航天器介质深层充电模拟研究

针对航天器介质深层充电问题,提出了一种基于蒙特卡罗模拟和充电动力学RIC模型的介质电荷分布及电场预估新方法,利用地面试验验证了其正确性.航天器介质平板充电过程被简化为屏蔽铝板与分层介质组成的Geant 4模型,通过统计方法计算出了实际入射束流下Teflon介质内的注入电流密度和剂量率分布曲线,利用RIC模型获得了背面接地时介质中的电荷密度和电场分布,利用脉冲电声法(PEA)对不同束流密度辐照下的Teflon内部空间电荷密度进行了测量.数值模拟和地面试验结果表明,Teflon在100 keV能量电子辐照下,电荷密度和电场随着束流密度的增加而不断增大,其电荷密度峰值位置约为0.042 mm,且背面接地时接地侧电场最大.由于Geant 4粒子输运模拟和RIC模型具有通用性,因此该方法适用于各种航天器介质材料.      

由磁层整体电场模型得到的场向电流分布

本文概述了用GEOS-2号卫星等实测资料所修正的Volland大尺度对流电场模型, 并用该模型来计算场向电流.文中给出了由势函数计算场向电流的表达式, 并对弱磁活动下的电流分布进行了计算.结果与Iijima和Potemra的观测较吻合.这说明修正后的Volland电场模型是合理的, 从而进一步肯定了由GEOS-2号的观测结果所导出的若干磁层动力学特性的可靠性.      

用STARE-TRIAD联合观测对磁层-电离层不完全耦合的实例研究

本文用STARE-TRIAD联合观测的一个实例研究磁层-电离层不完全耦合现象.实例中观测的电场、场向电流和推出的Pederson电导率在Harang不连续区的分布与用Kan-Lee磁层-电离层不完全耦合理论的预测值符合得很好.这支持了该理论所说的在电等位U-位形低纬侧有S-位形存在以及与之相应的电离层电导率的第二增强区和电场凹陷区等现象.STARE的其他观测事实说明这些现象具有一定的普遍意义.      

磁扰日向阳面对流电场转向区位置的晨昏不对称性(STARE、TRIAD、AE-C观测综合分析)

本文通过STARE观测的晨不连续性及其与TRIAD观测的场向电流分界区、AE-C卫星观测的电场转向区位置的比较,提出了在高扰日向阳面对流电场转向区位置存在着晨不对称性——晨半面所处纬度低于昏半面.该现象间接说明向阳面磁层边界层也存在某种不对称性.并在观测基础上对可造成该不对称性的物理因子进行了探讨,认为行星际磁场螺线结构对重连区位置的影响及其产生的激波结构的晨昏不对称性很可能与本文中讨论的现象有一定联系.      

用场向电流的观测结果研究高纬电离层电场

本文从Triad卫星观测到的场向电流日变化的统计结果出发, 利用场向电流日变化的付里叶级数展开和简单模式法分别求出电导率均匀时和极光带电导率增强时高纬电离层电位的分析解.结果表明, 电场集中在极光区是由2区场向电流引起的.在本文所用的场向电流分布形式下, 加上Pederson电导率的升高。极光区Hall电导率的增大反而有助于电场向中纬穿透.|AL|≥100γ时, 场向电流分布对对流圈位置西向旋转起一定作用, 但极光带Hall电导率的变化是造成大角度旋转的主要原因.Perdson电导率的增大, 对旋转角无影响.结果还表明, 在不考虑电导率日夜不均匀时, 由于场向电流复杂的日变化, 也可出现对流圈的晨昏不对称性.以上的电场分布形态, 与观测的电场形态基本相符。      

基于有限元方法的场磨式电场传感器标定装置优化设计

场磨式电场传感器常被用来测量特高压直流(HVDC)输电线路下地面合成电场强度.传统对其标定的方法存在标定装置体积较大、户外标定移动不方便的缺点.针对此问题研究了一种应用于特高压直流输电线路下地面合成电场测量的电场传感器便携式缩尺标定装置.基于有限元方法建立了传感器的三维电场模型,基于该模型对便携式标定装置的尺寸、结构等关键参数做出了模拟分析,在此基础上进行了便携式标定装置的结构参数的优化设计.将便携式缩尺标定装置与标准的标定装置进行了实验比较.仿真及实验结果表明该标定装置能够方便、准确地对场磨式电场传感器进行标定.      

Volland对流电场模型的实验参数

本文将几个地面和卫星观测结果结合起来给出Volland对流电场模型的实验参数.结果能很好地与GEOS-2卫星所测得的等离子体层顶运动特征、STARE雷达测得的Harang不连续性的运动及近年来探测的磁层电离层电场相吻合.文章指出只要Volland电场模型的参数由实验确定后, 将更有助于磁层和电离层物理的研究.      

电场的标定方法

介绍了球载双球式电场仪、微火箭电场仪和地面旋转式电场仪等3种仪器的标定方法.电场涉及空间物理、空间环境和雷电及地震等多种自然现象的特征参数,对电场的探测或监测应用日益广泛.在我国目前尚未建立电场的国家标准和军用标准的情况下,通过研制的较简易的电场标定系统,对不同结构的电场仪进行标定,均获得了与理论计算相符的结果,为电场测量数据的可信度提供了依据.      

1993年9月12—14日磁暴期间磁层—电离层耦合分析

采用具有明确物理意义的多个地磁指数，以及地面台站链观测的地磁和电离层参数，对一次典型磁暴期内从极光区到赤道附近电离层电流、电场演化发展的耦合过程作了具体分析．结果表明，地磁指数和观测参数能较好地说明磁层－电离层耦合理论结果的主要特征．     

多导弹协同攻击编队非线性最优控制器设计

针对多导弹协同攻击编队控制问题,采用仿射非线性系统最优控制理论设计了基于领弹-从弹法的多导弹编队控制器.首先采用基于微分几何理论的非线性系统精确线性化方法,将导弹非线性运动模型线性化;然后根据从弹、领弹间的相对运动关系,给出了包含领弹运动信息和队形信息的从弹期望轨迹,建立了基于从弹跟踪误差向量的系统状态方程;最后采用基于稳态解的黎卡提矩阵微分方程求解方法解决最优控制问题,设计了从弹的三维非线性编队控制器;仿真结果表明所设计的控制器能够在领弹机动地情况下快速、稳定地实现编队队形的形成和保持.      

闪电路径与分形

介绍了利用分形学研究雷电所取得的进展．提出了将分形学与雷电特征参数相结合的动态描述雷电的设想．     

阶梯式单向矩形板的振动

研究非单一材质的n级阶梯式单向矩形板的振动.用奇异函数建立板自由振动和强迫振动的微分方程并用初参数法求得其通解.阶梯梁静力和动力问题的传统解法是分离变量后分阶梯写出常微分方程并分别求解,不胜其烦.运用W算子,只用一个式子便将方程的解表述出来,并给出主振型函数的表达式及常见支承条件下板的频率方程.用广义函数给出板在不同形式载荷作用下的强迫响应.文中所给影响函数,是解决正文所述类型常微分方程的有力工具,亦可用于求解阶梯梁或阶梯式单向矩形板的静力弯曲与稳定性问题.     

Consequences of the application of the streamer fluid model to the study of the sprite inception mechanism

We present the results of a streamer-fluid model used to investigate the electrodynamical coupling between the troposphere and upper atmosphere due to the penetration of lightning electric fields into the mesosphere and the lower ionosphere, generating sprites. The model solves the continuity equation for electrons and ions coupled to Poisson equation. The dominant physical response of the atmosphere is the formation of a screening-ionization wave. The wave shields the atmosphere above it from the action of the lightning field and, together with the conductivity reduction below it due to attachment, the wave amplifies the total field below it, allowing for the penetration of intense electric fields in the mesosphere as it propagates downwards into regions of higher density that compress the wave. This is the key physical mechanism for sprite inception. We evaluated the effects of the thundercloud charge geometry, lightning current waveshape, atmospheric conductivity, via different electron density profiles, and the effect of ionization, attachment and electron mobility coefficients in the electrical breakdown process, related to halo production, and sprite streamer initiation. The results showed that electrons with higher mobility are more efficient in shielding the lightning electric field before breakdown, causing delay, and they contribute to the formation of the streamer seed after breakdown, anticipating the sprite streamer inception. Similarly, a higher effective ionization rate, produced by modifications in the attachment and ionization coefficients, anticipates sprite inception. The simulations with 6 different electron density profiles, and therefore conductivities, spanning 4 orders of magnitude, showed that the altitude of breakdown and sprite initiation, as well as their time delays from the lightning discharge are directly related to atmospheric conductivity: higher conductivities produce halo and sprite inception at lower altitudes with longer delays and may hinder sprite formation. We document that variations of 30 times in the lightning current leads to sprite initiation altitudes in the range 66.0–73.5 km, with delays between 1.550 and 34.500 ms, while variations of 4 orders of magnitude in the conductivity profile lead to initiation altitudes 61.0–70.6 km, with delays in the range 3.825–9.825 ms. Consequently, we suggest that lightning characteristics dominate over atmospheric parameters in determining sprites’ initiation altitude and delay. The simulation of a −CG, with a constant current of 30 kA, did not produce a sprite seed, confirming an asymmetry in the response of the atmosphere to positive and negative lightning. This is due to the free electron drift direction that is away from the screening ionization wave, preventing the formation of the streamer seed for the great majority of −CGs. The same does not apply to halos, which depend on the occurrence of breakdown and can be produced by discharges of both polarities.     

多块网格计算跨音压气机带叶尖间隙流场

开发了三维数值模拟程序研究轴流跨音转子叶尖间隙流动,应用高雷诺数k-ε湍流模型加壁面函数的方法,计算了轴流跨音转子NASA Rotor37在设计转速下的流场.叶尖间隙采用分区的H型网格和主流区连续对接耦合计算,没有用间隙模型,也没有考虑Vena收缩效应而减小间隙量.在用有限体积法对Navier-Stokes方程和湍流方程进行空间离散的过程中采用了交错网格的方法将N-S方程与湍流方程紧密地耦合在一起,从而提高了计算精度.计算结果和实验数据进行了详细的比较和分析.结果表明,中部叶展具有与实验结果非常一致的流场特征,根、尖区流场则因涡粘假设和激波问题的存在而使流动细节与实验结果略有偏差.     

一种腿臂融合四足机器人设计与分析

设计了一种腿臂融合的四足机器人,其具有腿臂功能复用的分支,不仅可以实现行走,还可以进行操作。对该机器人的行走模式和操作模式进行了研究,首先,建立了机器人单腿运动学模型,推导出机身整体的逆运动学;其次,对腿臂功能复用分支的5自由度操作臂模型进行了运动学分析,提出了欠自由度操作臂保证末端位置和末端姿态2种情况下的逆运动学最优求解方法,并分别给出了位置或姿态偏差;然后,建立了支撑面、支撑腿、本体、操作臂所组成的串并混联机构的运动学模型,利用本体位移补偿操作臂末端位置偏差,从而实现操作臂末端精确操作;最后,对机器人本体、操作臂以及串并混联机构的工作空间进行了仿真,并利用实验验证了该机器人腿行走和臂操作的功能。     

基于步进频连续波的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统

为了克服压控振荡器（VCO）输出线性调频（LFM）信号频率线性度较差的缺点,本文提出了基于直接数字合成（DDS）技术产生步进频连续波信号的近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统,该系统具有距离分辨率高、频率精度高以及波形产生和波形控制较为简单的优点。首先,本文通过步进频连续波信号的探测原理分析了该信号的一维距离像、距离分辨率以及距离模糊的特点;然后,通过波动方程推导出近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统的重构算法;最后,在微波暗室搭建了半实物仿真成像系统,验证了步进频连续波信号在近距离主动毫米波圆柱扫描成像系统中应用的可行性和有效性。     

Shumann resonances and electromagnetic transparence in the atmosphere of Titan

Among the multiple questions that the CASSINI/HUYGENS mission tries to answer is the likelihood of electric discharges in Titan's atmosphere. The instruments “Huygens Atmospheric Structure Instrument” and “Radio and Plasma Wave Science” will probe the electromagnetic emissions during the Huygens descent and Cassini flybys, respectively. Although no lightning was observed during Voyager's encounters with Titan in 1980 and 1981, this does not exclude the existence of lightning phenomena. Recent investigations show that lightning discharges could occur in the lower atmosphere, such as the detection of methane condensation clouds in the troposphere and the theoretical prediction of an electric field that would be sufficient enough to cause lightning. We present a numerical model of Titan's atmosphere with the aim of calculating the resonance frequencies and the atmospheric transparency to electromagnetic waves. The detection and measurement of these resonances, Schumann frequencies, by the Huygens probe, would show the existence of electric activity connected with lightning discharges in the atmosphere. As it happens with the Schumann frequencies of Earth, losses associated with the electric conductivity will make these frequencies to be lower than the theoretically predicted, the fundamental one being located between 11 and 15 Hz. An analytical study shows that the strong losses associated with the high conductivity make it impossible that an electromagnetic wave generated near the surface with a frequency of 10 MHz or lower reaches the outer part of Titan's atmosphere. Therefore the detection of electromagnetic waves coming from Titan's lower atmosphere by the RPWS instrument is very unlikely.