多级会切场推力器振荡特性模拟研究

目前多级会切场推力器数值模拟研究采用的主要手段是全粒子模拟方法,但是这种全粒子模拟对计算机的要求较高,因此文章通过建立HEMPT的一维流体模型,再现HEMPT的振荡现象,对放电电流和等离子体参数之间的关联性及等离子体参数分布规律进行研究。沿着两条典型的电子传导路径,利用MATLAB中Simulink模块建立一维流体模型。结果分析表明,推力器内部等离子体参数的振荡周期与放电电流振荡周期一致。推力器的主电离区在两个磁尖端之间,电势降主要集中在出口附近。     

无拖曳卫星推力器动态模型研究

无拖曳技术能够有效地抵消卫星的非保守力,适用于未来的空间探测任务.这种技术的实现对推力器提出很高的要求.在广泛调研的基础上,归纳无拖曳卫星中微推力器的工作原理及特点,并介绍其应用情况.根据中国无拖曳技术的发展要求,针对无拖曳冷气微推力器中比例阀的流量控制过程,建立其动态模型进行仿真,并在此基础上设计模糊自适应PID控制器,改善了系统的动态性能.     

会切磁场推力器低频振荡特性

针对会切磁场推力器的低频振荡特性,将推力器的工作模式分为高电流模式和低电流模式,在此基础上研究了低频振荡随工作参数和磁场位形的变化特性,并针对推力系统外回路对低频振荡的影响进行了研究。结果表明,在高质量流量下,随着放电电压的增加,会切磁场推力器的工作模式从高电流模式转换为低电流模式。在高电流模式下,放电电流具有高振幅、低频率的特征,羽流比较模糊,并且电流振荡幅值随着放电电压增大呈先增大后降低的趋势,而对应的振荡频率随着放电电压的增大而增大。在低电流模式下,放电电流具有低振幅、高频率的特征,羽流有两条明显的亮线,并且电流振荡幅值和频率均随放电电压的增大而增大。在不同工况下,随着质量流量增大,放电电流振荡幅值和频率均呈现增大的趋势。研究还发现,外回路中的电阻和电感对低频振荡起到一定的抑制作用,而电容对低频振荡的影响并不明显。     

渐扩变截面通道对会切磁场推力器性能的影响

为了改善会切磁场推力器在低功率下对中低等流量变化的不适应性,采用了一种渐扩的变截面通道设计来提升推力器中低等流量下的性能,对比了两种等截面通道与一种渐扩通道在中低等流量下的性能。虽然渐扩通道与小直径的等截面通道相比,会略微降低通道内的原子密度,但渐扩通道由于减小了出口离子能量损失,同时增大磁镜比促进电离,从而能够提升推力器在同等推力水平下的效率。而大直径等截面通道和小直径等截面通道分别由于原子密度过低及壁面损失较大,性能均不如渐扩通道。因此,渐扩型变截面通道在中低等流量变化范围内具有更优的性能,这对推力器性能的进一步优化具有重要意义。     

基于探针诊断的HEMPT推力等效测量方法

无拖曳卫星任务对会切场推力器(HEMPT)性能有更为精细的技术指标要求,针对目前的三丝扭摆测量系统由于技术限制不能快速精确地反应这些指标,从等离子体原理出发,推导了一种通过探针所测的数据计算推力的等效方法,并经过实验测量进行了验证。测量结果表明:该方法可以在一定范围内较为精确地计算推力,并且为微牛级推力测量以及推力分辨率测量提供了一种行之有效的参考方法。     

基于扩张状态观测器的无拖曳系统参数辨识

分析了卫星无拖曳控制系统的在轨参数辨识问题,由于无拖曳系统的不稳定性质,需要设计控制器使其稳定,在此基础上进行闭环辨识.根据自抗扰控制原理,设计了扩张状态观测器以估计系统不同控制回路的扰动和状态,基于状态和扰动估计值设计控制器使系统稳定.提出了基于扩张状态观测器（ESO）的多输入多输出系统闭环参数辨识方法.为提高实际应用中的辨识效果,引入积分型滤波器对观测状态中的噪声进行抑制.将这种方法应用于类似LISA Pathfinder的单轴无拖曳模型,对系统动力学参数进行估计,通过数值仿真实验验证了该辨识方法的有效性和实用性.     

基于PID算法的磁选态铯束管C场的优化

介绍了磁选态铯束管的C场优化方法,通过自研的磁选态铯束管测试系统为铯束管提供必要的测试环境,设计不同的PID控制算法对铯束管的C场进行优化与分析,最终得到了合理的优化参数。通过对多只铯束管进行优化,将铯束管的(0～0)峰与±1峰的频率差控制在了42.820 kHz±20 Hz范围之内,并与已有的铯束管测试平台优化结果进行比对,最优C场电流误差不超过0.02 mA,验证了优化结果的正确性。     

基于PIC方法的离子发动机光学系统粒子模拟

采用单元内粒子(PIC, Particle-In-Cell)方法对离子发动机光学系统进行了等离子体粒子模拟.PIC方法可有效地对等离子体进行粒子模拟,其中电场求解采用SOR(Successive Over Relaxation)方法,离子加速方法采用蛙跳格式.推进剂采用氙,模拟粒子为单核离子.模拟得到了栅极间电势分布、电场强度分布及栅极间氙离子数密度分布.计算结果表明,在所取的光学系统电压参数和几何参数下,粒子束能够顺利通过栅极孔,不会撞击到栅极孔壁上.粒子模拟为今后开展离子发动机光学系统腐蚀机理分析及寿命评估提供了有效的数值方法.      

基于遗传算法的飞行管理系统余度配置优化方法

余度设计是飞行管理系统研制过程中提升其安全性的主要手段之一。针对余度设计受制造预算(经济性)与使用阶段维修保障资源消耗(可靠性)的制约问题,基于飞行管理系统的安全性、基本可靠性及经济性数学模型,利用改进后适用于整数优化的遗传算法,提出了一种以安全性为目标、基本可靠性与经济性为约束的余度配置优化方法,并以实例说明其适用于较为复杂系统的余度配置优化。经过敏感性分析发现,安全性指标最优值随着基本可靠性约束下限的提高而降低,随着经济性约束上限的增加而增加。2种约束条件对优化目标竞争约束,在同一时刻只有1种约束条件起主要约束作用。     

GRACE gravity field modeling with an investigation on correlation between nuisance parameters and gravity field coefficients

The GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) monthly gravity models have been independently produced and published by several research institutions, such as Center for Space Research (CSR), GeoForschungsZentrum (GFZ), Jet Propulsion Laboratory (JPL), Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) and Delft Institute of Earth Observation and Space Systems (DEOS). According to their processing standards, above institutions use the traditional variational approach except that the DEOS exploits the acceleration approach. The background force models employed are rather similar. The produced gravity field models generally agree with one another in the spatial pattern. However, there are some discrepancies in the gravity signal amplitude between solutions produced by different institutions. In particular, 10%–30% signal amplitude differences in some river basins can be observed. In this paper, we implemented a variant of the traditional variational approach and computed two sets of monthly gravity field solutions using the data from January 2005 to December 2006. The input data are K-band range-rates (KBRR) and kinematic orbits of GRACE satellites. The main difference in the production of our two types of models is how to deal with nuisance parameters. This type of parameters is necessary to absorb low-frequency errors in the data, which are mainly the aliasing and instrument errors. One way is to remove the nuisance parameters before estimating the geopotential coefficients, called NPARB approach in the paper. The other way is to estimate the nuisance parameters and geopotential coefficients simultaneously, called NPESS approach. These two types of solutions mainly differ in geopotential coefficients from degree 2 to 5. This can be explained by the fact that the nuisance parameters and the gravity field coefficients are highly correlated, particularly at low degrees. We compare these solutions with the official and published ones by means of spectral analysis. It is found that our solutions are, in general, consistent with others in the spatial pattern. The water storage variations of the Amazon, Chari and Ganges river basins have also been computed. The variations computed with the NPARB approach are closer to those produced by JPL and DEOS solutions, while the variations produced with the NPESS approach are in good agreement with those produced by the CSR and GFZ solutions. A simulation study is implemented with considering realistic noise and low-frequency error. The two approaches are used to recover the true model. The NPESS solution appears closer to the true one. Therefore we are inclined to estimate the nuisance parameters simultaneously with the geopential coefficients.     

基于子目标进化的高维多目标优化算法

多目标优化问题是工程应用中的常见问题,已有的方法在解决3个目标以上的高维优化问题时效果欠佳.如何进行有效的个体选择是求解高维多目标优化问题的关键.针对该问题,提出了求解高维多目标优化问题的子目标进化算法.从理论上证明了多目标优化问题Pareto非支配解的求取,可通过子目标函数值排序,先行选择进化种群中部分非支配解;然后,根据排序信息有选择性地比较进化种群中的元素,减少了比较次数,从而快速获得非支配解集.同时,提出归一化函数差值的Minkowski距离"k近邻"距离计算方法,在进化过程中应用到密度函数中,加速了收敛速度.同当前求解高维多目标优化的算法,在对标准测试函数的计算性能上进行比较,统计结果显示了所提算法在性能上的优势.      

基于神经网络和遗传算法的公差优化设计

针对产品制造中公差与成本之间高度非线性关系的特点,提出了一种综合神经网络与遗传算法进行公差优化的方法,该方法利用遗传算法在大范围解空间内采用概率搜索策略得到全局最优解且有较强鲁棒性的特点,以及神经网络解决高度非线性问题的优越性,首先利用神经网络对公差成本进行仿真,得到具有黑箱特点的公差成本函数关系;然后在公差分配中采用遗传算法,以总成本最小为目标函数,以满足装配公差要求和符合标准公差等级为约束条件进行优化;同时基于VC和Matlab开发了公差优化系统,以飞机舱门锁钩机构为对象进行了验证,并针对不同的公差成本及分配方法进行了对比.结果表明:采用神经网络与遗传算法综合分配的结果与传统方法相比具有较大的优越性.     

MEWMA控制图ARL计算及参数优化

平均运行链长(ARL)是控制图性能评价的一个重要指标,深入研究ARL是控制图参数优化、性能评价和实际应用的重要工作.在采样数据标准化处理的基础上,应用马尔可夫链进一步研究了多元指数移动平均(MEWMA)控制图中ARL计算的数学模型,采用Matlab实现了算法,就算法的收敛性及计算结果进行分析.以ARL为优化指标,给出了MEWMA控制图参数优化的具体步骤、计算实例和参数优化结果.      

基于姿态可操作度的机械臂尺寸优化方法

为解决机械臂尺寸优化设计问题,首先定义了表征灵活性的数值指标——姿态概率系数,即指定工作点上可行样本姿态与所取样本姿态之间的比值;之后根据姿态概率系数提出了姿态可操作度概念,它表征了机械臂在工作空间上的整体可操作性.在此基础上,提出了机械臂尺寸优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以机械臂自身无碰撞为约束条件,以姿态可操作度的倒数为适应度函数,利用遗传算法优化机械臂的尺寸参数,使优化后机械臂的可操作性最优.以六自由度(DOF)机械臂为例的优化结果表明:优化后机械臂姿态可操作度提高了40.33%.最后利用灵活性工作空间图进一步验证了算法的有效性,并讨论了姿态概率系数对优化结果的影响.