临近空间浮空器区域驻留控制策略研究

为了实现临近空间浮空器区域驻留飞行,基于对热环境的分析,建立了带有副气囊高空气球的空气动力学与热力学耦合动力学模型。基于准零风层特殊风场,设计了临近空间浮空器区域驻留飞行控制策略,通过副气囊调节飞行高度,利用准零风层上下纬向风方向相反的特点实现东西方向控制,用螺旋桨控制实现南北方向控制,并利用ECMWF风场数据进行了数值仿真。仿真结果表明,临近空间浮空器可以在纬度41°(N)~43°(N),经度86.5°(E)~87.1°(E)之间的区域范围内飞行7天,证明了利用准零风层风场实现临近空间浮空器区域驻留飞行的可行性。     

中国上空平流层准零风层的特征分析

利用ECMWF提供的ERA-40再分析风场资料首次分析了中国上空平流层准零风层的特点及其随季节和地理位置的变化特征.结果表明,准零风层一般处于18～25 km高度范围内,零风线所在的高度随时间和地理位置的不同稍有变化.根据准零风层随纬度的变化特征,中国上空可以分成三个区域:低纬地区(5°N～20°N)、中低纬过渡区域(20°N～32.5°N)和中高纬地区(32.5°N～55°N).低纬地区一般在冬季和初春有准零风层结构存在;中高纬地区一般在春末和夏季存在准零风层结构;而中低纬过渡区域是否有准零风层结构存在还与准两年震荡(QBO)有关,在QBO东风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于中纬特性,在QBO西风相位时,过渡区域呈现的特性偏向于低纬特性.准零风层随经度变化非常小,零风线所在高度随经度的变化幅度一般不超过2 km,过渡区域的变化幅度相对大些.     

利用自然能的轨迹可控临近空间浮空器初步设计

文章针对现有临近空间浮空器持久区域驻留期间面临的“超热”、“超压”和抗风机动飞行对材料和能源技术的挑战,提出一种充分利用自然界热能和准零风层风场环境的新型临近空间浮空器技术方案。文章分别介绍了新型临近空间浮空器的工作原理、系统组成、功能特点和飞行操控策略;通过浮空器热建模仿真分析和参数总体设计,研究了主气囊热控参数、浮空器白天和夜间“超热”能力,以及浮空器体积规模之间的耦合关系。结果表明,通过主气囊热控参数优化设计,可使浮空器白天“超热”值在100K以上,夜间“超热”值在20K以上,并给出了20~80K“超热”范围内的新型浮空器总体参数设计结果,这些结果满足浮空器高度调节所需浮升能力变化要求。     

临近空间风切变特性及其对飞行器的影响

基于MERRA再分析资料的风场数据,根据数理统计理论,对酒泉（39.1°N,98.5°E）上空临近空间的20~78 km的大气风场进行了风切变特征分析,并分析了临近空间风切变对飞行器的影响。研究表明,临近空间最多风向在1月和10月为西风,7月为东风,4月在50 km以下为西风,以上为东风;99%概率最大风速在1月最大;最大风引起的风切变存在一定的高度范围。根据最大风和最小风给出了综合矢量风。此外发现临近空间风切变对飞行器产生的风攻角显著,对马赫数为3、5和8的飞行器产生风攻角在69 km最大,分别为8.5°、5.1°和3.2°。      

基于氧气A波段临近空间大气温度反演的贝叶斯与最小二乘法对比

基于氧气A波段的临边辐射模拟数据进行临近空间大气温度廓线的反演,分析比较了贝叶斯和最小二乘两种不同反演算法的特点.80km以下,信噪比为66～337时：基于贝叶斯理论反演的三条谱线761.59,762.2,764.05nm的反演误差平均值分别为5.52,3.94,4.73K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为10.57,7.04,8.80K.信噪比为6～34时：基于贝叶斯理论反演的三条谱线的反演误差平均值分别为18.27,12.18,18.27K;采用最小二乘法的反演误差平均值分别为103.18,68.79,85.98K.研究结果表明,基于贝叶斯理论的反演方法,利用先验信息对反演结果进行约束和修正,在有噪声的情况下获得了更合理的解,从而提高了反演精度和抗干扰能力.这为星载探测临近空间大气温度的算法研究和开发提供了参考,也为提高光谱仪器信噪比并进而提高温度反演精度提供了理论基础.     

武汉突发E层的季节变化及其与中层风的关系

通过对2018年武汉站（114.61°E,30.53°N）数字测高仪记录的数据统计分析,研究武汉地区突发E层的特征。研究发现：2018年武汉地区电离层突发E层的临界频率在夏季最高,在冬季有一个次增强现象,在春秋季较低;在正午前最大,在日落后出现小幅度提升,在日出前最低。利用指定动态全球大气气候扩展模型SD-WACCM-X模拟出2018年武汉上空90～140 km高度的平均风场,探讨突发E层与背景风之间的关系,揭示突发E层的形成机制。结果表明,半日潮汐分量可能诱导突发E层临界频率的半日变化,周日潮汐分量诱导突发E层临界频率的周日变化;突发E层的强度可能与纬向风场120 km高度处的风剪切有关。     

冬季西北地区临近空间气象火箭探测数据分析

在获取冬季西北地区一次临近空间气象火箭探测数据后,将火箭探测温度、密度与MSIS00模式和TIMED/SABER卫星数据进行对比,并将火箭探测风场与HWM07模式和MERRA再分析资料进行对比,分析火箭探测温度误差组成,计算各项温度修正量。结果表明：火箭、卫星、MSIS00模式获取的温度和密度随高度整体变化趋势一致;相对于MSIS00模式,火箭和卫星实测数据能够反映出更多的变化细节,且二者在细节上具有较多一致性。火箭实测风场与MERRA的一致性较好,而与HWM07模式差异较大,在平流层中部火箭探测风场明显强于HWM07模式。相对于HWM07模式和MERRA,火箭探测风场能够体现更多细节,在22 km和45 km附近均探测到较强的风切变。在火箭探测温度的各项修正量中,气动加热、温度滞后、支撑结构热传导及测量电流焦耳效应带来的影响较大,该影响整体上随着高度降低而逐渐减小。分析表明,本次气象火箭获取的探测数据是有效可靠的,但在数据处理方法尤其是温度误差修正等方面还需不断迭代完善。     

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在 0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果. 结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.     

临近空间太阳紫外辐射环境模拟与地区差异

太阳紫外辐射是临近空间能量输入的主要来源之一,对其在中层大气的辐射特性进行研究,是研究临近空间大气成分与密度变化、光化学反应以及动力学过程的重要基础。依托“鸿鹄”临近空间探测专项计划,利用MODTRAN5辐射传输模型及卫星实测数据,模拟并对比中国11个主要地形区上空临近空间（20~50 km）紫外辐射（200~400 nm）垂直分布和季节演变的异同,计算了臭氧含量、太阳天顶角和日地距离等关键因素对辐射强度的影响。结果表明,各地形区的辐射流量垂直分布廓线和年较差垂直分布廓线较为一致,在地理位置上毗邻的地区辐射特性及季节演变较为接近,但在太阳紫外的不同波段之间区别较大。研究成果为临近空间探测实验提供了数据支撑,为大气反演等相关领域提供参考。     

艇载声波测量临近空间风场可行性分析

提出一种临近空间艇载原位测量大气风场的新方法,该方法利用声波传播时延差测量临近空间大气风场.介绍了该方法的原理,分析了测风误差来源和测风精度.通过分析声波在临近空间高度的衰减,对信号载波频率和传播距离进行了选择,并对不同信噪比条件下声波时延估计精度进行了仿真分析.结果表明：在临近空间20~50km高度,传播距离为2~5m,距离测量精度为1mm,平台测速精度为0.1m·s^-1,信噪比优于-2dB条件下,时延估计精度优于1μs,利用该方法测风精度能达到0.2m·s^-1的较高水平.     

2010年海口上空突发钠层事件观测

使用钠荧光激光雷达观测2010年低纬度地区海口(20.0°N, 110.3°E)上空突发钠层事件. 2010年总计观测时间为458h, 观测到突发钠层事件38次, 即每观测12h有1次突发钠层事件发生. 结合武汉上空突发钠层数据, 对比巴西低纬度地区数据, 揭示低纬度地区突发钠层频发现象. 观测到2010年12月30日突发钠层峰值时刻钠层密度廓线具有很好的空间对称性. 分析了距海口激光雷达西南约160km中国海南澹州(19.5°N, 109.1°E)的测高仪数据, 检测了13对突发钠层和电离层偶发事件, 结果表明突发钠层与Es有很强的相关性. 通过 分析低纬度地区上空突发钠层峰值径迹平均速度发现, 大多数突发钠层峰值向 下运动.     

基于激光雷达实测和动力学仿真方法研究中间层顶垂直风扰动特性

利用中国廊坊台站钠荧光多普勒激光雷达82h垂直风和水平风观测数据,统计得到中间层顶区域中存在10m·^-1量级的垂直风扰动和纬向风扰动,其中垂直风扰动远远超过平均风速为-0.015m·^-1的背景垂直风速.根据三维准单色重力波的极化关系和色散关系,对高中低三种频率重力波产生的垂直风扰动进行仿真,结果显示在满足短周期、大纬向风扰动条件下,高频重力波能够产生最大10m·^-1量级的垂直风扰动,中频重力波能够产生10m·^-1以内的垂直风扰动,低频重力波能产生1m·^-1以内的垂直风扰动.理论条件下准单色重力波能够产生10m·^-1量级的垂直风扰动,钠激光雷达观测到的最大10m·^-1量级的垂直风扰动真实存在.研究结果可对高层大气垂直风场探测、垂直风场模拟和重力波参数化提供依据.

     

空间核能源应用的安全性设计、分析和评价

针对核动力航天器应用中的安全性问题,调研了国际上涉及空间核安全的规章制度,并结合美国和俄罗斯在空间核安全设计、分析、评价等方面的成功经验和做法,提炼出了在空间核安全设计、管理等方面的有关要点,可以用于指导国内空间核动力航天器的研发和应用。     

深远空连续推进动力与施图林格解的解析

针对太阳系远深距离的探测将是人类下一阶段深空探测活动的主要目标。这一目标的实现依赖于探测器连续推进动力技术的突破。从描述连续常值推力下太空飞行的施图林格解出发,对其中反映的深远空飞行任务有效载荷比、任务时间、飞行距离等关键参数与发动机性能之间的关系进行了深入分析。给出了在特定任务时长、特定飞行距离要求下发动机比冲、功率需要满足的条件及其对有效载荷比、最终飞行速度等指标的影响。此外,基于二体轨道动力学对太阳系行星探测的大椭圆转移轨道和转移能量进行了推导,并对连续推力的太阳帆任务方案涉及的关键技术指标做了理论性的计算。这些结论是对深空探测连续推力方案基础理论的归纳,可以为我国未来开展深远空探测活动提供重要的启发和指导。