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。     

静电悬浮加速度计地面高压悬浮原理与应用

静电悬浮加速度计是进行空间飞行器准稳态非重力精密测量的设备。静电悬浮加速度计研制中,需要借助高压悬浮来完成其功能和部分性能评价的相关工作。文章就地面静电悬浮加速度计检验质量高压悬浮中涉及的相关问题进行了理论分析,给出了地面悬浮原理、高压电路实现形式、工作点选取、稳定性控制、高压静电力作用分析等,给出了实际试验结果,表明地面上系统在0.1Hz附近具有10^-8g_n/Hz^1/2左右的分辨率,并可在悬浮状态下,完成功能及相关性能测试,获得静电悬浮加速度计地面直接性能评价受限的主要因素,同时就存在的问题进行了讨论。     

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。      

正弦振动条件下原子钟的频率稳定度分析

振动对原子钟(原子频标)的影响可分为对原子谐振的影响、对伺服环路的影响和对晶体振荡器(晶振)的影响.在振动频率范围内,晶振的输出相位噪声只与晶振的加速度灵敏度、峰值加速度和振动频率有关,与静态相位噪声没有关系,但在振动频率范围之外,晶振的输出相位噪声就是其静态相位噪声. 由原子钟的稳定性传递到输出晶振的频率稳定度公式,就可通过伺服环路把晶振的振动分析融入到原子钟的振动分析之中.利用相位噪声转换为阿仑方差的积分公式,根据留数定理推导出直接计算阿仑方差的解析表达式, 得到增加伺服环路带宽可以有效抑制振动对原子钟频率稳定度影响的结论;分析了通过减振和选择加速度灵敏度较小的晶振这2种方法改善原子钟振动性能的问题.      

悬臂空心梁式加速度计的设计

分析证明:悬臂梁式加速度计的灵敏度与它的谐振频率的平方成反比。因此,欲展宽频带而保持灵敏度不变就很困难。利用应力集中的方法可以有效地解决这一问题。采用空心梁结构不仅能产生应力集中而且能减少梁的自身质量带来的影响,可以有效地展宽频带。文中给出了几种梁的刚度计算。     

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.      

静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统的设计与分析#br#

针对一种静电力平衡式石英挠性加速度计,建立其表头系统模型并设计一种静电力平衡式闭环控制系统.建立表头摆片的刚度模型和挠度模型,摆片转动引起的电容间隙变化不均匀影响驱动、检测参数;建立驱动电容的静电力方程并分析了静电力负刚度对表头系统刚度的影响.表头的高真空度导致表头阻尼近似为0,因此在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节,避免系统在表头谐振频率处振荡,并且在闭环控制系统中设计积分环节和校正环节来提高系统的快速性和稳定性.仿真分析结果表明：在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节后可以有效减小系统振荡,静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统带宽为2 380 Hz,阶跃响应的超调量为3%,调节时间为0.5 ms,当系统静电力负刚度增大时,闭环系统也可以稳定工作.     

静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统的设计与分析

针对一种静电力平衡式石英挠性加速度计,建立其表头系统模型并设计一种静电力平衡式闭环控制系统.建立表头摆片的刚度模型和挠度模型,摆片转动引起的电容间隙变化不均匀影响驱动、检测参数;建立驱动电容的静电力方程并分析了静电力负刚度对表头系统刚度的影响.表头的高真空度导致表头阻尼近似为0,因此在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节,避免系统在表头谐振频率处振荡,并且在闭环控制系统中设计积分环节和校正环节来提高系统的快速性和稳定性.仿真分析结果表明:在闭环控制系统中引入阻尼补偿环节后可以有效减小系统振荡,静电力平衡式石英挠性加速度计闭环控制系统带宽为2 380 Hz,阶跃响应的超调量为3%,调节时间为0. 5 ms,当系统静电力负刚度增大时,闭环系统也可以稳定工作.     

MEMS陀螺噪声理论与模型综述

工作在闭环检测模式下的MEMS陀螺具有较好的整体性能,是目前具有发展潜力的微陀螺方案之一。但是多个闭环的存在使得测控系统噪声源变多,通过构建噪声模型可以量化各噪声源对零偏输出的贡献,并且探明结构和电路参数对噪声性能指标的影响,从而调整设计参数与控制方式,优化设计。首先阐述了MEMS陀螺谐振系统中的噪声源———热噪声和闪频噪声产生机理,然后将陀螺噪声模型分为相位噪声模型和幅度噪声模型,分别讨论国内外研究机构噪声建模的进展,如针对幅度频率耦合导致的额外相位噪声,讨论了非线性相位噪声模型和幅度噪声模型。非线性相位噪声模型通过引入非线性刚度来完善相位噪声谱表达式,幅度噪声模型通过考虑不同输入点的噪声在力平衡环路的传递过程来量化各噪声源影响因素。最后,对噪声模型的发展进行了展望,可以通过构建与调幅陀螺相联系的相位噪声模型和零偏不稳定性噪声模型,实现对陀螺噪声分析的完善。     

三轴陀螺稳定平台伺服回路全姿态解耦及变增益控制方法

在载体大机动飞行背景下,要求惯性平台具备全姿态的功能。国内现有的三轴陀螺稳定平台（简称三轴平台）不具备全姿态的功能,在内框架增加了限位挡钉以限制内框架角的工作范围,主要是基于内框架角不能工作在接近于?90?的认识。为了准确描述全姿态条件下三轴平台的运动规律,本文指出了传统动力学推导过程中的不足之处,重新建立了三轴平台的动力学模型,基于该模型给出了非奇异的全姿态伺服回路并提出了一种新的全姿态解耦方法,包括力矩解耦和转动惯量解耦。最后,针对转动惯量在框架转动过程中非定值的问题,提出了基于H∞控制理论的变增益控制策略。仿真结果表明,变增益控制器相对定常参数控制器可显著改善三轴平台伺服回路控制的性能。     

外形及工况参数对轴承柔性保持架动力学性能的影响

考虑保持架柔性处理及滚动轴承各组件间的相互作用关系,利用ADAMS/View平台构建了真空条件下不同保持架的轴承刚柔耦合多体动力学分析模型,采用正交试验法分析了转速、保持架厚度和兜孔形状对保持架动态特性的影响规律。结果表明：随着轴承转速增加,保持架转速稳定性降低,动态接触力和打滑率升高,质心轨迹呈“筒状”;保持架厚度对保持架动态性能影响最大,质心轨迹受兜孔形状影响最大;动量轮用保持架最优工况及设计为：轴承转速为2000 (r/min),厚度为2 mm,兜孔形状为方型兜孔。     

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。      

红外加热笼模拟航天器瞬变外热流的方法研究

以某型号航天器热平衡试验为工程应用背景，采用理论分析、仿真研究和实验研究相结合的方法，建立了红外加热笼和热流计的动态数学模型；在此基础上，讨论了利用红外加热笼作为热流模拟航天器在轨飞行时表面到达热流密度瞬态变化的方法和技术。     

Simulation of ASTROD I test mass charging due to solar energetic particles and interplanetary electrons

As ASTROD I travels through space, its test mass will accrue charge due to exposure of the spacecraft to high-energy particles. This test mass charge will result in Coulomb forces between the test mass and the surrounding electrodes. In earlier work, we have used the GEANT 4 toolkit to simulate charging of the ASTROD test mass due to cosmic-ray protons of energies between 0.1 and 1000 GeV at solar maximum and at solar minimum. Here we use GEANT 4 to simulate the charging process due to solar energetic particle events and interplanetary electrons. We then estimate the test mass acceleration noise due to these fluxes. The predicted charging rates range from 2247 e⁺/s to 47,055 e⁺/s, at peak intensity, for the four largest SEP events in September and October 1989. Although the noise due to charging exceeds the ASTROD I budget for the two larger events, it can be suppressed through continuous discharging. The acceleration noise during the two small events is well below the design target. The charging rate of the ASTROD I test mass due to interplanetary electrons in this simulation is about −11% of the cosmic-ray protons at solar minimum, and over −37% at solar maximum. In addition to the Monte Carlo uncertainty, an error of ±30% in the net charging rates should be added to account for uncertainties in the spectra, physics models and geometry implementations.     

航天器舱内气体对流换热的地面模拟试验方法

对航天器舱内气体对流换热的地面模拟试验方法进行了系统地理论分析,包括热缩比模型法、降压法和浓度比拟法三种。分别给出了各种方法的相似律或相似准则及其应用的约束条件,并从原理上定性比较这三种方法的优缺点。分析表明,热缩比模型法在保持Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数不变的前提下可明显减弱自然对流的影响,但这种方法不能用于工程原型;降压法可用工程原型进行模拟试验,但不能用于液体流动问题;然而这两种方法的共同缺点是都不能完全消除自然对流;浓度比拟法理论上可以完全消除自然对流,但约束条件多,工程实现困难。     

一种低能量远焦距电子枪技术

针对可移动非接触式月球表面电位探测器的电位无扰动测量单元对低能远焦电子束的需求，设计了低能远焦电子枪。以平板二极管电子枪为电子源，匹配两个静电聚焦透镜，将电子源引出的发散电子束聚焦为需要的形状，并加速至所需能量。优化电子枪的几何参数以及施加在电极上的电位，电子枪引出的电子束能量在5～500 eV内，并且具有良好的电子光路特性。电子束能量为5 eV时，初始半径r为5 mm，束腰至电子枪出口的距离p约为133 mm。随着能量增加，r逐渐减小至500 eV时的3 mm左右，p逐渐减小至105 mm。电子束经月球表面电场反射被电子收集平极接收，仿真数据和理论分析结果均表明，电子枪的工作距离为400～600 mm，平板接收的电子占发射电子比例在96%以上。电子枪结构质量仅408 g，满足探测器对电子枪的质量需求。     

控制力矩陀螺轴承组件摩擦力矩特性研究

控制力矩陀螺轴承组件是空间飞行器姿态控制系统的核心部件,其轴承的性能直接影响着空间飞行器姿态控制系统的控制精度和使用寿命,甚至危及空间飞行器安全.对于控制力矩陀螺轴承组件,轴承摩擦力矩大小及其波动性是轴承的关键性能指标,针对空间飞行器控制力矩陀螺轴承组件,在滚动轴承摩擦学和动力学基础上,建立六自由度控制力矩陀螺轴承组件非线性动力学微分方程组,并采用预估 校正的GSTIFF(Gear stiff)变步长积分算法进行求解,对其在有/无重力的工作环境、公 自转工况、轴承预紧力以及保持架兜孔间隙对轴承摩擦力矩幅值及其波动性的影响进行分析.分析结果表明：预紧力对轴承组件摩擦力矩影响显著,预紧力过大或过小都不利于降低摩擦力矩及其波动性,对于本文分析的轴承组件最佳预紧力为50~55N;保持架稳定性受重力影响显著,无重力时自转工况下保持架较稳定;过小的兜孔间隙会使摩擦力矩增大,过大的兜孔间隙会使摩擦力矩波动性增大,存在最优兜孔间隙使得摩擦力矩及其波动性都较小,针对本文分析型号的轴承组件,间隙比应控制在0.6~0.8之间.     

The determination for ideal release point of test masses in drag-free satellites for the detection of gravitational waves

Gravitational waves are ripples in space–time predicted by Albert Einstein's general relativity and provide a new way to understand the universe. Space-borne detectors of gravitational waves, extending to very large scales, can effectively detect the middle and low-frequency gravitational wave source with the frequency band of 0.1 mHz–1 Hz. The test masses are used to make an inertial reference point in the detection of gravitational waves. Currently, there are few studies concerning the ideal release position for the test masses in the detection of gravitational waves. In this study, we give a general solution for test mass release points to minimize the relative motion between the test mass and the satellite mass center. Moreover, we discuss the situation when the release point equation is not satisfied, and the ideal release point of the along-track. Finally, we report on simulations that verify the accuracy of the theoretical derivation.     

Prediction of the LISA-Pathfinder release mechanism in-flight performance

In the LISA Pathfinder mission, the grabbing positioning and release mechanism will perform a critical phase, which is the injection of a test mass into a perfect free-fall condition (also called geodesic trajectory). A possible failure is the test mass remaining adhered to the mechanism or released with an excessive velocity, which would hinder the subsequent capacitive control to the desired geodesic status.     

Validation of a Compression Mass Gauge using ground tests for liquid propellant mass measurements

To properly estimate orbital lifetimes and predict the maneuverability of spacecraft, the remaining liquid propellant mass must be accurately known at every moment of a space mission. This paper studies the Compression Mass Gauge (CMG) method to determine the mass of liquid contained in a tank in a low-gravity environment with high accuracy. CMG is a thermodynamic method used to determine the quantity of liquid by measuring the gas pressure change when the tank volume changes, and has been previously theoretically and experimentally studied by researchers. The primary objective of this investigation is to explore the effects of attitude disturbance and the spacecraft thermal environment on the accuracy of the method. A ground test system, consisting of several test apparatuses, was fabricated and described as part of this study. The test results and analyses indicate that the CMG performs well and has an accuracy of ±1%. Additionally, demonstrations were performed to show that measurement errors do not increase drastically or exceed ±1% when the test system is vibrated to simulate the tank being perturbed as a result of an attitude disturbance. Liquid sloshing resonance was found to have a significant effect on the gauging accuracy. Measurements in a real thermal environment in which heat transfers into and out of the propellant tank were also conducted. The results show that the gauging accuracy is acceptable for normal liquid propellant. Furthermore, theoretical research shows that heat leakage has a significant influence on cryogenic propellant mass gauging.