激光微推进器用于微小卫星的姿轨控仿真

为研究激光微推进器用于微小卫星在轨空间飞行任务的可行性,利用已建立的激光推进微小卫星仿真平台,对微小卫星在轨姿态调整、轨道维持和轨道转移等飞行任务进行了仿真和分析。仿真结果表明,星载激光微推进器可满足在轨微小卫星的高控制精度姿态调整、近地观测轨道维持以及较长时间要求的轨道转移等空间任务对推进系统的要求。     

聚焦脉冲激光大气传输热晕效应的数值分析

利用激光大气传输四维程序对序列脉冲激光大气传输热晕效应进行了数值计算和分析。对于均匀大气路径上聚焦传输序列脉冲激光进行数值仿真计算得到,风场渡越时间内的脉冲数Np在2~6之间有利于传输;然后对实际大气模式下序列脉冲激光进行了数值计算,得到的平均脉冲数-NP可以在一定条件下对序列脉冲激光进行定量表征的结论。     

发展中的激光推进

激光推进作为一种利用激光能量与工质相互作用产生推力的新概念推进技术,以其比冲高、成本低、快速机动等优点吸引了国内外学者的广泛关注,美国、日本、德国、俄罗斯等国家都掀起了激光推进研究工作的热潮。这种新概念推进技术在微小卫星的近地轨道发射和卫星姿轨控等领域有着广阔的应用前景。总结了近年来国外在激光推进领域的主要研究计划,讨论了国外研究计划的进展情况及发展趋势。对激光推进研究工作具有一定的借鉴作用。     

吸气式激光推力器速度与高度耦合特性的数值研究

使用基于有限体积法和分区结构化网格划分的高分辨率数值方法,计算得到了两种吸气模式激光推力器模型在加速度为10 m/s2的发射过程中,其冲量耦合系数随海拔高度的变化规律。不考虑来流速度和空气补充时,高度特性计算结果与实验吻合得很好。结果表明:推力器与空气具有相对速度时,冲量耦合系数整体明显减小,导致激光推进单级入轨发射由吸气模式向火箭模式的切换点由目前预测的20~30 km明显下移至10~20 km;经过进气道增压处理后,冲量耦合系数大幅度提高,为了增大吸气模式的工作高度范围,进气道设计是必不可少的关键技术之一。     

关于地球转移轨道碎片的轨道寿命问题

低轨卫星的轨道寿命主要取决于大气的耗散作用,其轨道在不断变小(即高度降低)变圆的状态下进入地球稠密大气层中陨落。但地球转移轨道(GTO)碎片的运行轨道是一个近地点高度为200km,远地点高度达36000km的大偏心率(e=0.73)椭圆轨道,其轨道寿命主要由第三体(日、月)引力摄动所决定,而且还与其轨道的初始状态有密切关系。本文将根据地球卫星轨道变化规律进行理论分析,阐明力学机制,并给出相应的数值验证。     

小卫星/小运载可重构多核计算机设计

通过共用小卫星与小运载的电子系统,能够降低卫星发射成本、实现卫星与运载的快速集成及测试、减少卫星的发射与入轨时间,从而达到快速响应自然灾害等突发事件的目的。传统航天器电子系统难以兼顾运载段任务的高实时性和在轨段任务的高可靠性要求,因此本文将多核处理器技术、可重构技术和航天器电子系统设计相结合,提出了基于可重构技术的小卫星/小运载多核计算机设计方案。该设计方案分为运载和在轨两种工作模式,通过现场可编程门阵列(FPGA)的快速重构来实现计算机两种工作模式的快速切换。其中运载模式将FPGA配置成并行构架的三核处理器,通过3个处理器并行计算来提升计算机的处理能力;在轨模式将FPGA配置成冗余构架的三核处理器,通过3个处理器互为冗余备份来提升计算机的长期可靠性。经过基于Markov过程理论的系统可靠性分析,表明系统在轨段的长期可靠性得到显著提升。同时经过地面半物理仿真系统仿真测试,运载段的控制周期可以达到10ms,满足运载段任务的实时性要求。     

实验直播卫星(BSE)轨道确定系统的简化及跟踪方式对轨道确定精度的影响

为获得足够的定点卫星定轨精度,一般将相距较远的几个测站的测距数据作为观测值,并将它用作与卫星运动模型化的理论值相比较的输入值,完成微分改正。正像几篇文章已介绍的那样,鹿岛主站的BS卫星轨道确定系统所用的观测值仅是单站的测距数据,而其软件使用了数值积分法和简化的运动模型。可是,主站为了进行K波段天线的自动跟踪,作为研究目的,轨道确定所用的观测值也有可能采用天线的角度数据。也就是说,同时并用角度数据和距离数据,采用鹿岛分所研制的小型轨道确定软件(KODS)进行轨道确定。因此,主站就可能有两种跟踪方式:仅测距的单站跟踪方式以及并用距离和角度数据的单站跟踪方式。另外,还可利用宇宙事业开发团(NASDA)的测站几乎同时测得的距离数据,以多站跟踪方式进行轨道确定,从而可以进行单站、多站跟踪方式的比较研究。基于多站跟踪的轨道确定精度高,但是跟踪站的维护和使用费用加大。因而,掌握单站跟踪方式的轨道确定精度是有重要意义的。根据上述的BS卫星条件,我们比较了基于单站和多站的轨道确定精度,并研究了简化软件而带来的精度下降,本文叙述了这些研究结果。     

吸气式激光推力器概念设计

以发射10kg级微小卫星为航天任务背景,基于地面推力1000N的设计指标,分析了吸气式激光推进的主要性能参数,依据所建立的激光推进能量相似律理论和数值计算研究结果,对激光参数、聚焦系统和喷管子系统进行设计,完成了封闭的吸气式激光推力器概念设计循环。所提出的二次反射聚焦系统与抛物形喷管组合的吸气式激光推力器概念模型经数值计算程序验证,可以获得地面500N/MW的冲量耦合系数。所提出的设计理论和方法对激光推力器概念设计有一定的参考价值,是研制激光推力器模型的重要基础。     

激光微推进的靶特性研究进展

2003年,首款激光等离子体微推力器(micro-Laser Plasma Thruster,μLPT)应用于美国空军微小卫星姿态轨道控制,激光微推进技术越来越受到业内人士的广泛关注。总结了激光微推进的五种工作模式,并进行了简要分析,重点关注了激光微推进技术发展过程中的靶特性研究现状,介绍了靶材物态和靶材结构两个方面的推进性能研究进展,并对其进行了分析,对激光微推进技术的进一步发展形成了一些认识和建议。     

美国计划用喷气机发射卫星入轨

美国DARPA（国防部高级研究计划署）近期启动了一项1.45亿美元的项目,打算改变卫星的入轨方式。DARPA希望从空中投放卫星,而不是从地面发射;并希望在接到卫星发射通知后一天内完成发射,通过将整个发射流程转为自动化来降低成本。DARPA的ALASA（空射辅助空间进出）项目将弃用传统的地基卫星发射方式,转而依赖能从跑道起飞、在空中悬停、并以预定轨道发射卫星的亚声速飞机。     

激光推进加速飞行器的飞行控制与数值仿真

激光能够照射到的区域受到限制,飞行器只能在这个范围飞行并尽可能获得较大的速度.考虑两种不同的加速方式:竖直平面内直接加速和螺旋加速,使用程序调参飞行控制技术确定操纵面偏转角度,控制飞行器轨迹,并且给出了相应的仿真结果.结果表明,操纵控制下的飞行器能够按照预定轨迹飞行;使用螺旋加速方式,可以延长激光加速的时间,但是这两种加速方式最后得到的速度差不多, 而螺旋加速的操纵复杂,因此竖直平面内直接加速有一定的优势.     

地基激光器发射微卫星的方案设计与弹道优化计算

1引言随着高功率激光技术的发展,用地基激光器发射近地轨道卫星将成为可能。上世纪90年代初Hum-bleW E和Pierson B L提出用一台地基300 MW的CO2激光器把初始质量为1 900 kg的飞行器发射到近地轨道[1]。飞行器的弹道在初始段有一向后运动的“后摆”段。这种弹道可以充分利用激光     

激光参数对光船性能影响分析

采用三温度11组元热化学非平衡空气模型计算了激光能量在等离子体中的沉积过程,并在激光脉冲作用结束8 μs后采用平衡空气模型,完成激光推进光船工作过程的数值模拟,研究了不同入射激光能量和脉冲宽度对光船推进性能的影响。结果表明:当脉冲宽度相同时,入射激光能量越大,所得冲量耦合系数越大;当入射激光脉冲能量相同时,脉冲宽度越小,所得冲量耦合系数越大。将计算所得冲量耦合系数与Schall实验所得结果进行比较,结果非常吻合。     

脉冲激光推进的能量相似律理论研究

激光推进的能量相似律,指确定的激光能量有与之相对应的最佳喷管尺寸,使得冲量耦合系数最大且不变的规律。用大气高度参数、入射的激光能量、喷管几何参数构造了无量纲因子,建立了圆锥形喷管在单脉冲条件和一维球对称点聚焦情况下的能量相似律。结果表明:当锥角固定时,冲量和冲量耦合系数存在极大值,极大值对应的无量纲因子仅与气体比热比相关;当无量纲因子固定时,冲量随入射激光能量增加而单调增大,冲量耦合系数则与能量无关。本文的研究结论和规律性认识,对目前可实现和以后工程化放大的激光能量范围,均能给出可信可靠的喷管优化尺寸。     

基于微分进化算法的深空小推力轨道优化设计

针对多目标多任务的深空探测轨道优化设计问题,基于以太阳为主引力体的二体模型,采用电推进小推力系统,提出了将目标行星的探测方式、探测顺序、发射窗口同时进行全局优化的解决方案.依此建立小推力轨道优化设计算法模型,利用微分进化算法进行全局一体化优化设计,得出多目标多任务的一体化深空探测轨道.通过与相同条件下其他设计方法的结果比对分析得出：基于小推力推进方式并采用微分进化算法进行优化的轨道优化设计方案,在多目标多任务深空轨道一体化设计问题上具有可行性及应用价值.     

激光推进运载器大气飞行稳定性影响因素研究

针对环聚焦的Myrabo构型激光推进飞行器在大气中飞行现象,建立了激光推力器冲量模型,给出了光船飞行六自由度动力学模型。设计算法解决了脉冲力作用下,光船动力学方程的解算精度与效率折中问题;仿真分析了激光脉冲频率、脉冲能量和升力线斜率大小对光船运动稳定性影响。结果表明:在垂直方向,光船上升速度呈锯齿状,且存在脉冲频率下限;在侧向,激光脉冲频率越高,回复速度越快,回复曲线也越光滑,升力线斜率的增加能够使光船以更短的时间趋于稳定。     

基于动力冗余的液体火箭动力系统频率特性分析

液体火箭在发射过程中,恶劣的动力学环境常常会引起发动机推力下降或提前关机等工作故障,引入动力冗余技术可以保证发动机故障后仍有足够动力保证火箭正常飞行,从而大幅度地提高系统的可靠性。针对动力冗余技术而提出的液体捆绑火箭推进剂交叉输送问题,以三种工作模式：芯级火箭与助推器独立工作（Mode 1）;一台助推发动机故障,该助推器将多余推进剂供给芯级发动机（Mode 2）;为使助推器提前分离,所有发动机均由助推器供给推进剂（Mode 3）为研究对象,利用有限元技术分别建立三种工作模式下液体火箭动力系统的动力学模型。利用数值方法进行的频率特性分析表明,动力系统每组相似频率在Mode 1模式下的分布较为集中,而在其他两种模式下的分布则较为分散。此外,比较三种工作模式下蓄压器能量值的变频效果发现,Mode 1模式的变频效果最好,而Mode 3的效果最差。     

抛物形喷管的激光推进能量相似律数值研究

针对吸气式抛物形喷管,通过辐射输运方程和流体力学方程联立求解,计算激光能量沉积过程中的爆轰波流场,并采用高温平衡气体模型计算后续的激波流场,得到了不同构形的喷管在不同条件下的冲量和冲量耦合系数。提炼了耦合多种影响因素的无量纲因子,讨论了入射激光能量和喷管构形对推进性能参数的影响,建立了抛物形喷管激光推进的能量相似律。结果表明:当顶点到出口最外侧点连线和对称轴的夹角固定时,冲量和冲量耦合系数随无量纲因子先增大后减小,在0.37附近取得极大值;当无量纲因子固定时,冲量和冲量耦合系数均随夹角增大而减小,冲量随入射激光能量增加而增大,冲量耦合系数受能量的影响程度很小。     

来流情况下入口状态对吸气式激光推力器冲量耦合系数的影响

激光推力器在高空环境下飞行不可避免地会受到来流的影响,而其入口状态直接影响激光聚焦点火之前的定常流场状态,从而影响推力器的推进性能。在来流马赫数为5的条件下,对某种吸气式推力器模型的入口在打开、关闭以及半开3种状态下的内外流场演化过程进行了数值模拟。结果表明：入口打开时,轴向阻力低于同工况下入口关闭和半开的情况;入口关闭时,聚焦区的激波传播速度明显增加,正推力峰值明显增大,抵消了入口关闭带来的额外负推力;入口半开时,正推力较入口关闭没有得到有效提高,轴向阻力较入口打开却大幅增加,导致其冲量耦合系数最低,推进性能最差。通过计算和分析预测,入口构形的改进设计可大幅度提高来流情况下推力器的推进性能,对入口构形优化还需进行大量工作。     

Energy-efficient data collection for UAV-assisted IoT: Joint trajectory and resource optimization

Internet of Things (IoT) can be conveniently deployed while empowering various applications, where the IoT nodes can form clusters to finish certain missions collectively. As energy-efficient operations are critical to prolong the lifetime of the energy-constrained IoT devices, the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) can be dispatched to geographically approach the IoT clusters towards energy-efficient IoT transmissions. This paper intends to maximize the system energy efficiency by considering both the IoT transmission energy and UAV propulsion energy, where the UAV trajectory and IoT communication resources are jointly optimized. By applying large-system analysis and Dinkelbach method, the original fractional optimization is approximated and reformulated in the form of subtraction, and further a block coordinate descent framework is employed to update the UAV trajectory and IoT communication resources iteratively. Extensive simulation results are provided to corroborate the effectiveness of the proposed method.