武汉上空中层顶大气重力波活动的钠层荧光激光雷达观测研究

从中国科学院武汉物理与数学研究所钠荧光激光雷达自1999年至今的观测数据中选取了分布于全年26天的数据进行重力波活动的分析研究.统计结果表明,武汉中层顶区的重力波活动非常频繁:26天总观测时间累计约为185.5 h,总共观测到124个重力波活动,平均发生频度为每小时0.7个波,且波的出现频度与地方时有一定关系.这些波的垂直波长主要分布在3-7km,垂直相速主要位于0.1-0.5 m/s.与国外报道的结果相比较,波长数值与分布较为一致,但相速明显较低.武汉中层顶区重力波活动的另一特点是多波过程很频繁,多、单波过程的出现比例约为3:2.利用钠层相对密度扰动时空图方法,给出了武汉中层顶区重力波传播和破碎现象的典型结果.还利用单色波模型对部分钠层数据进行了单色波相关参数的提取.      

考虑缓冲装置惯性及接触变形的对接动力学仿真研究

为了使对接动力学数值仿真更准确、全面地反映对接过程的动力学特性，针对具有异体同构周边式对接机构的两飞船组成的对接系统，建立了考虑缓冲装置惯性及接触变形的对接动力学数学模型。概述了接触点类型及确定接触点的几何学模型，描述了缓冲装置模型、接触力模型及运动方程，并进行了数值仿真。最后将仿真结果与未考虑上述两因素的仿真结果进行了对比分析。     

北京地区大气温度及重力波活动的季节变化

利用瑞利激光雷达观测数据,分析了北京地区35~70km高度范围内大气温度和重力波活动的季节变化.发现北京地区30~70km高度范围内的大气温度有明显的年周期变化:平流层顶最高温度出现在6,7月份,大约为270K;中间层70km高度最低温度也出现在6,7月份,大约为200K.以2014年10月14日晚数据为例,分析重力波势能密度,发现50km以下重力波势能存在耗散,而在50km以上重力波近乎无耗散地向上传播.通过对比35~50km高度范围内的平均势能密度,对北京地区重力波活动强弱的季节变化进行了研究.研究结果表明,北京上空重力波活动强度具有明显的年周期变化,冬季平均势能密度为18J·kg-1,夏季为8J·kg-1,且冬季重力波活动强度约为夏季的两倍.此外,还分析了春夏秋冬四个季节重力波势能密度随高度的变化.结果表明,不同季节和不同高度的重力波势能密度不同.      

美国新发射的"圣杯"月球探测器简介

2011年9月10日,美国成功发射＂圣杯＂（GRAIL,又名＂重力恢复与内部实验室＂）探测器,其主要任务是探测月球重力场和内部结构。GRAIL包括两个相同的月球探测器,分别为GRAIL-A和B,它们运行在50km的近圆形月球极轨道上,利用Ka频段在两个探测器之间进行高精度距离变化率测量,通过对这些测量数据的分析,能直接获得月球重力场分布的信息。GRAIL的任务时间为270天,其中90天进行月球重力场测绘。     

基于阻抗控制的机械臂末端工具的柔顺控制

当空间机械臂执行任务时与环境相接触，机械臂末端工具和目标之间可能存在很大的接触力.为了将接触力限制在一定范围内，本文提出了基于位置控制内环的阻抗控制对机械臂末端精细工具进行柔顺控制的方法.该方法建立了机械臂末端工具的位姿与接触力/力矩之间的动态关系，使用关节位置/速度传感器和腕力传感器的测量来得到关节角、关节角速度和末端接触力反馈，使得机械臂末端执行器根据反馈作出相应的顺应性运动.研究将阻抗控制应用在复杂精细的末端工具上，将位置和姿态同时纳入柔顺控制器的设计中，实现了末端位置和姿态的综合控制.最后本文以螺钉拆卸为例，对提出的末端柔顺控制律进行位姿控制和接触力控制的仿真验证.仿真结果表明，本文设计的柔顺控制器可以有效控制接触力在合理范围内，并在误差很小的范围内实现位置和姿态的综合控制，对实际工程应用中，机械臂末端的精细操作具有指导意义.     

2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强

利用测试粒子数值模拟的方法研究了与STEREO-A卫星观测到的2008年4月24日行星际激波事件相关联的超热电子90°投掷角的增强.根据激波到达前给定时刻超热电子的观测分布,拟合得到不同投掷角的初始分布函数;在给定的激波参数下,采用时间向后的方法计算特定能道上激波下游超热电子的投掷角分布.由于超热电子具有较高的共振频率,模拟采用的磁场湍流谱包含了低能电子发生共振的耗散区.对以215.76,151.67,106.63,eV为中心的三个能道进行了模拟.结果表明,不同能道上超热电子在激波下游的投掷角分布均在90°投掷角附近出现峰值,呈现出明显的90°投掷角增强,这与观测结果符合得很好.可以认为在激波对电子的加速过程中,电子与湍流耗散区的共振对90°投掷角的增强具有重要作用.      

真空环境下月壤颗粒受力影响因素及对空间分布的影响

针对登月着陆器下降过程中扬起的月壤颗粒与羽流场的相互作用问题,分析了月壤颗粒在羽流场中受力的主要影响因素,讨论了月壤颗粒受到的曳力、升力和重力计算公式及适用范围.通过量级分析对这三种力进行计算,分析了影响月壤颗粒运动及空间分布的主要作用力.通过对惯性修正因数f_I、表面滑移修正因数f_C和周围颗粒影响修正因数f_F相关颗粒雷诺数、克努森数及孔隙率在羽流场中的分布进行计算,讨论了三种修正因数对月壤颗粒速度以及空间分布的影响.计算结果表明,f_I和f_F修正使得月壤颗粒纵向速度及扬起月壤颗粒的最高高度略有减小,而f_C修正对这两方面的影响并不明显.     

小尺度重力波引起夜光云反照率变化的统计特征

利用AIM卫星搭载的CIPS云成像探测器获得的云图数据，提取2008-2009年南北半球共6664个小尺度重力波（波长10～150km）个例，通过重力波区域与背景云层反照率变化值的对比分析，研究重力波引起云层反照率的变化特征.结果表明，重力波引起的反照率变化值以正值为主，最大平均值4.48×10-6sr-1出现在南半球降交轨道.反照率变化值与IWC变化值正相关，相关系数均在0.85以上.重力波引起的反照率变化呈现出很强的纬度和时间依赖性，且几乎均为正值.反照率变化值在中期阶段（冬/夏至日之后的50天）的高纬地区（>70°）更大，但在中期以外始末阶段的低纬地区（<70°）逐渐变小，甚至开始出现负值.随着背景云层的增强，反照率平均值呈线性增大，小尺度重力波能够引起背景云层反照率约14.6%～28.8%的变化量.当重力波引起的反照率周期性变化的振幅逐渐增大时，反照率变化值也线性增大，变化率约为0.909%～1.194%.南半球的变化率整体比北半球稍小，这与背景大气条件的差异有关      

水介质中降落球形塑料颗粒与静止气泡的 黏附行为

为了揭示球形塑料颗粒在气泡表面的黏附行为及机理,采用高速摄影仪对自由降落的球形塑料颗粒与固定在水槽中静止气泡的黏附过程进行拍摄,利用图像处理方法提取颗粒黏附过程运动特性曲线及碰撞角与运动时间的关系,研究颗粒碰撞位置、颗粒和气泡直径对黏附行为的影响。实验结果表明:颗粒的黏附主要分为碰撞黏附和滑动黏附,气泡表面的滑动壁面假设与实验值的吻合度较高。此外,通过对实验数据的统计发现,随着碰撞角的增大,感应时间明显增长,但是颗粒陷入气泡表面的时间基本维持在10 ms,颗粒陷入气泡的深度受气泡和颗粒尺寸的共同影响,约占气泡与颗粒直径之和的2%。      

不同重力条件下单气泡池沸腾现象的数值研究

对不同重力条件下常压饱和水中单气泡池沸腾现象的气泡生长过程及传热特性进行了数值模拟. 采用简化的润滑流模型计算生长气泡底部微液膜的贡献, 而其他宏观区域的气液两相介质则用连续界面模型统一处理. 气液界面形状和加热面上接触线的运动分别采用Level Set方法和固定的表观接触角来近似刻画. 计算结果表明, 气泡生长过程中, 当量直径近似与生长时间的1/3～1/2次方成正比, 重力对相关趋势的影响不大, 但强烈影响着气泡脱落直径和生长时间, 其中脱落直径反比于重力的1/3次方, 生长时间反比于重力的4/5次方. 在固定的核化点数密度条件下, 加热面平均热流密度近似与壁面过热度的3/2次方成正比, 该趋势并不随重力的减弱而改变.      

纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力

针对目前软体机器人缺乏变形和接触力方面理论研究的问题，以软体夹持器为研究对象，开展了纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究。首先设计了气动软体夹持器，该夹持器由纤维增强型单向弯曲驱动器、接触气囊以及单元的连接装置组成；其次基于Yeoh模型、Neo-Hookean模型分别建立了弯曲驱动器驱动压强与弯曲变形圆心角的非线性数学模型和弯曲驱动器末端接触力理论模型；然后开展了软体夹持器变形和末端接触力的仿真及实验，结果证明了理论模型的正确性；最后进行了纤维增强结构对软体夹持器变形和末端接触力影响的研究，实验结果表明:纤维增强结构能大幅度提高软体夹持器的变形和末端接触力。上述研究为其他纤维增强型软体夹持器变形及末端接触力的研究提供了理论基础。      

充液航天器目标跟踪自适应控制

对于在零重力环境下受到横向控制力和俯仰控制力矩作用的带球形贮液箱的航天器模型,研究了其在平面运动的动力学特性.将晃动液体等效为单摆模型,利用Lagrange方法建立了系统动力学方程并且将其转化为状态变量方程形式;应用微分几何原理,以单输入—单输出系统（SISO）为例,研究了系统的非线性动力学特性,并进一步针对目标跟踪问题设计了SISO系统基于线性化模型的控制策略.研究结果表明：对于液体晃动-航天器姿态耦合动力学系统采用极点配置间接自校正控制策略能够实现姿态角的镇定及跟踪.     

颗粒气体的类气液相变

颗粒体系是远离平衡态的复杂耗散体系,在外力驱动下,能表现出类似于固体、液体或气体的特性.在稀疏的颗粒气体中,由于耗散,体系中常常会形成颗粒在局部的凝聚.这种凝聚行为具有自发对称性破缺的特征,使得颗粒气体中自动形成高密度区域和低密度区域共存的非均匀状态,类似于气体中液滴的形成.本文利用零重力条件下的三维颗粒气体理论模型进行计算和分析,揭示了颗粒气体这一相变行为的不稳定性根源及类气液相变本质,给出了颗粒气体中这种相分离发生的临界条件,并通过分子动力学模拟进行检验,结果从定性上和定量上都能够很好地吻合,为进一步的空间实验提供了理论依据和相关实验参数.     

Studies of the interaction of gravity with biological membranes using alamethicin doped planar lipid bilayers as a model system.

Gravity interacts with biological systems on different levels of complexity. For the understanding of the action of gravity on such systems at higher degrees of organisation, the investigation of interactions on the membrane and even on the molecular level is crucial. To do such studies, planar lipid bilayers with incorporated transport mediating molecules, i.e. membranes of defined biochemical composition, are close to perfect model systems. In our experiments we have used painted planar lipid bilayers doped with alamethicin. Alamethicin is especially suitable for such studies because of its high sensitivity to applied external forces, which is a result of its special pore forming mechanism. Additional, different to most other transport mediating molecules, a big amount of data from the literature is available about the dependency of alamethicin pores on physical and chemical membrane parameters. We found that the conductance of alamethicin doped bilayers is dependent on the angle of the bilayer with the gravitational vector and that it furthermore can be reduced significantly under hyper gravity conditions in a centrifuge. The effect of gravity here is not an effect on the pore conductance or the membrane-aqueous solution interface, but it is due to an interaction of gravity with the pore forming mechanism, as can be shown by investigating the dependency of the alamethicin pore kinetics on the applied forces.     

潜在威胁小行星碰撞防御的计算与分析

研究了采用碰撞的方式进行小行星防御的动力学问题。采用多面体模型来建立小行星的外形模型,以碎石堆模型来建立小行星的结构模型,计算了小行星受到与其密度和材质相同的球体高速碰撞过程和碰撞后的碎石分布。计算过程在考虑了小行星与碰撞球体的接触形变以及小行星内部组成碎石堆的接触形变条件下,计算了碎石堆内部的相互引力、法向接触力、切向静摩擦力、切向动摩擦力和滚动摩擦力矩。以小行星101955 Bennu(中文名贝努)为对象计算了潜在威胁小行星的碰撞防御过程的动力学行为。结果显示:采用高速碰撞的方法进行小行星防御可以有效地将小行星撞成大量碎小的石块,且该方法具有核爆的方法不可比拟的优势,即对空间环境无污染。     

空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性,利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型,并以高超声速流场作为输入,采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大,轴向力系数呈整体下降趋势,而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势;此外,随着攻角的增加,结构最大应力整体呈上升趋势,并在45°攻角附近增幅最大。     

An introduction to gravity perception in plants and fungi--a multiplicity of mechanisms.

The origin and subsequent evolution of life on Earth has taken place within an environment of which a 1g gravitational force is a part. Thus, all living organisms accommodate this variable in their structure and function. Evolution has also selected mechanisms to sense gravity which, in consequence, give particular orientations to living process. It is anticipated that the higher the evolutionary status of an organism, the greater the chance that it will possess multiple mechanisms of gravisensing because evolution discards nothing that assists fitness, but only adds to existing processes. A multiplicity of mechanisms permits gravity to participate in a wide range of developmental programmes, such as taxes, morphisms and tropisms, through the action of different sensors and distinct transduction/response pathways.     

考虑运动副间隙的剪式线性阵列可展结构动力学分析

为了精确研究剪式线性阵列可展结构的动力学性能,在该机构的运动副中引入间隙,通过含间隙转动副元素之间的运动规律建立了该运动副的运动学模型。基于Gonthier接触力模型和修正的Coulomb摩擦力模型分别计算了含间隙转动副元素之间的法向与切向接触力。进一步把该接触力转换到间隙运动副所联接的杆件与滑块的质心处,并将其集成到剪式可展结构动力学模型的广义力中,从而成功地将关节间隙效应引入到可展结构中。采用一种新的违约校正法直接对系统的坐标和速度进行修正,避免了数值结果的发散并可确保将违约控制在给定的精度范围内。通过数值分析预测了运动副间隙对剪式线性阵列可展结构动力学性能的影响,为研究可展结构的运动精度和机构设计提供了参考和依据,拓展了间隙碰撞模型的应用范围,有利于工程实际应用。     

基于ICT分布的容迟网络接触模型

在容迟网络中,掌握节点之间的接触间隔时间(ICT)的特性,能够为网络性能分析、路由协议设计以及算法优化等研究提供理论指导和帮助,但目前的ICT模型往往缺乏普适性.通过对节点运动做出一般性假设,基于可靠性数学方法,给出了一个基于ICT分布的接触模型——IDCM.该模型证明了两个移动节点之间的ICT服从指数分布,且指数分布的参数仅与两个节点的历史接触次数和累积ICT有关.在随机方向(RD)移动模型、随机路点(RWP)移动模型、北京市出租车网络、口袋交换网4个数据集上进行了仿真验证,并与基于统计拟合参数的指数分布模型进行对比.仿真实验结果表明,IDCM能够准确反映节点对之间的接触间隔时间分布,且模型准确性优于基于统计拟合参数的指数分布模型.