日球层内外能量中性原子的探测

能量中性原子(Energetic Neutral Atoms, ENA, 简称能原子)是指在日球层内外空间, 拥有>0.1keV动能的原子.在此空间领域并没有温度>106K的中性气体, 但却充满动能>0.1keV的正离子.因此能原子A应该是A+离子与原地稀薄气体B原子或分子交换电荷所产生的, 即A++B→A+B+. 电荷交换涉及极小的动能变化, 新生的能原子A和离子B+基本上各自保持原有动能. 离子B+随即被当地磁场俘获, 能原子A则脱离磁场约束并携带其原属离子群的成分和能量信息而直线运动, 成为遥测空间等离子体的有效媒介. 美国人造卫星 IBEX (Interstellar Boundary Explorer) 直接探测得到来自日球层以外星际空间的能原子, 大幅延伸了利用能原子遥测空间等离子体的领域. 本文据此论述了空间能原子的发现, 综述了探测空间能原子的基本概念与实例、取得的主要成果、仪器设计和研制进展以及未来空间利用能原子遥测的发展趋势.      

基于粒子群算法的电帆轨迹优化设计

电帆是一种利用太阳风动量的新颖的无工质空间推进系统,文章研究了以电帆为对象的行星际转移轨迹优化问题。以地球轨道转移到火星、金星轨道为任务对象,采用连续推力模型,研究极坐标系下最小时间转移轨迹优化设计问题。提出了两种基于粒子群算法(PSO)的直接优化方法,避免对协态变量初值敏感的两点边值问题（TPBVP）求解。方法一是通过打靶法直接离散化控制量输入,将最优控制问题转化为非线性规划参数优化问题,采用PSO算法寻优,获得近似最优的转移轨迹。方法二是针对任何连续控制律曲线都能以一定精度的多项式函数进行曲线拟合的特性,设计逼近最优转移轨迹控制律的多项式函数,通过PSO算法优化多项式函数参数获得逼近最优解的转移轨迹。仿真结果表明采用上述两种方法进行转移轨迹优化设计,具有随机猜测初值、全局收敛、鲁棒性强的特点。     

Effect of scavenge port angles on flow distribution and performance of swirl-loop scavenging in 2-stroke aircraft diesel engine

Swirl-Loop Scavenging (SLS) improves the performance of 2-stroke aircraft diesel engine because the involved swirl may not only benefit the scavenging process, but also facilitate the fuel atomization and combustion. The arrangement of scavenge port angles greatly influences in-cylinder flow distribution and swirl intensity, as well as the performance of the SLS engine. However, the mechanism of the effect and visualization experiment are rarely mentioned in the literature. To further investigate the SLS, Particle Image Velocimetry (PIV) experiment and Computational Fluid Dynamics (CFD) simulation are adopted to obtain its swirl distribution characteristics, and the effect of port angles on scavenging performance is discussed based on engine fired cycle simulation. The results illustrate that Reynolds Stress Turbulence model is accurate enough for in-cylinder flow simulation. Tangential and axial velocity distribution of the flow, as well as the scavenging performance, are mainly determined by geometric scavenge port angles α_geom and β_geom. For reinforcement of scavenging on cross-sections and meridian planes, α_geom value of 27° and β_geom value of 60° are preferred, under which the scavenging efficiency reaches as high as 73.7%. Excessive swirl intensity has a negative effect on SLS performance, which should be controlled to a proper extent.     

Simple method for performance evaluation of multistage rockets

Multistage rockets are commonly employed to place spacecraft and satellites in their operational orbits. Performance evaluation of multistage rockets is aimed at defining the maximum payload mass at orbit injection, for specified structural, propulsive, and aerodynamic data of the launch vehicle. This work proposes a simple method for a fast performance evaluation of multistage rockets. The technique at hand is based on three steps: (i) the flight-path angle at each stage separation is guessed, (ii) the spacecraft velocity is maximized at the first and second stage separation, and (iii) for the last stage the thrust direction is obtained through the particle swarm optimization technique, in conjunction with the use of the Euler–Lagrange equations and the Pontryagin minimum principle. The coast duration at the second stage separation is optimized as well. The method at hand is extremely simple and easy-to-implement, but nevertheless it proves to be capable of yielding near-optimal ascending trajectories for a multistage launch vehicle with realistic structural, propulsive, and aerodynamic characteristics. The solutions found with the technique under consideration can be employed either for a rapid evaluation of the multistage rocket performance or as guesses for more refined optimization algorithms.     

CMOS星敏感器图像驱动及实时星点定位算法

利用CMOS图像传感器技术的低功耗和开发简单等优点,设计了新型CMOS星敏感器的图像采集驱动电路.该电路设计以现场可编程门阵列(FPGA)为核心,配以静态存储器和并口通讯功能,实现了图像的采集、存储和输出.同时根据4连通域图像分割的原理,在FPGA内部设计了一个数字电路模块,以实现该星敏感器的实时星点定位功能.该模块由于采用了流水线结构,可以和图像采集同步完成星点质心定位算法,减少了向星敏感器数据处理单元中的精简指令集计算机(RISC)的数据传输量和RISC进行星图跟踪和识别的工作量,提高了星敏感器的总体工作性能.对比软件处理结果,对星敏感器的图像采集和质心算法硬件电路进行了验证.     

基于多项式插值的自由漂浮空间机器人轨迹规划粒子群优化算法

针对自由漂浮空间机器人轨迹规划问题,提出一种基于多项式插值与粒子群优化算法相结合的非完整运动规划方法。首先,通过对系统非完整约束条件进行分析,给出了以机械臂关节角耗散能为目标函数的轨迹最优控制算法;并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,将插值多项式的系数作为优化参数,结合粒子群优化算法对关节角轨迹进行优化求解。最后,对本文提出的轨迹规划算法进行数值仿真。仿真结果表明关节角轨迹平滑连续,保证了关节角速度及关节角加速度在初始和终止状态均为零,从而验证了所提方法的有效性和可行性。     

城市道路交通流检测数据精度评价

目前各种检测方法采集到的路段速度数据普遍存在一定的误差,其准确性直接影响各种交通分析模型结果的精度.针对浮动车检测器、微波检测器以及线圈检测器的路段速度数据进行研究,利用GPS(Global Positioning System)设备实时记录试验车位置,分别在快速路和主干路进行了12次实验,对不同采集方式获取的速度信息进行了精度验证和评价.实验结果分析表明,浮动车数据获取的城市快速路和主干路的路段行程速度平均误差分别为13.6%和27.8%,且采集值与实际速度具有相同的分布.快速路微波检测器和主干路线圈检测器的速度数据与真实行程速度数据的误差分别为30%和56%.表明了微波检测器的断面速度值,用来表征所处路段的行程速度时虽然具有一定的误差,但是基本能表征路段的行驶状况.该研究结论为不同精度需求的交通模型选择合适的数据源提供支持,并为利用多源数据的冗余信息提高数据精度和完备性提供了理论依据.      

基于粒子群拍卖混合算法的空空导弹制导权移交技术

为解决超视距协同空战中的空空导弹制导权移交问题,首先对空空导弹制导权移交问题进行了数学建模,构建了我机对目标机制导优先权模型以及我机对空空导弹制导优先权模型,建立了空空导弹制导权移交的任务分配模型;其次为实现对大规模空空导弹制导权移交问题的快速寻优求解,提出了一种分布式的粒子群拍卖混合算法,该算法对粒子群算法进行了改进,并融合了拍卖算法的优点,可在较短的时间内获得较为合理的制导权移交方案,具有较好的动态性、全局寻优性能以及易于计算机编程实现等优点。最后,通过仿真实验证明了本方法的合理性和有效性。     

低轨道航天器高电压太阳电池阵电流泄漏效应分析计算

在一种简化的太阳电池阵结构模型基础上, 利用太阳电池阵电流收集经验模式,基于电流平衡, 建立了一种计算低轨道航天器高电压太阳电池阵在等离子体环境中电流泄漏的方法. 利用该方法, 对高电压太阳电池阵电流泄漏效应与低轨道等离子体环境、电池阵电压、电池阵裸露金属面积的关系进行了分析计算.结果表明, 随着轨道高度增加, 电流泄漏引起的电池阵功率损失迅速下降, 影响最严重的区域为电离层等离子体密度最高的300～400 km高度的轨道区域; 电流泄漏引起的功率损失与太阳电池阵电压呈指数关系, 电压越高功率损失越大; 200 V以下的电池阵功率损耗较小, 远低于电源系统总功率的1%;电流泄漏与太阳电池阵裸露金属导体的表面积呈正比关系, 因此, 通过减少太阳电池阵裸露面积, 可以降低电流泄漏的影响.      

固体火箭发动机喷管喉部凝相颗粒粒度分布实验

设计了一种新的收集固体火箭发动机喷管凝相颗粒的实验装置,针对典型的HTPB复合推进剂,开展了喷管喉部凝相颗粒的收集实验和粒度分析,研究了燃烧室压强和收敛角度对喷管喉部颗粒粒度分布的影响规律。研究结果表明,喷管喉部的凝相颗粒在0.27～50μm之间都有颗粒存在,凝相颗粒主要集中在0.3～15μm之间,粒径大于15μm的颗粒较少;燃烧室压强对颗粒粒径有较大影响,随着燃烧室压强的升高,凝相颗粒粒径变小,粒度分布更为集中;燃烧室压强相同的条件下,收敛角度对喷管喉部的凝相颗粒粒度分布影响较小。