基于FEM的引力参考传感器自引力计算与补偿

空间引力波探测太极计划将利用激光干涉的方法,测量两个检验质量之间的距离变化反演引力波信息。在0.1 mHz处,要求检验质量在敏感轴方向的总残余加速度保持在■以下。由航天器载荷静引力、热形变和质量波动引起的自引力噪声是检验质量的残余加速度噪声主要来源之一,要求检验质量在敏感轴方向的自引力加速度小于1×10^-10m/s²,引力梯度小于5×10^-8s^-2。为了计算检验质量处的自引力大小和引力梯度,针对检验质量与引力源几何形状的不规则性,基于有限元法编写程序计算了引力参考传感器中的引力源作用在检验质量上的线加速度、角加速度和引力梯度。为了缩短计算时间,提出“类自适应”网格划分方法以减小网格数量,并设计了配重以补偿自引力。计算结果显示,经过补偿后的检验质量在敏感轴方向的自引力加速度为9.237 7×10^-12m/s²,引力梯度为-2.569 1×10^-8s^-2,满足设计要求。本研究能够为航天器和引力参考传感器的设计与引力补...     

星载大型柔性索网天线重力环境下的型面调试

大口径柔性索网天线在地面环境下重力变形较大,且变形与天线反射面的制造误差始终交织在一起从而影响天线型面精度调试。针对这一问题,文章给出了反射面各类误差的定义,提出了制造误差与天线口面向上和口面向下不同放置状态型面误差的相互关系并予以证明;通过对这些关系式的运用降低了反射面重力变形与反射面制造误差的耦合程度,为反射器在重力环境下的型面调试指明了方向;此外结合工程需求给出了索网天线型面调试的流程,在实际工作中利用该流程可以有效地减少天线翻转调整次数,提高索网天线的型面调整效率。     

基于重复自抗扰控制的索网天线振动抑制

为解决索网天线在轨运行过程中的振动抑制问题,提出一种基于重复自抗扰复合控制器的主动振动控制方法。首先,使用有限元法建立天线型面的振动动力学模型,基于模态截断的方法对动力学模型进行降阶并转化为状态空间方程的形式。然后,基于能量最小化准则,使用遗传算法对传感器/作动器的位置进行优化。最后,设计了基于线性自抗扰控制的天线型面振动主动抑制算法,并在此基础上设计前馈重复控制算法,通过对反馈控制周期性误差的学习,提高控制器抑制周期性扰动的能力。仿真结果表明,相比无控状态时,所提出的控制方法可将型面扰动降低97.0%,振动抑制效果优于PID控制器。所设计的控制方法为天线型面的振动控制提供了一种新的技术手段。     

空间引力波探测惯性传感器关键技术与进展

空间引力波探测任务中的核心科学载荷之一是惯性传感器，旨在探测极其微弱的空间引力波的波纹变化。首先介绍了空间惯性传感器的探测机理和工作原理；然后从电容位移传感、静电反馈控制、地面评价3个方面介绍了惯性传感器设计的关键技术；并且对国内外惯性传感器的发展研究现状进行了梳理，可以看到惯性传感器关键指标为残余加速度噪声，国外在该指标上达到3×10^-15m/s²/Hz^1/2,国内与国外存在着3个量级的差距，因此开展高精度空间惯性传感器研究与设计具有重大战略意义和科学意义，是中国有望赶超世界科技前沿或领跑世界科技研究的重要方向之一。面向中国未来空间引力波探测任务中的惯性传感器需求，可以聚焦于惯性传感器控制体制策略、交流执行机参数优化、多自由度解耦控制技术、低噪声技术这四个方面的研究。     

基于最速下降法的可展开索网天线型面调整方法

考虑到索网结构的几何非线性和节点位移的高度耦合,为提高索网天线的型面调整效率,需设计合理的型面调整优化方法。文章根据双层索网结构的拓扑关系,将平衡矩阵和柔度矩阵分块化表示,通过偏导方法推导了任意平衡状态下型面误差对于张力阵拉力的梯度公式,利用型面误差梯度的无穷范数确定对型面误差影响最显著的张力阵单元。结合最速下降优化算法,采用型面误差负梯度方向作为优化路径。通过调节张力阵拉力,降低由于索网长度误差引起的型面误差。建立环形桁架天线的双层索网模型,进行型面调整数值试验,结果表明调整后的型面误差已趋近为零。     

高精度紧缩场的机械精度检测与电性能验证

根据天线型面精度的确定依据,建立了以半光程差为最小量的型面精度计算模型,据此编写了天线面板测调程序,对高精度紧缩场的型面精度进行了检测,并采用自由拟合的方法对馈源进行了定位,通过机械精度检测,该紧缩场反射面型面静区精度达到 26 μm,机械精度达到理论和设计要求.最终的电气测试结果表明该紧缩场在26~110 GHz时具有优良的电气性能,验证了天线机械精度检测结果的正确性.该方法使机械装调效率显著提高,具有重要的工程应用价值.      

基于半光程差的天线反射面型面精度检测

型面拟合最小量的选取是天线面板型面检测中的关键技术之一.天线表面各点半光程差的均方根是衡量天线型面精度的指标.根据圆锥曲面的几何定义及其光学性质,提出了圆锥曲面天线面板半光程差的直接计算方法,给出了基于半光程差的非线性最小二乘曲面拟合算法.以旋转抛物面天线面板为例,通过模拟和实际测量,对比分析了分别选取轴向误差和半光程差作为最小量拟合计算结果.试验验证了选取半光程差作为最小量拟合的算法具有更高的数值计算精度及稳定性.      

基于模糊自抗扰的索网天线容错振动控制研究

针对空间索网天线型面振动控制中部分作动器故障影响天线型面精度的问题，基于天线动力学模型设计一种模糊自抗扰容错控制方法。首先，建立天线型面的振动动力学模型，包括天线振动动力学模型、形状记忆合金作动器动力学模型和作动器故障模型。然后，设计模糊自抗扰控制容错振动控制方法，在作动器未发生故障的情况下，抑制天线型面的振动；在作动器发生故障的情况下，降低故障对天线型面精度的影响，实现容错控制。最后，对设计的容错控制算法进行仿真分析。仿真结果表明，模糊自抗扰容错控制方法不仅在作动器未发生故障时能将型面扰动降低93%,而且将三个作动器故障对型面精度的损失控制在4%。该天线型面振动容错控制方法对作动器故障干扰具有良好的适应性。     

板式表面张力贮箱推进剂重定位过程数值仿真的网格收敛性分析

为了验证2.67 L卫星贮箱性能，通过建立贮箱仿真模型，分别对贮箱50%与60%填充率下推进剂的重定位过程进行仿真验证。为了提高仿真效率，通过引入GCI指数这一概念，对比295万、625万、767万、955万网格数量的仿真结果，对仿真模型的网格收敛性进行分析。通过两个工况仿真结果的对比验证，认为当网格数量为625万时，数值模拟的误差能够收敛，具有较高的仿真效率。基于该仿真模型，对比分析了贮箱在受到轴向、周向扰动时与不受扰动时推进剂重定位过程的质心坐标变化，发现在扰动持续1 s情况下，推进剂质心变化小于1×10^-3m,因此认为该板式贮箱具有较好的抗扰动能力。     

星载高精度环形网状天线设计方法

星载环形网状天线的质量小、型面几何精度好、结构刚度高,代表了现有大型可展开天线的先进水平。随着天线工作频率的不断提高,对型面精度提出了越来越高的要求。文章首先介绍了基于高精度环形天线组成和结构系统力学设计思想,讨论了实现高精度设计的基本原理。然后详细分析了高热稳定双层张力网对称设计方法和基于椭圆展开桁架的高精度设计方法,对称布局优化了网面系统的张力分布和系统刚度,能够提高网面抵抗热变形的能力。椭圆展开桁架保证了所有节点都在硬点上,能够提高系统的结构稳定性。椭圆结构有斜切和竖切两种方式,斜切方式实现了任意的角度旋转,所以能够选出较优的节点组合。     

基于功率取样的光纤光源平均波长控制技术

为提高宽谱光纤光源温度稳定性,对平均波长温度稳定性进行了分析;对不同泵浦功率下输出光的平均波长与输出功率的变化进行了仿真和实验研究,揭示了宽谱光纤光源平均波长与输出功率的相关性;提出并实现了一种基于数学模型的平均波长控制技术.从光源输出取出小部分功率作为反馈信号,通过调整泵浦激光器电流实现了中心波长的精确控制.对研制的样机进行了实际测试,结果表明控制方案是可行的,在－45~70℃的温度范围内,宽谱光纤光源的平均波长稳定性达到0.3×10^-6℃^-1.     

非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法

提出一种考虑桁架柔性变形对索网平衡态影响的非对称偏馈环形网状天线索网预张力设计方法。该方法将天线整体结构分为内部索网与外部桁架两部分，通过内部索网预张力与外部桁架变形间的不断迭代，寻找满足索网形状及张力要求的天线平衡态，以实现网状天线索网预张力优化配置的目的。相比于常规基于刚性桁架假设的预张力设计，该方法可充分计及环形桁架与柔性索网协调变形，获得高精度反射面，且该方法适用于非对称偏馈天线，可有效避免后期张力调试，节约人力物力。算例分析验证了在进行预张力设计时计及桁架柔性的必要性及方法的正确性和有效性。     

构架式可展开抛物柱面网状天线结构设计

针对具有大尺度抛物柱状反射面需求的空间可展开天线,提出一种基于四棱柱折展模块的构架式可展开抛物柱面网状天线,依靠模块驱动组件实现天线联动展开。把抛物面天线工作表面的拟合方法拓展到抛物柱面天线,采用工作面拟合圆均等网格划分径向投影获取天线支撑桁架设计的关键节点。柔性网状反射面采用双层索网结构形式,提出与前索具有较好对称性的背索网悬链线设计,前、后索网节点由支撑立柱间拟合圆弧均等分径向分别投影到抛物线段和悬链线圆弧上获取,根据前后索网节点建立索网拓扑构型,基于非线性有限元法对索网预张力进行设计迭代,获得抛物线维索网预张力与其均值的最大误差率为12.3%及柱面维索网预张力与其均值的最大误差率为7.6%的优化结果。研制了机械口径12 m×12 m样机,多次展开获得2 mm RMS以内的形面精度,验证了构架式可展开抛物柱面网状天线较优的展开性能和形面精度保持性能。     

铷频标物理系统的改进研究

物理系统是铷频标的核心部件,通过分析影响频率稳定度的因素,对物理系统内部结构进行了改进。改进后的物理系统采用分离滤光的三泡结构,增加了光学滤光技术,此外,物理系统还选用了磁控管微波腔。经测试,改进后的铷频标温度系数为9.7×10^-14/℃,频率稳定度约为1×10^-12/τ（1s≤τ≤10 000s）。     

溅射靶对离子推力器的热辐射影响研究

为了研究真空环境设备内溅射靶温度升高后对30cm离子推力器的热辐射影响，采用有限元分析的方法，首先对真空舱内的离子推力器羽流分布进行了模拟，在获得羽流对溅射靶造成的温度变化后，进一步分析了溅射靶温度升高对离子推力器温度以及栅极热形变位移所造成的影响。仿真结果显示，推力器羽流可采用定向分子流模型进行描述，羽流在真空舱内的扩散过程中几乎没有能量损失；30cm离子推力器工作时真空舱内大部分区域的气体压强在2×10^-3~6×10^-3 Pa；在溅射靶影响下，推力器加速栅和屏栅中心温度分别为352℃和440℃，边缘温度分别为342℃和411℃，屏栅和加速栅的间距缩小量由无溅射靶影响时的0.560mm增加到0.585mm；试验结果显示，加速栅和屏栅边缘温度分别为364℃和385℃，与仿真结果的比对误差均为6%，溅射靶后部羽流气体的温度测试值高于计算值约50℃，误差主要由于模拟中忽略了羽流粒子的能量沉积效应。     

充气可展天线精度分析和形面调整

充气可展天线结构是以柔性薄膜材料制造的一种新型可展天线.对一类充气可展开天线系统进行结构设计,并相应地建立了充气结构的有限元分析模型.对充气反射面进行了精度分析,研究各参数对形面精度的影响,包括内压、膜材厚度、材料属性、天线焦距等;比较了3种实验姿态下重力对形面的影响,选择其中一种能够很好地模拟失重环境;针对特定的天线结构系统,提出了可行的形面调整新方法.分析和实验表明,调整方法能够有效提高形面精度.      

高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6.4K时，其Q值能够达到4.0×10⁸。以此微波腔为基础，形成正反馈振荡回路，并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制，提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求，采用共用一个低温装置的方案，构建了两台低温蓝宝石微波源，一路输出频率为9.204GHz，另一路输出频率为9.205GHz，两路信号混频，并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算，低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3.28×10^-15。     

小型磁偏转质谱计性能实验研究

自主研发了小型磁偏转质谱计，并对其质量范围、分辨本领、灵敏度和最小可检分压力四个主要性能指标进行了实验测试和比对。结果表明，该质谱计的质量范围为（1~143）amu，相对N₂的分辨本领为1400，灵敏度为4.2×10^-5 A/Pa，最小可检分压力为9.5×10^-7 Pa。该测试和比对结果为磁偏转质谱计进一步的优化设计和性能提高奠定了重要基础。     

基于误差最小的SVM最优分类面修正

针对C-支持向量机(C-SVM,C-Support Vector Machine)中惩罚系数C可能导致最优分类面不合理的问题,提出基于误差最小的SVM最优分类面修正方法.通过调整正负类分类间隔的约束条件,求解使训练样本总误差最小的偏置系数,并兼顾与正负类误差之差的绝对值的平衡,得到误差最小的更优分类面.实验证明该修正方法与C-SVM及其它修正方法相比,具有较高的分类精度和较强的抗噪声与野值数据干扰能力.