地球边缘大气密度时空特性分析

分析了地球边缘大气密度的时变特性及空间分布特性。从物理原因出发并基于NRLMSISE-00和MET-99大气模型计算随不同时空变量变化的相对大气密度,以说明各时空因素对地球边缘大气密度的影响程度。分析结果表明地球边缘大气密度具有较强的时变特性,昼夜和季节均对大气密度产生一定影响。空间特性表现为纬度对大气密度的影响明显,而经度影响微弱。季节不同导致纬度的影响程度不同,纬度因素在夏季和冬季的影响强于春秋。随着纬度的增加,季节对地球边缘大气密度的影响逐渐增强,而当地时间的影响呈减弱趋势。相比较而言,低纬区的昼夜波动强于季节波动,高纬区的季节波动强于昼夜波动。     

地球低纬区边缘大气密度的预测

基于NRLMSISE-00大气模型讨论日地空间环境对地球低纬度地区边缘大气密度的影响,提出预测地球低纬地区边缘大气日平均密度的简化模型法和经验法。简化模型法利用地磁活动和太阳活动的11年准周期特性,通过预测地磁活动和太阳活动的变化规律以预测地球边缘大气密度。经验法则直接利用第23个太阳活动周期的日平均密度变化曲线经过傅里叶变换处理得到日平均密度变化规律曲线,然后将曲线拟合得到不同高度下的密度昼夜波动规律,再利用预测得到的日平均密度即可计算出具体当地时间对应的密度情况。误差分析说明经验预测法比简化模型法精度更高。两种方法均具有较高的精度并且使用方便,可用于地球边缘大气密度的工程化预测计算。     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄,但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型,并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明:降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大,同时,随着大气密度的减小,降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

大气密度对运载火箭飞行的qαmax精度影响及建模分析

基于运载火箭是在真实大气密度中飞行,本文以2017年8月1日-2019年7月31日高垂直分辨率探空资料为例,分析参考大气密度与真实大气密度、以及对应的qαmax之间差异特征,最后建立订正模型,研究结果表明:1)密度偏差、相对偏差随高度变化特征与季节有关,有较明显的年内变化特征;2)qαmax偏差随时间呈现"M"字型变化...     

大气密度对降落伞充气性能的影响

尽管火星表面大气非常稀薄，但降落伞仍是火星探测着陆系统中一种重要的减速装置。文章建立了一个降落伞的充气动力学模型，并根据此模型研究了大气密度对降落伞充气性能的影响。结果表明：降落伞的充气时间和充气距离是随大气密度的减小而增大，同时，随着大气密度的减小，降落伞开始张开的速度变得非常缓慢。     

大气空间和季节性气候特征对RLV升力式再入飞行的影响

为提升重复使用运载器（RLV）竞争力精细化设计边界,在融合3颗卫星载荷采集的大气数据基础上,采用大/小尺度扰动分别建模的方法,建立了沿RLV再入飞行轨道的全域参考大气模型,开展了大气密度空间性和季节性（1月、4月、7月和10月）气候变化对跟踪RLV高纬度升力式再入标准轨道的影响分析。结果显示季节性和轨道空间性变化带来的大气密度偏差特性和散布特性,会强烈影响跟踪标准轨道的终端分布特征。这表明引入大气参考模型可以提升RLV性能,降低运行成本。     

降落伞“呼吸”现象研究

文章详细地描述了降落伞"呼吸"现象,首次使用降落伞充气过程中的简化轴向和径向动量方程来计算降落伞"呼吸"过程。在此基础上,分别比较有限质量充气条件下开伞速度、载荷物质量、大气密度、降落伞伞绳弹性系数对降落伞"呼吸"现象的影响,获得了一般情况下降落伞"呼吸"现象受载荷物质量与大气密度影响较大,当载荷物质量较小和大气密度较大时,降落伞"呼吸"振荡幅度较大且不易衰减等结论。     

月球大气分子逃逸率的计算

文章从理论上计算了月球大气分子的逃逸率,解释了月球大气稀薄的原因。根据月岩和月壤放出的气体量与逃逸的气体量达到动态平衡的假定,说明了月球上大气密度昼夜的差异。     

火星着陆任务环境特点及影响分析

一、自然环境条件影响分析 (一)大气密度条件对进入着陆系统架构设计的影响 合适的气动外形是确保火星着陆器安全通过高速高温飞行区,并最终实现火星软着陆的重要保障.从进入火星大气开始,至降落伞开伞完成,着陆器的速度由几千米每秒迅速减小到几百米每秒,这个阶段主要是依靠探测器自身的气动阻力进行减速.由于火星大气非常稀薄,密度约...     

火星探测中进入弹道与大气模型重建

火星探测进入段气动参数以及大气参数的实时获取对于进入过程状态确定以及大气模型重建有着至关重要的作用。在尚未掌握基本准确的火星大气数据的条件下开展火星探测,首先有必要利用机载设备在进入过程中实时获取进入舱的各种气动参数,从而重建准确的进入弹道;另外,在探测中测得大气密度以及风场随高度的变化情况,有助于建立火星大气参数模型,为以后的火星探测任务提供依据。文章以"火星科学实验室"为研究对象,详细介绍了表面压力分布模型的建立过程,最后建立了迭代的拓展卡尔曼滤波方程,用于气动参数与大气密度以及风场的实时估计。     

MAVEN：解密火星大气的前世今生

MAVEN：火星大气的考古学家 “火星大气和挥发物质演化探测器（MAVEN）”是NASA火星勘测计划的第二个任务,同时也是第一个致力于探索研究火星高层大气的航天器。MAVEN将会测量火星上层大气的密度,来帮助科学家理解这颗红色星球历史上的气候变化。     

基于实测数据的大气密度反演方法及应用研究

针对中长期的平均大气密度反演问题,以我国典型遥感卫星运行轨道数据作为基础,采用实测数据反演大气密度并对MSIS00模型进行局部修正,并将修正后的模型应用于遥感卫星推进剂的预算,仿真结果表明：得到的修正大气模型具有较高的准确度,且采用修正后的大气模型得到的轨道维持推进剂消耗比修正前减少了近35%,达到了在保障卫星安全运行基础上最大限度降低整星质量的目的。研究结果还可用于我国未来航天器的高精度轨道预报、推进剂预算、碰撞规避等任务。     

热层大气密度动态修正模型研究

为构建具有密度误差原理级修正的热层大气模型动态修正软件系统,首先,根据温度垂直剖面计算方法,对拐点和外逸层2个边界温度计算函数按经纬度球谐系数展开,研究基于模型和实测密度估计修正系数的方法;从数值计算方面,将条件方程泰勒展开线性化迭代求解得到修正系数。然后,融合修正理论和数值方法,构建热层大气密度动态修正模型系统。之后,针对磁暴、磁静事件分类评估系统性能,结果显示修正后模型的预报准确性较MSIS00模型显著提升——预报相对误差磁暴期平均下降33.8个百分点,磁静期平均下降9.1个百分点。最后,分析边界温度修正量的序列,得到其主要变化规律。期望通过热层大气模型动态修正系统的研究与实践,为热层大气密度的高精度预测需求提供解决方案。     

基于精确星光大气折射观测模型的轨道摄动研究

基于星光折射间接敏感地平自主导航方法,改进了现有的大气密度模型和固定高度(25km)的观测模型,建立了自适应连续高度(20km～50km)的星光折射观测模型,并在此观测模型的基础上深入分析研究了影响导航精度的各种轨道摄动力,包括地球形状各阶摄动力、不同高度的大气阻力摄动力、太阳光辐射压力等.提出一种精简的大气模式--静止变标高球面大气,解决了由于高层大气密度的求解复杂,使大气阻力摄动模型不精确的问题,由此取得了较好的导航定位精度.利用UKF和EKF两种不同非线性算法,对考虑各种摄动力后的导航定位精度进行全面的计算机仿真实验,并就仿真结果进行了误差分析,同时研究了各种有关参数对导航精度的影响.     

中国上空过渡流区大气月平均状态的模拟结果

利用美国海军研究实验室在MSIS系列模型基础上发展的大气模型NRLMSISE-00, 模拟研究了2001年—2013年中国上空过渡流区80～140 km高度的大气状态。对于中国东部和中部过渡流区, 基于模拟数据得到的月平均结果显示大气密度和温度呈现一致的变化趋势, 还表现出与太阳活动的显著关联。谱分析的结果显示, 在90 km高度以上大气密度呈现半年周期变化, 在90～110 km高度范围这种半年变化的幅度随纬度增大。在100 km高度, 上半年出现的半年周期过程中密度的最大、最小值分别出现在3月和6月, 明显超前中、高热层的半年周期过程。     

地球扰动大气模型

本文介绍了地球扰动大气模型和建立该模型的方法。文中详细描述了该模型中,密度变化的各单个分量和风场变化的各单个分量,并给出了它们各自的计算公式。本大气扰动模型中包含了137个大气扰动状态方案,可供返回轨道计算、救生轨道计算和返回控制设计计算分别选用。     

火星大气对降落伞充气性能影响的初步探讨

探测火星一直是人类深空探测的热点之一,火星上因存在大气层。降落伞一直是确保火星探测器安全着陆于火星表面的一种重要的气动减速装置。然而,由于火星上大气密度非常稀薄,因此掌握降落伞在火星大气环境下的充气性能是火星探测器着陆系统工程设计中的关键,同时也是火星探测器减速着陆系统工作性能评定的理论分析模型或数值仿真系统中必须要解决的一个问题。文章通过降落伞轴向-径向动量守恒充气模型,研究了大气密度对降落伞充气性能的影响,得到了大气密度对降落伞充气时间、充气距离、充气过程中伞衣面积变化的影响规律。研究结果表明,目前有关降落伞充气性能的一些经验关系式对于火星这种稀薄大气环境已不再适用;在火星稀薄的大气环境下,降落伞的充气时间、充气距离随大气密度的减小将急剧增大;伞衣阻力面积为充气过程中时间的4次多项式关系。该成果对于火星探测器减速着陆系统的工程设计、试验及性能评估等均具有较好的参考价值。     

一种利用面质比调整提高编队构形稳定性的方法

分布式卫星编队构形受大气摄动的影响会产生沿航迹方向的相对漂移。通过合理的面质比调整,可以降低漂移,提高构形稳定性。基于包含周日效应的大气密度模型,研究了编队卫星轨道能量耗散的差异,进而指出大气摄动引起的构形漂移与构形初始相位、以及轨道面和太阳密度周日峰方向夹角之间存在的关系。给出解析形式和数值方式2种面质比调整方法,并对后一种方法进行了仿真。仿真结果显示,利用文中给出的面质比调整方法,能够大大提高构形的稳定性。     

地磁扰动期间低轨目标轨道预报的误差修正

针对地磁扰动期间大气密度变化造成的低轨目标较大的轨道预报误差,提出一种根据POES卫星观测的极光能量注入数据改进短期轨道预报的方法。分析表明CHAMP卫星的沿迹大气密度及轨道衰减与极光能量注入具有较好的相关性。通过线性回归方法,建立轨道半长轴衰减及阻力调制系数的修正公式,并使用修正后的阻力调制系数取代两行元(TLE)中的该系数带入SGP4模型进行位置预报。该方案考虑了外推过程中地磁扰动引起的大气密度响应,能更准确地反映外推过程中大气阻力对轨道的影响。将其应用到2008年CHAMP卫星和国际空间站的轨道预报中,结果表明,半长轴和位置的预报误差可分别降低50%和30%左右。进一步对不同年份、不同轨道高度的目标进行了预报误差修正的分析,验证了该方法的普适性。     

大气湍流对平流层星光导航中星光传输的影响

以平流层飞行器用星光导航为背景,研究在平流层内星光传输过程受大气湍流的影响机理,揭示平流层中星光的衰减规律,为建立平流层星光导航星库以及电耦合器件(CCD)所摄取的星图补偿方法提供理论依据。研究提出将流场密度和流场密度脉动变化大的区域划分为宽度为L的特性截面,并基于几何光学法及统计光学理论分别计算星光穿过各特性截面后产生的光线偏折及平均光强衰减,进而推导整个平流层内星光传输过程中的能量衰减变化曲线。采用基于k-ε双方程湍流模型的雷诺平均法计算不同极端情况下的大气湍流场密度及密度脉动分布。通过计算机数值仿真表明:星光穿过具有湍流的平流层时将发生明显偏折,其偏折程度与流场密度值有关;同时星光光强衰减,衰减程度与流场密度脉动值有关。