采用数值方法分别计算，根据各层的特征曲线计算各层的破坏载荷，最后确定接头的破坏载荷。通过算例分析，计算结果跟试验值吻合很好，较基于层合板特征曲线法所得结果更精确，说明了该方法的有效性。     

基于混合RANS/LES方法与FW-H方程的气动声学计算研究

在气动噪声的数值计算过程中,非定常流动的求解精度对声学计算结果有着重要的影响.以机体噪声计算的标准算例双圆柱绕流气动噪声问题为研究对象,采用基于非线性k-ε湍流模型的限制数值尺度(LNS)方法对双圆柱绕流进行了数值模拟,将计算得到的气动特性和流动特征与相应的试验结果进行了对比分析.为了求解远场观测点处的气动噪声,在精确求解双圆柱绕流流动的基础上结合基于FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的声类比方法进行数值计算,并通过圆柱体的展向相关性对计算结果进行了修正,将得到的最终结果与相应的声学试验结果进行了对比,两者吻合良好,表明该数值方法是准确、可靠的.     

奔月转移轨道的快速设计方法研究

 结合重叠圆锥曲线方法,针对着陆型和月球卫星型两种类型奔月转移轨道,给出了一种奔月转移轨道的快速设计方法。该方法是一种无需轨道数值积分的纯代数计算方法,直接从目标轨道参数出发,具有计算速度快、精度高的特点,避免了圆锥曲线拼接法精度差的缺点,可用于这两类奔月转移轨道的初始设计。该方法可为精确轨道计算提供较好的初值,大大缩短了轨道精确计算所需的时间。同时还针对地球扁率( J2 ) 的影响,给出了一种修正方法,提高了本方法的计算精度。     

含局部非线性的月球探测器软着陆动力学模型降阶分析

为准确预估探测器着陆冲击过程的动力学响应,采用非线性有限元方法建立了探测器软着陆动力学模型,能够较全面地反映出各种非线性因素。针对非线性有限元求解耗时长的弱点,考虑到探测器的局部非线性特性,利用广义动力缩聚（GDR）方法建立了月球探测器中心体的降阶模型。提出了一种基于脉冲响应函数的模态截断准则,在广义动力缩聚方法的基础上筛选少数几阶模态影响系数（MIC）较高的模态表征中心体的加速度响应,能够进一步降低模型的阶数。将降阶的中心体模型与含非线性的缓冲机构连接后进行的软着陆动力学分析能够准确而快速地预估探测器测点的加速度响应,与非降阶模型对比,计算时间缩短了75.5%,加速度响应的相对峰值误差控制在5%以内。数值仿真表明,广义动力缩聚方法能够有效地解决传统非线性有限元方法求解效率低的问题,本文所提模态截断准则的优点是适于求解模态密集问题并且与系统的输入输出无关。     

Determining the Absolute Abundances of Natural Radioactive Elements on the Lunar Surface by the Kaguya Gamma-ray Spectrometer

The Kaguya gamma-ray spectrometer (KGRS) has great potential to precisely determine the absolute abundances of natural radioactive elements K, Th and U on the lunar surface because of its excellent spectroscopic performance. In order to achieve the best performance of the KGRS, it is important to know the spatial response function (SRF) that describes the directional sensitivity of the KGRS. The SRF is derived by a series of Monte Carlo simulations of gamma-ray transport in the sensor of the KGRS using the full-fledged simulation model of the KGRS, and is studied in detail. In this paper, the method for deriving absolute abundance of natural radioactive elements based on the SRF is described for the analysis of KGRS data, which is also applicable to any gamma-ray remote sensings. In the preliminary analysis of KGRS data, we determined the absolute abundances of K and Th on the lunar surface without using any previous knowledge of chemical information gained from Apollo samples, lunar meteorites and/or previous lunar remote sensings. The results are compared with the previous measurements and the difference and the correspondence are discussed. Future detailed analysis of KGRS data will provide new and more precise maps of K, Th and U on the lunar surface.     

月球重力场及低轨环月卫星轨道保持仿真分析

为了在满足精度要求的前提下节省月球重力场模型的计算时间,依据Kaula准则分析了目前国际上公认的最精确的两个重力场模型GLGM-2和LP165P,提出了在一定阶次截断重力场模型的问题.通过仿真不同阶次重力场模型作用下轨道高度为50 km的圆形极轨道环月卫星轨道特征的变化,验证了50 km以上高度卫星非球形摄动分析时可以将重力场模型截断至一定阶次的结论,并利用截断至70阶次的重力场模型仿真分析200 km圆轨道卫星一年内轨道下降程度.最后在仿真结果的基础上得到了200 km高度环月卫星需要每50天进行一次轨道保持控制的结论并完成一次轨道保持控制仿真.研究结论可以为我国低轨环月卫星轨道保持提供参考.     

月球探测器加速度响应预测的时域子结构方法

航天器结构的日益复杂和庞大为全系统级的动力学仿真带来了更大的困难和挑战,目前主要采用动态子结构法来提高分析求解效率,并解决不同设计部门之间的模型共享和技术保护问题。月球探测器软着陆阶段的冲击力学环境一般由加速度冲击响应谱描述,由于高阶振型对结构加速度响应的影响要比对位移响应的影响大得多,所以在小阻尼情况下,经典的基于模态的子结构方法在相同截断频率下对加速度响应的预测精度远低于位移响应。为解决这一问题,引进基于脉冲响应函数的时域子结构(IBS)方法,提出了一种适用于预测加速度响应的降阶形式的迭代求解格式。利用探测器着陆数值模拟试验中测得的缓冲机构作用力作为激励,分别采用固定界面模态综合(CB)法和IBS方法分析了月球探测器的加速度响应。数值算例表明,后者在计算精度和求解效率方面均高于前者,并说明基于脉冲响应函数的子结构方法适于对月球探测器加速度响应进行高精度快速预测。     

载人登月着陆器奔月窗口搜索方法

对环月轨道共面交会的载人登月任务中,着陆器(LM)奔月零窗口与轨道参数精确快速设计方法进行了研究。任务采用人货分离奔月模式,着陆器于载人飞船到达环月轨道前抵达环月共面交会轨道,着陆器近月点一次共面减速完成近月制动。提出一种三层快速精确奔月窗口搜索方法:第一层采用地心二体轨道理论解析计算月窗口及奔月轨道参数初值,作为正确性基本参考;第二层采用改进的双二体解析动力学模型求解月窗口内奔月轨道参数变化规律;第三层采用高精度轨道动力学模型和SQP_Snopt优化求解奔月零窗口及轨道参数精确解。仿真结果表明,本文提出的三层逐级奔月窗口搜索方法能快速精确求解载人登月任务中着陆器奔月窗口及精确轨道参数,也揭示了影响着陆器奔月窗口的主次因素和规律,为中国未来载人登月工程提供参考。     

载人登月轨道月面可达区域分析

全月面到达是21世纪以来载人登月研究的主要目标之一。影响月面可达区域的因素有很多,而阳光入射角约束和转移轨道约束是主要因素。首先分析了不同纬度区域阳光入射角规律,其次建立了一种适于月面可达区域分析的双二体圆锥曲线拼接算法,分析了自由返回轨道和混合轨道月面可达区域,并计算了变轨策略及其速度增量关系,为未来实现载人登月月面着陆区选择提供参考。     

击中月球的转移轨道研究

对击中月球的转移轨道进行了全局性的研究,对这种转移轨道的要求是,近地点高度及飞行时间都是预先确定的,采用一种十分有效的算法,可以方便地找出所有满足要示转移轨道,这种方法的关键是利用初始状态终极状态的状态转移矩阵进行迭代,给出了这些转移轨道和近地点和着月点的轨迹,并讨论了轨迹随飞行时间变化的特性,研究结果表明,对于任意的轨道倾角都可以到两条满足要求的转移轨道。     

基于轮地作用参数和PLSDA方法的月壤力学性能评估

为评估在轨月球车周边环境月壤力学性能,以月球车辙信息、轮上载荷和滑转率作为基本参数,提出了16个二元及三元标识量,结合偏最小二乘判别方法(PLSDA)建立评估月壤力学状态模型。根据容重对模拟月壤力学状态进行分级,分别为松软状态、自然状态和紧实状态。应用轮壤相互作用试验台共采集247组试验数据,每种模拟月壤状态的试验数据按照2:1比例随机划分为校正集样本和预测集样本,最终校正集和预测集样本个数分别为166和81个。考虑到原始数据值相差大和所提出部分标识量包含冗余信息的特点,因此在建立PLSDA模型时,应用均值中心化预处理方法对原始数据进行数据预处理,并优选10个标识量建立识别月壤力学状态的PLSDA模型,对应的校正集的准确率和预测集的准确率分别为90.96%和90.12%。结果表明,应用PLSDA方法并结合月球车的车辙信息、轮上载荷和滑转率以及优选标识量所建立的评估月壤力学状态判别模型,其计算快速准确,可用于月球车在轨评估车轮前方月壤的力学特性和通过性能评估。