静电悬浮加速度计噪声测试数据的频谱分析方法

分析了不同系数的离散傅里叶变换公式的含意,并从中筛选出符合工程分析要求的正确公式。为使用快速傅里叶变换可采用多种方式使数据符合2的整数次幂,分析了各种方法的优缺点;分析了各种频谱的应用对象,得出静电悬浮加速度计噪声适宜采用功率谱密度,且在窗函数应用上宜选择与之符合的系数;给出了使用OriginLab公司Origin5.0/7.0软件计算功率谱密度时所必须采取的纠正措施,提出地面测试静电悬浮加速度计噪声需采用差分方法以仰制环境噪声,具体操作方法是,将两台加速度计已扣除平均值的时域噪声值相减后除以平方根2。      

出气与辐射计效应对静电悬浮加速度计的影响

静电悬浮加速度计的真空室内存在温度梯度噪声,会引起与之相关的辐射计效应和出气效应。运用气体分子运动论和统计理论对两种效应进行了分析,结果表明相同条件下出气效应引起的加速度噪声比辐射计效应引起加速度噪声大几十倍,对静电悬浮加速度计分辨率的影响更大。所以,静电悬浮加速度计的设计应将出气效应作为一项重要参考。     

静电悬浮加速度计伺服控制分析

根据广义相对论原理选定的坐标系参照物为理想情况下在轨道上自由飘浮的卫星, 据此讨论静电悬浮加速度计检验质量块的运动和电极笼的运动, 得到检验质量在电极内运动的动力学方程, 证明以往相关文献提供的公式存在明显缺陷; 在此基础上分析了伺服控制电路, 给出了电阻尼系数、闭环自然谐振的角频率(或称为加速度计的基础角频率)、受静电负刚度等非受控刚度制约的角频率、来自于静电悬浮的加速度、检验质量的相对位移等一系列表达式, 从而提出必须有足够的增益以提供适度的闭环自然谐振角频率. 给出了位置噪声引起的加速度噪声表达式, 证明当伺服回路的增益足够大时, 在悬浮频带内检验质量的相对位移几乎为零.      

静电悬浮位置控制系统设计与实现

静电悬浮位置控制技术是静电悬浮材料实验装置中的关键技术. 以静电悬浮位置控制系统为研究对象, 分析了稳定悬浮样品的基本条件, 并以两组不同波段正交平行光作为光源, 位置测量传感器(PSD)作为位置信号接收器来组成样品的三维位置测量装置. 将PSD的位置输出信号作为输入、模拟电压信号作为输出构建PID位置反馈控制系统, 再利用PID反馈控制系统的输出来驱动高压放大器, 从而按照样品的实时位置变化调整电场强度. 通过选择合理的PID参数, 最终很好地实现了静电悬浮系统中样品位置的稳定控制.      

RBF神经网络在静电悬浮位置控制中的应用

静电悬浮位置控制系统具有非线性、时变性的特点,传统的控制方法不能有效抑制扰动的影响。针对该问题提出了一种神经网络与PID相结合的RBF-PID控制策略。以球形样品为例分析其受力情况,推导出静电悬浮位置控制系统的机理模型。搭建基于RBF-PID控制器的静电悬浮位置控制系统,并根据仿真结果实时在线调整控制参数。仿真结果表明,当样品带电量从10–9 C突变至3×10–9 C时,RBF-PID控制器只需0.12 s即可使样品达到稳定状态。实验结果表明,当样品处于加热状态时,实时调整参数后系统的平均绝对误差为0.0416 mm,控制效果比传统PID控制策略提高了70%。所提出的控制方法辨识精度高,具有比传统PID方法更强的鲁棒性和稳定性。      

聚焦式超声悬浮

超声悬浮技术在无容器材料制备以及地面空间状态模拟等方面有着广泛的应用前景.利用超声聚焦的原理,把换能器的辐射端设计成曲面,建立了一种单轴式的超声悬浮系统,旨在提高系统的悬浮性能.从理论上分析了此结构中声场的分布情况及其特性,并且对声场作了进一步的数值模拟分析.最后根据此理论设计了几种不同参数的超声悬浮器,进行了一系列的实验验证.实验结果表明此种结构能够提高系统的悬浮性能,系统的悬浮能力以及悬浮稳定性要比平面式超声悬浮系统高.      

太阳帆航天器悬浮轨道动力学与控制

基于线性动力学模型和非线性动力学模型,研究了太阳帆航天器日心悬浮轨道保持与控制问题.首先,推导出了柱坐标形式的太阳帆动力学方程,并在参考悬浮轨道附近线性化以建立状态方程,然后对状态方程进行可控性分析.通过合理选择控制变量加权矩阵R,用线性二次型调节器(LQR)对线性模型进行控制.将得到的控制律代入非线性模型中进行验证,表明该控制律渐近稳定,并且具有良好的控制精度,可实现太阳帆悬浮轨道控制.      

卫星重力测量中加速度计在轨参数校准方法研究

文章介绍了静电悬浮加速度计的基本工作原理,概述了目前卫星重力测量中加速度计参数的在轨外部校准方法,讨论了利用推进器推力、卫星旋转产生的离心力、引力开展加速度计标度因数在轨实时标定的可行性。     

悬浮月尘的遮挡模型

探月活动中,月表的尘埃会对太阳翼等光电器件的工作效率造成严重影响.基于附着月尘的遮挡模型,从立体空间的角度分析了悬浮月尘对工作器件的遮挡,提出了悬浮月尘的单粒度遮挡模型,利用月尘的平均粒度可计算在指定立体空间内,定量月尘造成的遮挡量;引入月尘的粒度分布函数,提出了悬浮月尘的多粒度遮挡模型,能够计算已知粒度分布函数的月尘在指定立体空间内造成的遮挡量;通过设计悬浮月尘遮挡的仿真实验,分别利用3种不同粒度大小的月尘进行实验,实验数据与悬浮月尘的单粒度、多粒度遮挡模型的理论计算值都较好吻合,实验结果证实了悬浮月尘遮挡模型的正确性与可靠性.      

连续小推力非开普勒悬浮轨道研究综述

连续小推力非开普勒悬浮轨道在深空探测与地球极地观测任务中有着重要的应用前景.归纳了电推进、太阳帆推进等连续小推力技术的发展历程与现状;阐述了日心、行星悬浮轨道的动力学特性、稳定性、轨道保持策略;分析了三体问题下人工拉格朗日点的优势及其在深空探测方面的应用;讨论了悬浮轨道编队飞行的研究方法与控制策略.最后针对小推力悬浮轨...     

The optical bidirectional accelerometer

A new Optical Bidirectional Accelerometer (O.B.A.) is described in this paper.

This accelerometer gives in real time the acceleration level in two orthogonal axis.

The advantages of this instrument in microgravity environment during a parabolic flight experiment (e.g. in fluid mechanics) are explained. The capability of O.B.A. to detect variations of the gravity level is studied. Theoretical curves give the sensibility and accuracy of the accelerometer for different parameters.

We describe the prototype and the different tests realized on it. The experimental results of the ground investigations are compared with the theoretical curves described in the previous section. The second part of the tests has been realized during a ESA parabolic flight campaign with the NASA KC 135 aircraft and in collaboration with the Belgian Air Force on a Fouga Magister.     

Impact of a novel hybrid accelerometer on satellite gravimetry performance

The state-of-the-art electrostatic accelerometers (EA) used for the retrieval of non-gravitational forces acting on a satellite constitute a core component of every dedicated gravity field mission. However, due to their difficult-to-control thermal drift in the low observation frequencies, they are also one of the most limiting factors of the achievable performance of gravity recovery. Recently, a hybrid accelerometer consisting of a regular EA and a novel cold atom interferometer (CAI) that features a time-invariant observation stability and constantly recalibrates the EA has been developed in order to remedy this major drawback. In this paper we aim to assess the value of the hybrid accelerometer for gravity field retrieval in the context of GRACE-type and Bender-type missions by means of numerical closed-loop simulations where possible noise specifications of the novel instrument are considered and different components of the Earth’s gravity field signal are added subsequently. It is shown that the quality of the gravity field solutions is mainly dependent on the CAI’s measurement accuracy. While a low CAI performance (10^?8 to 10^?9?m/s²/Hz^1/2) does not lead to any gains compared to a stand-alone EA, a sufficiently high one (10^?11?m/s²/Hz^1/2) may improve the retrieval performance by over one order of magnitude. We also show that improvements which are limited to low-frequency observations may even propagate into high spherical harmonic degrees. Further, the accelerometer performance seems to play a less prominent role if the overall observation geometry is improved as it is the case for a Bender-type mission. The impact of the accelerometer measurements diminishes further when temporal variations of the gravity field are introduced, pointing out the need for proper de-aliasing techniques. An additional study reveals that the hybrid accelerometer is – contrary to a stand-alone EA – widely unaffected by scale factor instabilities.     

星载电子器件用空气射流散热特性

在前期设计卫星大功率电子设备地面测试用通风散热系统的基础上,对系统散热性能进行了优化设计,对不同结构参数下电子器件的空气射流强化散热开展了数值仿真.研究结果表明系统中喷嘴出口直径、喷嘴出口至换热面距离、射流倾斜角以及喷嘴出口风速等参数对散热性能均有直接影响,并给出了定量的无量纲参数优化设计结果.该结论也可应用于表面热流密度为1 kW/m2级电子器件散热的优化设计,并为星载大功率电子设备对流式热控系统设计和地面测试提供技术参考.      

石英挠性加速度计温度特性测试与建模

为分析石英挠性加速度计在不同温度条件下的特性和规律,对加速度计两个主要参数偏值K₀和标度因数K₁的温度特性测试方法进行研究。根据变温速率和保温时间建立了加速度计的静态和动态温度曲线,并在不同的温度条件下对两只加速度计样品进行测试。利用最小二乘法对测量得到的加速度计温度特性进行建模,并提出通过温度特性曲线评判加速度计性能优劣的基本方法。最后将温度特性模型应用到系统精度补偿上,并取得了较好的效果。     

基于非线性变换的加速度计误差标定与补偿CSCD

为提高三轴加速度计测量精度,分析其误差来源和产生机理,建立了误差模型;根据误差模型和重力场幅值不变特性,推导出非线性观测方程。引入两个未知的参数向量,通过数学变换把非线性观测方程变形为关于新未知参数的线性方程;然后采用批量最小二乘法求出新的未知参数,并根据误差模型参数和新未知参数之间的关系,利用逆解析运算求出对应的零点偏差、灵敏度误差和三轴不正交误差。实验结果表明,加速度计正负误差峰值间距可以减小100倍左右,精度可达10-3m/s2,并具有很好的可重复性。该方法算法效率较高,补偿效果显著。     

Hypervelocity acceleration techniques: A review of exisiting capabilities and prospects for future developments

During the last few decades various techniques have made it possible to accelerate microparticles (10⁻⁶ – 10⁻¹⁵ gr) up to tens of km/sec and macroparticles (1 gr or so) up to 10 km/sec, thus furthering our understanding of many impact related phenomena occurring on the surfaces of celestial bodies.

This review will deal with existing techniques for the acceleration of hypervelocity projectiles. The performance of electrostatic accelerators, electromagnetic rail guns and related systems, plasma drag accelerators, light gas guns and explosive accelerating techniques is reviewed, and the capabilities and limitations of each type are briefly discussed. An attempt is made to assess the future promise of existing techniques and the realism of some current suggestions.     

静电传感器测量固体颗粒质量流量实验研究

航空发动机气路和排放尾气中固体颗粒物的监测有助于提高相关设备故障的识别和预警能力。采用3种不同形式的静电传感器测量方形管道中固体颗粒质量流量,并对其测量准确度进行了对比分析。3种静电传感器在4种输送气流速度和4种固体颗粒质量流量组合成的16种工况下测量了稀相固体颗粒的静电信号,并利用静电信号强度和固体颗粒速度进行了全工况固体颗粒质量流量标定。实验结果表明:方环形静电电极的平均测量偏差最大,侵入式条状静电电极阵列在质量流量较低时的测量偏差最小,非侵入式条状静电电极阵列在质量流量较高时的测量偏差最小。      

用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法

针对加速度计标度因数在轨标定精度低、成本高,需要其他辅助设备且难以工程实现等问题,提出了一种利用杆臂效应在轨标定加速度计标度因数的方法。用该方法对加速度计进行在轨标定,只需要惯组旋转机构按照给定的速率匀速旋转,根据惯组内陀螺仪及加速度计的输出即可解算出加速度计的标度因数。分析了标定原理,建立了标定模型,推导了误差系数的分离算法。通过地面试验验证了方法的有效性。     

基于Fabry-Perot干涉仪的闭环微光机电加速度计

设计了一种闭环反馈差动式双FP腔的微光机电(MOEMS)加速度计,介绍了其工作原理及系统构成.利用惯性敏感单元将对载体加速度的测量转变为对载体位移的测量,利用光纤自聚焦透镜的端面与质量块组成的FP腔测量载体位移.为了提高系统的测量灵敏度和抑制温度等环境因素的影响,设计了一种差动式双FP腔测量机构.为提高微加速度计的输出线性度和动态测量范围,提出了采用静电力平衡技术构成闭环加速度计.建立了其数学模型,对所设计的加速度计重要参数指标——灵敏度、敏感头受载、固有频率等一一进行了详细计算和分析.在此基础上完成了设计背景要求下加速度计参数的优化设计,结果表明:该系统精度可以达到5×10-6g以上.