基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道设计

针对地月空间货运任务和环月轨道空间设施建设任务,提出一种弹道逃逸和小推力捕获相结合的新型地月轨道转移模式,并建立了一整套该类型轨道设计方法。首先,在三体模型假设下分别建立地心弹道逃逸轨道和月心小推力捕获轨道的二维极坐标动力学模型。对于弹道逃逸轨道,将地心旋转系对准角和地月转移加速速度增量作为控制变量,提出初值估计解析公式,并应用序列二次规划算法进行快速求解。对于小推力捕获轨道,以月心距为参考量设置与弹道逃逸轨道的拼接点约束,提出能量匹配方法预估飞行时间,采用最优螺旋轨道的初始伴随状态解析式预估近月点伴随变量初值。基于混合法和轨道逆推思想,采用人工免疫算法进行小推力捕获轨道求解。仿真结果表明,基于弹道逃逸和小推力捕获的地月轨道转移方式大幅降低了近月制动燃料消耗,能快速穿越地球辐射带,且飞行时间适中;同时,提出的轨道设计方法能快速搜索到基于弹道逃逸和小推力捕获的地月转移轨道,验证了该方法的有效性。     

通过矩形喷嘴的非稳定液体射流

绍了关于用矩形喷嘴进行的瞬态液体射流的实验研究结果。流动显示演示了在喷流过程中液体射流的种种不稳定现象。笔者推广了Ryhming的理论模型，计算了喷嘴出口的射流速度，并与实验结果进行了比较。     

建筑物顶部形状对街道峡谷内污染物扩散影响的研究

应用数值模拟方法研究建筑物顶部形状对于街道峡谷内汽车排放污染物扩散的影响.研究发现,街道峡谷内漩涡的结构会随街道两侧建筑物顶部形状的不同发生变化,进而影响到街道峡谷内的污染物扩散.数值模拟结果与Rafailidis(1996)等在德国汉堡大学的气象学院进行的风洞实验结果进行了对比,与风洞实验结果相符合.街道两侧建筑物顶部形状不同,峡谷内的污染物扩散规律不同,选择合适的建筑物顶部形状会对街道峡谷内的污染物扩散产生有益的效应,这对于建立有效的机动车污染物控制策略具有重要指导意义.     

发动机进气流动三维瞬态数值模拟研究

采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE法)和所提出的动态网格生成新方法,实现了车用发动机进气流动过程的三维瞬态可压缩湍流数值模拟,湍流模型采用经压缩修正的κ-ε双方程模型.计算结果揭示了发动机进气过程的三维瞬态流动特性,为发动机进气系统的优化设计提供了理论依据.     

载人小行星探测飞行模式研究

小行星是载人深空探测的重要可选目的地之一,其丰富的探测与利用价值近年来备受各国的广泛关注。分析了载人小行星探测的任务特点,开展了近地组装发射、日地L2点停泊、地月平动点停泊的载人小行星探测飞行模式研究。载人小行星探测任务可选目标星多、任务周期长、飞行距离远,选择具有较好适应性的飞行模式是任务实施的先决条件。文章对不同飞行模式下的速度增量、任务时间、飞行器系统规模和推进剂选择进行了分析,最后进行了最优飞行模式选择。     

基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法

在载人月球探测任务中,为准确预测携带大量推进剂航天器的质量特性和在轨寿命以便进行飞行任务规划和控制,需要精确测量低重力条件下航天器推进剂剩余质量。文章对基于气体注入法的航天器贮箱推进剂剩余量测量精度和关键影响因素进行了仿真研究,研究结果表明:随着航天器贮箱中推进剂剩余量的不断减少,气体注入法测量精度不断降低;测量实施过程中贮箱压力值变化幅度越大,测量精度越高;测量精度受测量系统温度传感器精度影响相对较小,受测量系统压力传感器精度影响较大,呈近似线性相关;基于气体注入法的高精度推进剂剩余量测量方法,可通过选用高精度压力传感器和增大测量实施过程中贮箱压力值变化幅度实现。     

求解最优月球软着陆轨道的隐式打靶法

基于间接法思想推导出一种隐式打靶法对月球软着陆轨道优化问题进行了研究。建立月球软着陆轨道归一化系统模型，利用庞特亚金极大值原理将月球软着陆轨道优化问题转化为满足最优必要条件的两点边值问题（TPBVP），采用一种新的时间变量使两点边值问题的终端时刻固定，同时将终端时刻看作状态变量并引入终端时刻的哈密尔顿函数值作为隐式终端条件，提出一种隐式打靶法对含有隐式终端条件的两点边值问题进行迭代求解，从而得出燃料消耗最优的月球软着陆轨道。仿真结果表明，与直接法和混合法相比，隐式打靶法优化精度高，收敛速度快，实现了月球软着陆过程燃料消耗最优。同时应用隐式打靶法求解不同发动机推力值的最优月球软着陆问题，得到燃料消耗最小的最优推重比，可为月面着陆器下降级发动机选型提供参考。     

有限旋转气流的切向速度特性分析

已有的试验结果表明：有限旋转气流的切向流速，在旋流器出口头部区域常出现双峰分布，本文分析了出现此现象的两种情况，认为有内外两个旋涡交织在一起所形成的复合涡是切向速度出现双峰分布的根本原因，并根据涡运动基本理论，提出了复合涡的理论模型；对无回流旋转区段，具有中心回流区段，和复合涡回流区段的切向速度分布进行了分析。     

数字孪生及其在航空航天中的应用

数字孪生已引起国内外的广泛重视，可看作是连接物理世界和数字世界的纽带。其通过建立物理系统的数字模型、实时监测系统状态并驱动模型动态更新实现系统行为更准确的描述与预报，从而在线优化决策与反馈控制。本文分析表明数字孪生体相比一般的模拟模型，具有集中性、动态性和完整性的突出特点。数字孪生的发展需要复杂系统建模、传感与监测、大数据、动态数据驱动分析与决策和数字孪生软件平台技术的支撑。在航空航天领域，数字孪生可应用于飞行器的设计研发、制造装配和运行维护。重点讨论了应用机身数字孪生进行寿命预测与维护决策的案例，相比于周期性维护，具有检修次数更少、维护成本更低的优势。最后，给出了数字孪生在空间站、可重复使用飞船的地面伴飞系统中的初步应用框架。     

地月空间NRHO与DRO在月球探测中的应用研究

针对地月系统三体问题低能往返轨道转移在月球探测中的应用研究，结合天体借力飞行技术与混合优化技术，系统分析了不同目标轨道与借力方位对任务飞行时间与燃料消耗等关键参数的影响，给出了往返轨道设计初值的选择策略。针对轨道设计初值猜想问题，首先采用遗传算法与二体Lambert转移快速确定轨迹拼接点初值。在同时考虑近月点与近地点多约束条件下，基于序列二次规划算法与多重打靶法进一步对燃料最优的地月往返轨道进行研究，并推导了约束方程解析梯度提高设计效率。最后分析近月点高度、不同目标轨道的转移时间与燃耗变化特性，对于考虑月球借力的地月空间轨道往返转移设计及参数选取具有重要的参考价值。