高精度石英半球裸振子微应力制造

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件,其质量直接决定了陀螺的性能精度,以高纯石英材料制成的半球谐振子已得到业界的广泛认可,但加工难度较高。半球裸振子是半球谐振子的未完全加工态,其加工表面残余应力的大小决定了谐振Q值、频差Δf等参数,进而影响谐振性能。文章就石英半球裸振子的微应力制造技术方法和技术特点进行了分析和讨论,以及采用飞秒激光加工设备实现石英半球裸振子微应力制造,飞秒激光加工具有速度快、热变形小、非接触、微应力等优势,用于半球谐振子加工能够明显改善加工效率、成本和表面应力状态,采用飞秒激光加工为高精度石英半球裸振子的加工提供新实现途径。     

基于电子束蒸发沉积的曲面纳米薄膜均匀性研究

半球谐振子金属化是半球谐振陀螺研制过程中的重要环节，针对半球表面薄膜制备均匀性难以实现的问题，提出了一种将薄膜沉积实验和光学模拟相结合的方法。本文采用电子束蒸发技术在半球上沉积Au薄膜，利用台阶仪测量球面上不同位点的薄膜厚度，将平面上的膜厚等效为半球曲面上的膜厚，研究球面薄膜的均匀性，得出了在半球内外表面上薄膜的膜厚分布；同时对薄膜沉积均匀性进行光学模拟，将半球探测器上辐照度等效为实验中沉积所得到的薄膜厚度，计算得出的半球探测器上辐照度分布与实验测量结果一致性较好，可为半球谐振子纳米薄膜的均匀性制备提供理论基础。     

石英半球谐振子力流变抛光

为提升石英半球谐振子抛光加工的效率及表面质量,对其内外表面进行了力流变抛光实验。利用力流变抛光液的剪切增稠特性,使流变流体柔性把持游离磨粒与工件表面相对运动实现材料去除,通过控制抛光液流场及界面剪切应力实现半球谐振子内外表面柔性、高效抛光。实验过程石英半球谐振子外表面采用浸入式抛光方法,抛光30 min表面粗糙度Ra从135.5 nm降至6.6 nm,内表面采用切入式抛光方法,抛光15 h表面粗糙度Ra从128.2 nm降至9 nm。实验结果证明了力流变抛光方法在石英半球谐振子抛光领域的应用潜力。     

半球谐振子疲劳寿命分析与仿真

半球谐振子的寿命和损伤是直接影响高精度半球谐振陀螺使用时长和安全性的重要因素。目前国内加工的半球谐振子所用的熔融石英玻璃材料主要依靠进口,采用传统的疲劳寿命实验确定方法成本过于昂贵,因此需要利用疲劳分析软件对半球谐振子的疲劳寿命进行分析。文章通过半球谐振陀螺应力分析,采用ANSYS软件对熔融石英半球谐振子进行应力分析仿真,确定因残余应力所引起的疲劳危险部位,并在疲劳部位进行裂纹扩展分析,得到 、 和 型应力强度因子,以使在半球谐振子结构设计和使用过程中对易疲劳的部位进行有效监控和预防。     

基于PXI平台的半球谐振子相位幅度控制

半球谐振子作为半球谐振陀螺的核心部件之一,其振动参数的测试对自身结构设计与加工过程的参数优化具有至关重要的作用。作为测试系统的重要组成部分,本文设计并实现了基于PXI平台应用LabVIEW编程的半球谐振子相位幅度控制系统,针对测试中存在的谐振频率的漂移和振幅衰减等问题给出了解决方案。实物测试结果表明：该测试系统能有效地实现半球谐振子的相位跟踪及能量控制,可解决开环测试方案下谐振子的频率漂移问题以及初始振幅不一致对谐振子振动性能参数测试的影响,具有快速性好、控制精度高、功能扩展便捷等优点,极大提高了半球谐振子批量化生产与测试效率。     

半球谐振子薄壁厚度不均匀性对陀螺精度的影响

针对半球谐振陀螺仪的工艺制造偏差,研究半球谐振子薄壁厚度不均匀对陀螺精度的影响,建立误差模型,分析误差机理．首先对谐振子进行应变分析,然后分析薄壳微元的受力情况,根据力和力矩平衡方程建立半球谐振子动力学方程,得出由于厚度不均匀造成的半球谐振陀螺仪角速率误差．研究结果表明其傅立叶展开式的1～3次谐波项对角速率误差无影响,而4次谐波有影响．为提高陀螺精度,对陀螺厚度不均匀加以平衡．     

半球谐振陀螺振子耦合振动的近似解析分析

半球壳是新型半球谐振陀螺的敏感部件。有效地隔离谐振子有害的耦合振动对于保证陀螺性能的可靠、稳定具有十分重要的工程价值。本文在研究半球壳谐振子支承杆结构振动的基础上，采用瑞利－里兹法，对结构特性最佳的Ψ型谐振子最低阶耦合振动进行了分析，给出了谐振子有关参数设计的近似解析工程用方程，对于研制半球谐振陀螺有实际应用价值。     

石英玻璃的机械振动能量损耗特性

为研究石英玻璃的机械振动能量损耗特性，以石英半球谐振子为实验对象，考察了铣磨、抛光、刻蚀和退火对石英玻璃机械振动能量损耗大小的影响，并分析其作用机理。研究结果表明：对于机械加工成型的石英玻璃，表面损耗占主导作用，亚表面损伤是造成表面损耗的主要原因；退火可以消除机械应力，降低石英玻璃的“假想温度”，改善石英玻璃的结构稳定性，减小本征损耗。     

半球谐振陀螺的结构参数对工作模态以及进动系数的影响

为实现高性能的半球谐振子结构设计,文章针对半球谐振陀螺的结构参数对其工作模态频率、模态频率位阶以及进动系数的影响做了相关研究。在对陀螺进动系数计算理论研究基础上,对半球谐振陀螺的进动因子进行了有限元仿真计算;接着对具有不同结构参数的半球谐振子进行了模态仿真分析,发现在半球谐振子设计过程中,当球壳厚度和支撑柱半径之比小于1/3时,能够将陀螺的工作模态设置于最容易激发的第1和第2阶模态,大大提高了陀螺敏感特性。同时,能够极大拉开工作模态与干扰模态之间的频差,仿真结果最大拉开了2760.8Hz。最后,仿真结果表明半球谐振陀螺的进动系数受到结构变化而产生的波动非常小,进动系数的波动维持在0.27~0.28范围内。     

基于单目偏折术的半球谐振子面域振型测量

针对半球谐振子振型的高精度面域测量难题,提出了一种基于单目偏折测量术的测量方法。将半球谐振子振型测量转换为法向摆动角度测量,并基于逆向光线追迹对振型测量系统进行设计。在图像中提取振动拉长模糊斑的基础上,基于图像解卷积计算斑点摆动轨迹,并将其转换为法向分别在经纬方向上的摆动角度,进而拟合得到半球谐振子振型的相关参数。实验结果表明,该方法可实现半球谐振子振型的高精度拟合,对振幅和法向摆角的测量分辨率分别可达10nm与10μrad。与传统振动测量方法相比,该方法结构简单灵活、抗干扰能力强,具有广阔的应用前景。     

高垂直度和低沉积的MEMS陀螺梳齿结构释放工艺

梳齿型微机电系统（MEMS）陀螺的释放要求结构具有垂直度高、释放过程沉积聚合物少的特点,通过优化深硅刻蚀的工艺参数,包括钝化气体八氟环丁烷（C4F8）的流量、衬底温度、刻蚀气体六氟化硫（SF6）的流量和钝化气体C4F8的压力,实现了结构垂直度为90.0°、支撑层表面沉积物厚度为87.1nm的梳齿结构释放工艺。深硅刻蚀工艺的优化为高性能MEMS陀螺的加工提供了基础。     

面向深空探测的30cm离子推力器寿命预估

为评价30cm离子推力器的寿命,提出了有限寿命考核结合栅极仿真模型的推力器寿命预估方法,利用粒子-蒙特卡洛（PIC-MCC）方法建立了栅孔溅射腐蚀模型,开展了30cm离子推力器寿命预估研究,分析了栅孔刻蚀速率、单孔电场及离子引出特性,给出了30cm推力器寿命预估值。结果表明,栅孔直径仿真与实测值一致性较好,误差在20%以内,基于每个寿命小节栅孔实测值对模型的修正是有效的;根据仿真结果,10000h寿命考核后,减速栅最先失效,30cm离子推力器在最大功率（3kW）工况下预估寿命为37540h,能够满足小天体探测任务对电推进系统的长寿命需求。     

Radiation issues for piloted Mars mission.

Man is now entering an era of colonizing the moon and exploration of Mars. The crewmembers of a piloted mission to Mars will be exposed to inner belt trapped protons, the outer trapped electrons, and the galactic cosmic radiation. In addition there is always the added risk of acute exposure to a solar particle event. Current radiation risk is estimated using the idea of absorbed dose and ICRP-26, LET-dependent quality factors. In a spacecraft with aluminum walls (2 g cm-2) at solar minimum the calculated dose equivalent is 0.73 Sv for a 406-day mission. Based on the current thinking this leads to an excess cancer mortality in a 35 year male of about 1%. About 75% of the dose equivalent is contributed by HZE particles and target fragments with average quality factors of 10.3 and 20, respectively. The entire concept of absorbed dose, quality factor, and dose equivalent as applied to such missions needs to be reexamined, in light of the fact that less than 50% of the nuclei in the body of the astronaut would have been traversed by a single GCR nuclei in the 406-day mission. Clearly, more biologically relevant information about the effects of heavy ions and target fragments is needed and fluence based risk estimation strategy developed for such long term stays in space.     

高能激光光束质量的测量

高能激光广泛应用于科研、工业和军事等领域,其光束质量的精确计量对激光器性能的评价及化学和固体激光武器系统的作战效能的评估至关重要。提出一种高能强激光光束质量测量装置,能实时观察光束强度分布变化,通过数据处理系统可获得光束直径、束散角、光束指向稳定性及M2因子等光束质量参数,最后分析和讨论了各测量参数的测量不确定度。     

Cosmic ray hits in the central nervous system at solar maximum.

It has been suggested that a manned mission to Mars be launched at solar maximum rather than at solar minimum to minimize the radiation exposure to galactic cosmic rays. It is true that the number of hits from highly ionizing particles to critical regions in the brain will be less at solar maximum, and it is of interest to estimate how much less. We present here calculations for several sites within the brain from iron ions (z = 26) and from particles with charge, z, greater than or equal to 15. The same shielding configurations and sites in the brain used in an earlier paper for solar minimum are employed so that direct comparison of results between the two solar activity conditions can be made. A simple pressure-vessel wall and an equipment room onboard a spacecraft are chosen as shielding examples. In the equipment room, typical results for the thalamus are that the probability of any particles with 7 greater than or equal to 15 and from 2.3 percent to 1.3 percent for iron ions. The extra shielding provided in the equipment room makes little difference in these numbers. We conclude that this decrease in hit frequency (less than a factor of two) does not provide a compelling reason to avoid solar minimum for a manned mission to Mars. This conclusion could be revised, however, if a very small number of hits is found to cause critical malfunction within the brain.     

预浸料贮存时间对MT700/603复合材料力学性能的影响

以碳纤维增强环氧树脂热熔预浸料MT700/603为研究对象,开展室温贮存时间与预固化度的关联性分析,研究预浸料预固化度对复合材料成型质量和关键力学性能的影响机制,建立预浸料贮存时间-预固化度-制品性能三者之间的内在联系。结果表明:随着室温贮存时间的延长,60 d后603环氧树脂的最低黏度增加了4.6倍,玻璃化转变温度增加了17.9 ℃,预固化度为11.2%;MT700/603预浸料贮存时间小于30 d时,制备的复合材料内部质量良好,纤维分布较为均匀,孔隙率较低,树脂的预固化度在5.3%以内,孔隙率低于0.03%;复合材料更倾向依赖于树脂基体破坏的纵向压缩强度和压缩模量对孔隙率的敏感度,要高于倾向依赖于纤维增强体破坏的纵向拉伸强度和拉伸模量;预浸料在室温贮存时树脂预固化度增加,黏度增大,加压时机与树脂黏度变化不匹配是导致复合材料构件关键力学性能下降的根本原因;根据产品的力学性能指标要求,结合不同贮存时间的关键力学性能数据,可反推出预浸料的最长室温贮存时间,实现了预浸料可用性的定量化评估。      

Development of a GNSS water vapour tomography system using algebraic reconstruction techniques

A GNSS water vapour tomography system developed to reconstruct spatially resolved humidity fields in the troposphere is described. The tomography system was designed to process the slant path delays of about 270 German GNSS stations in near real-time with a temporal resolution of 30 min, a horizontal resolution of 40 km and a vertical resolution of 500 m or better. After a short introduction to the GPS slant delay processing the framework of the GNSS tomography is described in detail. Different implementations of the iterative algebraic reconstruction techniques (ART) used to invert the linear inverse problem are discussed. It was found that the multiplicative techniques (MART) provide the best results with least processing time, i.e., a tomographic reconstruction of about 26,000 slant delays on a 8280 cell grid can be obtained in less than 10 min. Different iterative reconstruction techniques are compared with respect to their convergence behaviour and some numerical parameters. The inversion can be considerably stabilized by using additional non-GNSS observations and implementing various constraints. Different strategies for initialising the tomography and utilizing extra information are discussed. At last an example of a reconstructed field of the wet refractivity is presented and compared to the corresponding distribution of the integrated water vapour, an analysis of a numerical weather model (COSMO-DE) and some radiosonde profiles.     

阻尼网特性数值模拟

依靠经验公式和工程估算等传统方法,无法对阻尼网性能进行精确评估.为确定阻尼网压力损失系数和降湍性能,采用计算流体力学方法,结合适当的边界条件,对阻尼网进行了模拟.使用数值模拟能够得到不同开孔率阻尼网在不同雷诺数、不同入射方向、不同目数的损失系数,与试验结果更为接近,在30°~45°大角度入射时得到的损失系数更为精确;在入射气流与阻尼网平面呈一定夹角时,阻尼网后的气流压力和速度呈现脉动趋势,传播距离大约为100d;在雷诺数小于40时流动保持层流状态,扰动传播距离为50d,此时降湍效果最好,随雷诺数增加,扰动传播距离增加至400d;在流动未失稳时,开孔率越低,降湍效果越明显,开孔率低于0.5时流动容易失稳;开孔率保持不变,随目数增加阻尼网损失系数增加明显,降湍能力提升.因此可以根据数值模拟结果选择阻尼网的最优参数.     

红外动态目标模拟器光学系统的设计

设计了一种用于红外导引头性能测试的红外动态目标模拟器,利用数字微镜阵列(DMD)对黑体红外辐射进行反射调制,并由光学准直系统实现红外场景生成系统与红外导引头的光学耦合。用光学设计软件（ZEMAX）对准直光学系统进行了设计和优化,准直光学系统成像质量良好,接近衍射极限,点列图直径小于艾里斑直径,畸变小于0.1%。结果表明该系统环境适应性强,能很好地用于红外导引头动态图像的校准。     

第23太阳活动周热层大气密度对太阳辐射指数F10.7响应的模拟研究

利用NCAR-TIEGCM计算了第23太阳活动周期间（1996—2008年）400km高度上的大气密度,并统计分析大气密度对太阳辐射指数FF_10.7的响应.结果表明,在第23太阳活动周内,大气密度的变化趋势与太阳辐射指数FF_10.7的变化趋势基本一致,但是大气密度在不同年份、不同月份对太阳辐射指数FF_10.7的响应存在差异.第23太阳活动周内太阳辐射极大值和极小值之比大于4,而大气密度的极大值与极小值之比则大于10.太阳辐射低年的年内大气密度变化不到2倍,而太阳辐射高年的年内大气密度变化可达2倍甚至3倍.大气密度与FF_10.7指数在北半球高纬的相关系数比南半球高纬的相关系数大.在低纬地区,太阳辐射高年大气密度与FF_10.7指数的相关系数比低年的大.不同纬度上,大气密度与太阳辐射指数FF_10.7的27天变化值之间的相关系数都大于其与81天变化值之间的相关系数.