姿态运动对落舱微重力的影响研究

本文采用试验的均匀设计方法，结合对气动力矩的理论估算，利用计算机仿真，研究了姿态运动对落舱微重力水平的影响．结果表明，在落舱下落的前60s内，要想保持优于10(－3)g数量级的微重力水平，以满足一般科学实验的要求，则必须安装姿态控制系统．     

落塔微重力水平激光干涉测量方法中的干扰因素分析

落塔是获得微重力环境的重要设施,落塔微重力水平的测量对微重力科学实验的研究至关重要. 激光干涉是测量落塔微重力水平的一种新方法,这种方法的基本原理是让一个参考落体在落舱中自由下落,落舱由于受到服外空气阻力的作用将与自由落体运动略有差异,1 11. 肫内的参考落体则更接近理想的自由落体运动,这就使得落舱与参考落体之间存在着加速度差,这种加速度差便反映了落服的微重力水平,其所导致的相对运动则可通过激光干涉的方法测量出来. 本文对落塔微重力水平的激光干涉测量方法中将会遇到的一些主要干扰因素进行了分析,计算结果表明,这些干扰网素所造成的总误差约为 1.2 x 10-7g,低于微重力水平的预测值 10-4~lO-6 g,因此该方法是一种比较可行的测量方法.      

气球落舱内试验平台的高微重力水平分析

研究了一种新型高微重力水平气球舱内试验平台的动力特性，考虑了稀薄气体的影响，建立了落舱及平台的动力学方程，通过数值计算获得了平台微重力水平与落舱控制精度、平台与落舱的分离时刻、真空舱内真空度的关系。     

空间材料加工所需微重力水平估算

本文从微重力定义出发,论述了微重力物理效应在流体中发生的原因,并由此把微重力物理效应分成一级和二级效应两类。建立了各类空间村料加工和微重力物理效应的联系,并分别给出发生各类微重力物理效应所需的微重力水平估算。     

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.      

微重力池沸腾传热研究

对利用中国返回式卫星搭载开展的两次微重力池沸腾空间实验及地基常重力和落塔短时微重力实验的结果进行了评述. 研究发现微重力时丝状加热器沸腾传热会略有强化, 而平板加热器则在高热流条件下明显恶化. 微重力时, 气泡脱落前存在沿加热面的横向运动, 加剧了相邻气泡间的合并, 合并气泡会在其表面振荡作用下从加热面脱落. Marangoni 效应对于微重力气泡行为有重要影响.      

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律,以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代,兴起于80年代中后期,经过多年发展,目前已初具规模,在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程,评述了近年来中国微重力科学研究进展,特别是利用实践十号科学实验...     

微重力效应的物理解释及其应用

讨论了微重力效应及其分子物理学解释，万有引力的单极性决定了它的累积性和宏观性，重力对自由分子的影响是微科其微的，然而在流钵，特别是在液体内部的具体条件下，重力对流体内部分子集团产生明显影响，以宏观的静压强形式表现出来。而当重力变小，变微，流体内部的静压强也就趋于消失，由静压强产生的二级现象，如异相沉降或浮泛。同相的浮泛对流，液体自约束成球形，也就消失，这些就是微重力的一，二级物理效应，本文认为，Bossinesq近似对于流体而言实质上是线性热力学假设或近平衡态假设，可以用初始平衡态的物性参量表征临界点时的无量纳数，提出一种重力消失诱发非平衡态向平衡态蜕变的猜想，从文中导出的瑞利数Rα的表达式可以看出，重力加速度的消失，可以使瑞利数的值从远离平衡态的湍流蜕变到稳定流动的瑞利－贝纳对流胞，甚至是没有宏观流动的平衡态，最后，将本文给出的理论解释模型应用到空间材料加工所需微重力水平的估算、窨材料加工工艺的微重力利用准则和空间装置中气体自然对流传热状态模拟的低真空和微重力的互换性方面。     

真空和微重力下烟幕粒子动力学特性研究

为了研究红外烟幕在外层空间的适用性,基于外层空间环境高真空和微重力的特殊性,分析烟幕粒子的真空和微重力效应,采用分子运动论理论近似模拟真空和微重力下烟幕粒子的动力学特性,建立烟幕粒子间距函数模型,利用Mathematica方法计算了烟幕材料粒径、密度及粒子运动时间对粒子间距大小的影响.结果表明,随着烟幕材料粒径及密度的增大,粒子间距逐渐减小,形成烟幕的稳定性逐渐增大;粒子运动时间愈长烟幕愈不稳定.      

航天器贮箱气液自由界面追踪数值模拟

主要讨论了航天器贮箱在轨道航行时的微重力状态下其液体推进剂在贮箱内的形态分布及控制.文中采用VOF方法,加入了表面张力的效应,追踪气液两相流的自由界面,对液面在微重力条件下的位形变化进行了数值模拟.通过比较不同重力加速度及接触角下的两相流的相图,分析了影响贮箱中液体推进剂位形变化的主要因素及对其有效的控制方法.      

空间站大型伸展机构动力学研究中的若干问题

由于空间站大型伸展机构运动中的时变性，其拓扑构形和系统的自由度都是变化着的，因而问题较定常构形动力学问题复杂得多。文章对航天伸展机构进行分类，并研究所组成的各类运行副，约束特点和约束方程及轨道、姿态、伸展运动的几何和运动描述；考虑柔性结构效应及热变形的动力学分析模型；还对连接间隙、摩擦、限位内碰撞、预应力、重力场及空气阻力的干扰进行分析；最后讨论了试验研究结论。     

飞行器相对姿态运动的静力学、运动学和动力学方法

文章系统地研究了飞行器相对姿态运动描述问题 ,提出了求解相对姿态运动的静力学方法、运动学方法和动力学方法 ,特别是在动力学方法中 ,提出了飞行器相对姿态运动的角加速度合成定理。所得结果可作为飞行器相对姿态运动的分析和数值仿真的理论基础 ,并为今后进一步研究飞行器相对运动制导和控制问题打下基础     

Deorbiting spacecraft with passively stabilised attitude using a simplified quasi-rhombic-pyramid sail

This paper studies deorbiting using an analogue to the quasi-rhombic-pyramid concept for planar motion. The focus is on maintaining a stable (meaning oscillatory) attitude close to the direction of the velocity of the spacecraft relative to the atmosphere. The study consists of a massive computation of deorbit times chosen in a region of the phase space where atmospheric drag plays a leading role. Here, no damping effects are considered. Thus, any passive stabilisation observed is either due to solar radiation pressure or atmospheric drag. The results show that such stable deorbiting is feasible up to a threshold that depends upon the physical parameters of the sail. This threshold is around 500 km of altitude. Stable deorbiting is also shown to reduce the unpredictability that appears due to tumbling.     

小卫星动平衡研究--质心不对中对姿态的影响

首先定性分析质心不对中对星体动力学特性的影响，然后由拉格朗日第二类方程导出引力场下星体运动方程的矩阵表达式，最后以50kg级长方体3轴稳定小卫星为例，分析不同初角速度和不同时间历程情况下质心不对中对星体运动姿态的影响，并分析其对星体运动稳定性的影响．本文研究为同类品种小卫星的构型设计、姿态控制系统设计以及制定卫星动平衡精度提供依据。     

卫星姿态大角度机动的轨迹规划和模型预测与反演控制

空间科学观测、态势感知、对地遥感、操控服务等应用对卫星提出了高精度、高稳定度、平稳柔顺大角度姿态机动的需求。采用欧拉角形式,对时变、非线性卫星姿态动力学系统进行了分析与建模,将每一个测控周期视为一个姿态机动过程。基于动力学系统受控运动的规律,在每一个姿态跟踪机动过程中,预测姿态偏差,通过卫星姿态演化的反演得到控制指令。以三角函数为基础,设计了一种卫星姿态大角度机动的运动轨迹规划方法。本文所述的轨迹规划及控制方法具有轨迹跟踪精度高、稳定性好,跟踪和机动过程平稳柔顺的特点。数学仿真验证了该方法的可行性和有效性。 关键词：轨迹规划; 模型预测与反演控制; 卫星姿态; 大角度机动     

Drag and energy accommodation coefficients during sunspot maximum

Conditions appropriate to gas-surface interactions on satellite surfaces in orbit have not been successfully duplicated in the laboratory. However, measurements by pressure gauges and mass spectrometers in orbit have revealed enough of the basic physical chemistry that realistic theoretical models of the gas-surface interaction can now be used to calculate physical drag coefficients. The dependence of these drag coefficients on conditions in space can be inferred by comparing the physical drag coefficient of a satellite with a drag coefficient fitted to its observed orbital decay. This study takes advantage of recent data on spheres and attitude stabilized satellites to compare physical drag coefficients with the histories of the orbital decay of several satellites during the recent sunspot maximum. The orbital decay was obtained by fitting, in a least squares sense, the semi-major axis decay inferred from the historical two-line elements acquired by the US Space Surveillance Network. All the principal orbital perturbations were included, namely geopotential harmonics up to the 16th degree and order, third body attraction of the Moon and the Sun, direct solar radiation pressure (with eclipses), and aerodynamic drag, using the Jacchia-Bowman 2006 (JB2006) model to describe the atmospheric density. After adjusting for density model bias, a comparison of the fitted drag coefficient with the physical drag coefficient has yielded values for the energy accommodation coefficient as well as for the physical drag coefficient as a function of altitude during solar maximum conditions. The results are consistent with the altitude and solar cycle variation of atomic oxygen, which is known to be adsorbed on satellite surfaces, affecting both the energy accommodation and angular distribution of the reemitted molecules.     

Decentralized differential drag based control of nanosatellites swarm spatial distribution using magnetorquers

Nanosatellites in the swarm initially move along arbitrary unbounded relative trajectories according to the launch initial conditions. Control algorithms developed in the paper are aimed to achieve the required spatial distribution of satellites in the along-track direction. The paper considers a swarm of 3U CubeSats in LEO, their form-factor is suitable for the aerodynamic control since the ratio of the satellite maximum to minimum cross-section areas is 3. Each satellite is provided with the information about the relative motion of neighboring satellites inside a specified communication area. The paper develops the corresponding decentralized control algorithms using the differential drag force. The required attitude control for each satellite is implemented by the active magnetic attitude control system. A set of decentralized control strategies is proposed taking into account the communicational constraints. The performance of these strategies is studied numerically. The swarm separation effect is demonstrated and investigated.     

阻力和升力加速度指令快速解析与跟踪制导

针对升力式飞行器的滑翔段制导问题,提出一种阻力和升力加速度指令在线快速解析与跟踪制导方法。通过一维质点运动学解析并加权直接得到阻力加速度指令。引入虚拟目标和伪视线角的概念,将比例导引应用于滑翔段得到升力加速度指令。利用阻力加速度和攻角的单调性关系, 通过改变攻角跟踪阻力加速度指令。倾侧角用于辅助跟踪阻力加速度指令,满足给定条件后切换至跟踪升力加速度指令。航迹方向角的控制通过倾侧角按反转走廊边界改变正负号实现。动压、热流、过载等约束可通过相关敏感参数的设计得到满足。所提方法不依赖参考轨迹和攻角剖面,计算量小,可实现对终端速度和终端高度的高精度控制。