The Supermassive Black Hole—Galaxy Connection

The observed scaling relations imply that supermassive black holes (SMBH) and their host galaxies evolve together. Near-Eddington winds from the SMBH accretion discs explain many aspects of this connection. The wind Eddington factor \(\dot{m}\) should be in the range ～1–30. A factor \(\dot{m}\sim 1\) give black hole winds with velocities v～0.1c, observable in X-rays, just as seen in the most extreme ultrafast outflows (UFOs). Higher Eddington factors predict slower and less ionized winds, observable in the UV, as in BAL QSOs. In all cases the wind must shock against the host interstellar gas and it is plausible that these shocks should cool efficiently. There is detailed observational evidence for this in some UFOs. The wind sweeps up the interstellar gas into a thin shell and propels it outwards. For SMBH masses below a certain critical (M–σ) value, all these outflows eventually stall and fall back, as the Eddington thrust of the wind is too weak to drive the gas to large radii. But once the SMBH mass reaches the critical M–σ value the global character of the outflow changes completely. The wind shock is no longer efficiently cooled, and the resulting thermal expansion drives the interstellar gas far from the black hole, which is unlikely to grow significantly further. Simple estimates of the maximum stellar bulge mass M _b allowed by self-limited star formation show that the SMBH mass is typically about 10^?3 M _b at this point, in line with observation. The expansion-driven outflow reaches speeds v _out?1200 km?s^?1 and drives rates \(\dot{M}_{\mathrm{out}}\sim 4000~\mathrm {M}_{\odot }\,\mathrm{yr}^{-1}\) in cool (molecular) gas, giving a typical outflow mechanical energy L _mech?0.05L _Edd, where L _Edd is the Eddington luminosity of the central SMBH. This is again in line with observation. These massive outflows may be what makes galaxies become red and dead, and can have several other potentially observable effects. In particular they have the right properties to enrich the intergalactic gas with metals. Our current picture of SMBH-galaxy coevolution is still incomplete, as there is no predictive theory of how the hole accretes gas from its surroundings. Recent progress in understanding how large-scale discs of gas can partially cancel angular momentum and promote dynamical infall offers a possible way forward.     

Measuring Black Hole Spin Using X-Ray Reflection Spectroscopy

I review the current status of X-ray reflection (a.k.a. broad iron line) based black hole spin measurements. This is a powerful technique that allows us to measure robust black hole spins across the mass range, from the stellar-mass black holes in X-ray binaries to the supermassive black holes in active galactic nuclei. After describing the basic assumptions of this approach, I lay out the detailed methodology focusing on “best practices” that have been found necessary to obtain robust results. Reflecting my own biases, this review is slanted towards a discussion of supermassive black hole (SMBH) spin in active galactic nuclei (AGN). Pulling together all of the available XMM-Newton and Suzaku results from the literature that satisfy objective quality control criteria, it is clear that a large fraction of SMBHs are rapidly-spinning, although there are tentative hints of a more slowly spinning population at high (M>5×10⁷ M _⊙) and low (M<2×10⁶ M _⊙) mass. I also engage in a brief review of the spins of stellar-mass black holes in X-ray binaries. In general, reflection-based and continuum-fitting based spin measures are in agreement, although there remain two objects (GRO J1655–40 and 4U 1543–475) for which that is not true. I end this review by discussing the exciting frontier of relativistic reverberation, particularly the discovery of broad iron line reverberation in XMM-Newton data for the Seyfert galaxies NGC 4151, NGC 7314 and MCG–5-23-16. As well as confirming the basic paradigm of relativistic disk reflection, this detection of reverberation demonstrates that future large-area X-ray observatories such as LOFT will make tremendous progress in studies of strong gravity using relativistic reverberation in AGN.     

大规模UAV编队信息交互拓扑的分级分布式生成

UAV编队信息交互拓扑的优化设计是保证UAV编队安全性和任务执行高效性的重要基础。目前队形保持下UAV编队信息交互拓扑生成算法局限于小规模编队,且优化目标单一。针对这一问题,采用了分级分簇结构扩展信息交互拓扑层级,以满足大规模场景,同时以提高编队续航能力和减少编队总通信代价为组合优化目标,提出了基于最小树形图的分级分布式领航-跟随者编队信息交互拓扑生成算法,并通过OMNeT++进行了仿真验证。实验结果表明在考虑位置误差传递迭代时,分级分布式领航-跟随者编队的总通信代价明显低于传统领航-跟随者编队,且通过周期性更新簇首,网络能耗更加均衡,提高了编队续航能力;在80架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.3 s内求解完成,相比于传统领航-跟随者编队算法,求解效率提高了约2.5倍;在100架UAV编队规模下,分级分布式领航-跟随者编队生成算法能够在0.4 s内求解完成,而传统领航-跟随者编队由于位置误差的传递迭代已不能保持原有队形。     

无人机近距编队飞行建模与仿真

无人机编队飞行有着单架无人机无法比拟的优点,但属于较新的研究领域。从无人机未来发展需求出发,根据近距编队的特点,提出了一种近距编队控制方法,并以双机近距编队为基础对控制律设计和算法实现进行了研究。通过建立僚机旋转参考系下的双机编队相对运动模型,同时考虑长机翼尖涡对僚机产生的气动耦合效应,基于PI控制设计了一种无人机近距编队飞行控制器,通过仿真验证和比较分析,证明僚机可以很好地跟随长机的机动保持编队构型,验证了提出的编队飞行控制方法的可行性和有效性。     

面向时间协同的多无人机队形变换最优效率模型

针对无人机（UAV）的编队集结、编队保持和编队重构等队形变换问题,从航迹规划的角度提出了一种面向时间协同的多无人机队形变换模型。在时间协同的条件下,选择队形变换的能源消耗与完成时间作为效率衡量指标,对编队集结、编队保持和编队重构进行规划,给出队形变换的最优空间位置。首先,分析了指定队形、无指定位置的编队集结问题,然后,将编队保持问题视为编队整体运动,最后,利用运动分解将编队重构问题分解为编队集结和编队整体运动。基于编队集结、编队保持和编队重构的不同特点,给出了这些具体队形变换下的最优效率计算公式,并进行了仿真实验,实验结果表明本模型可以实现预期的最优效率队形变换。     

多无人机编队队形保持优化控制仿真研究

采用多无人机编队保持队形的优化控制可以通过调节较少参数使各无人机能够精确跟踪领航无人机,达到稳定编队队形的目的。以简化的自动驾驶仪模型作为编队保持控制系统的内回路,基于以长机为参考的旋转坐标系建立相对运动学模型,采用全局渐近稳定控制方法设计了多无人机编队保持控制器。经过仿真验证,该控制器实现了长机在三维空间机动飞行时僚机能够迅速跟踪长机并保持编队队形的稳定,且响应速度和跟踪精度较为理想。仿真结果表明,该控制器能够实现多无人机编队队形在三维空间下的保持。     

基于自组网策略的多机编队与防撞任务研究

近年来多旋翼无人机编队飞行技术取得了巨大的突破,将无人机技术与自组网技术相结合将会促进无人机集群技术的发展。为了促进无人机编队飞行技术的发展,以5架六旋翼无人机为研究对象,重点研究了基于自组网策略的多旋翼无人机队形组成、队形保持、队形重构以及飞行过程中的避碰策略,设计了数据闭环的地面编队控制软件并进行试飞验证。测试结果表明,该数据闭环地面编队控制软件稳定可靠,实现了编队队形组成、保持、重构以及在队形变换过程中的机间避碰等功能,对多旋翼无人机编队飞行工程化实现具有一定的参考价值。     

无人机自由编队飞行的补偿模糊神经网络控制

为了克服当前提出的无人机编队飞行的不足，提出一种新的无人机编队飞行概念——自由编队飞行，制定了相关的避让规则，用补偿模糊神经网络进行训练，实现自由编队飞行的补偿模糊神经网络控制。仿真显示，编队飞行的飞机能按照规则自主改变航路进行避让，表明了该方法的有效性。     

基于相对方位信息和单间距测量的多智能体编队协同控制

由多个载体组成的多智能体系统对复杂环境具有更高的适应性,能够完成传统单个载体无法完成的任务。针对多智能体编队集结与队形移动跟踪问题,提出了一种改进的多智能体编队协同控制新算法。首先,以拒止环境下跟随智能体仅能通过光学传感器测量相对方位信息为任务背景,针对"领导者——第一跟随者"结构的多智能体编队,提出了基于相对方位信息与单间距测量的控制器,使得第一跟随者智能体可以追随移动的领导者智能体,并且可以通过改变与领导者智能体的间距对编队整体队形进行缩放控制。其次,提出一种了改进的分布式控制律,使得其他跟随者智能体可以仅通过两个相对方位信息完成编队飞行。然后,根据Lyapunov第二方法,构建了系统的能量函数,验证了所提出算法的稳定性。最后,通过数值仿真实验对所提算法进行了验证。仿真结果表明,基于该控制律多智能体系统能够完成编队集结、队形缩放和编队飞行的任务。     

基于势函数的护卫队形控制

利用Multi—agent理论研究一类位置一速度模型的护卫队形控制问题。研究的问题中同时考虑队形实现和过程避碰两个因素,基于势函数方法给出了控制器设计．在设计的控制器作用下,编队中的护卫者能按指定队形护卫被护卫者,并保证在运动过程中编队成员间不发生碰撞。     

无人机近距离编队飞行模型建立及控制器设计

针对无人机编队飞行问题，提出了无人机近距离编队飞行的建模方法。采用全状态量反馈．同时将气动干扰作为非线性反馈，设计出一套适用于无人机近距离编队飞行的自动驾驶仪。通过仿真验证，表明此控制器能较好地稳定优化后的编队飞行结构，并具有良好的鲁棒性。     

编队卫星队形重构防碰撞最优轨迹规划

 针对编队卫星队形重构的轨迹规划问题,提出了直接配置混合整数线性规划(DCMILP)方法。首先将卫星编队飞行问题进行简化,整个过程使用线性化描述;继而将三阶Simpson方法扩展至编队卫星的队形重构过程中,将各卫星的状态量和控制量在各节点处离散化;然后根据目标函数及碰撞规避问题等各种约束条件,将整个过程转化为混合整数线性规划问题,从而可以找到该非凸问题的全局最优解。最后,通过对三维和二维两组编队卫星队形重构进行仿真,由结果可以看出,与传统方法相比该方法快速有效,能够满足实时性的要求,使得卫星编队的自主运行成为可能。     

均等通信时滞下多UAV协同编队控制

多无人机(UAV)系统编队控制中,时滞是无法回避的问题,研究时滞对多UAV编队形成和系统稳定性的影响,具有重要理论价值。重点研究均等通信时滞下多UAV协同编队控制问题,并获得系统的稳定性条件。首先,设计具有均等通信时滞的协同编队控制律,得到多UAV编队系统的闭环时滞状态方程;在恒定均等时滞下,考虑到系统模型不确定性,基于线性矩阵不等式(LMI)理论得到系统的时滞依赖稳定性条件;最后,进行仿真实验,结果表明多UAV编队系统是稳定的,期望的编队队形能够形成并保持。     

无人机编队支撑网络的协同通信中继策略

针对无人机编队支撑网络优化选择中继成员进而提高编队协同通信能力问题，基于端到端技术（Device-to-Device，D2D），提出了一种同时考虑无人机编队成员的邻近域及编队成员间的社会性依存关系来优化选择中继成员的中继策略，旨在既能保证无人机编队的基本通信能力，又能同时优化提高编队的吞吐量，从而进一步提升编队支撑网络的整体性能。研究结果表明，所提的无人机编队支撑网络中继成员优化选择策略在系统吞吐量方面较已有方法具有明显优势。     

基于信息一致性的无人机紧密编队集结控制

提出了基于信息一致性的分段式无人机紧密编队集结控制策略,将集结过程分为3步:参考集结点选取和目标集结点分配、形成松散编队以及形成紧密编队。首先,以线切入预定航线的方式计算参考集结点,按照松散编队队形展开生成目标集结点,并利用基于三维距离空间的优化选择算法,将目标集结点快速、准确地分配给每架无人机。然后,使用速度一致性实现向目标集结点定点集结和向松散编队伴航集结,通过非精确的航迹控制快速形成松散编队,提高编队集结的效率。接下来,启动速度、姿态一致性来实现编队最终的精确航迹控制,并逐步压缩编队队形进入紧密编队,避免发生碰撞,完成从松散编队到紧密编队的平稳过渡,同时准确地跟踪预定航线。使用协同修正方法抑制了测量误差、协同误差和通信延迟,提高了紧密编队的稳定性和控制精度。最后,基于MATLAB平台环境对所提三维集结控制策略进行了仿真,验证了其合理性与有效性。     

集群空间控制框架下的四旋翼编队飞行研究

针对四旋翼编队控制问题,采用水平通道与高度通道解耦的四旋翼动力学模型,基于集群空间控制方法设计了编队控制器。首先介绍了集群空间控制方法的两个重要概念,即集群空间变量和集群运动学关系,进而以3架四旋翼为例,详细地给出了集群空间编队控制器的设计思路。在选取集群变量并建立编队与单机的运动学关系后,设计了不完全微分PD控制器以产生集群控制指令。不完全微分PD控制与常规PD控制相比,前者抗高频干扰能力更强。最后通过仿真验证了该编队控制算法能够完成多架四旋翼的队形放大和队形保持任务,且具有较高的控制精度和较好的抗高频干扰能力。     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头焊核区域成型过程及影响因素

接头焊核区域的形成是搅拌摩擦焊接的一个典型特征,其形状和大小对搅拌摩擦焊接头的性能有重要影响。以AZ31镁合金为母材,分析不同焊接参数(包括焊接压力、焊接速度、搅拌头倾斜角)条件下搅拌摩擦焊接头焊核成型的规律及特点,并建立焊核成型过程的简单模型。分析认为焊接压力和搅拌头倾斜角是影响焊核成型的重要因素,而焊接压力决定塑性材料的形成。焊核的形状主要由塑性材料的流动状态决定,搅拌头的形状和焊接速度影响塑性材料的流动,从而影响焊核的成型。掌握FSW焊核成型规律,可以选择合理的工艺参数。     

航空直喷发动机缸内混合气形成的试验

基于航空活塞式基础样机的结构特点,自主研制了单缸低压直喷全透明光学发动机,并利用高速摄影对缸内混合气形成进行试验研究.分析了不同燃烧室形状、燃油启喷时刻以及发动机转速等条件下低压直喷发动机缸内的混合气形成规律.研究结果表明:新设计的偏心碗型活塞顶面能够有效地引导燃油喷雾形成向燃烧室顶部卷吸的运动,从而使得燃油液滴聚集在双侧火花塞附近;燃油喷射时刻对混合气形成影响很大,当进气门开度较小且活塞与上止点距离较为适中时喷射燃油,混合气形成质量最好;进气运动较强烈时,发动机转速提高会加速燃油液滴的蒸发,但同时活塞顶面对喷雾的引导作用被削弱,混合气形成质量变差;当进气运动变弱时,发动机转速提高会增强活塞顶面对油束的作用,即引导作用变强.      

基于Hill方程的编队初始化误差分析

Hill方程具有形式简单、方便编队队形设计和队形保持控制律的设计等优点.然而,由于Hill方程自身模型误差的存在,导致基于Hill方程初始化所建立的队形具有一定的误差.针对这个问题,基于保留二阶非线性项的、改进形式的Hill方程和考虑偏心率的Lawden方程,分别在非线性和偏心率的影响下,分析了初始化队形的长期漂移和相对运动误差问题,分别给出了针对非线性和偏心率影响的修正初始化相对速度,从而消除队形的长期漂移,修正或减小相对运动误差.最后通过数值仿真进行了验证.     

Atmospheric Ions and Aerosol Formation

This paper discusses atmospheric ions and their role in aerosol formation. Emphasis is placed upon the upper troposphere where very low temperatures tend to facilitate new particle formation by nucleation. New measurements addressed include: Laboratory measurements of cluster ions, aircraft measurements of ambient atmospheric ions, atmospheric measurements of the powerful nucleating gas H₂SO₄ and its gaseous precursor SO₂. The paper also discusses model simulations of aerosol formation and growth. It is concluded that in the upper troposphere new aerosol formation via ions is a frequent process with relatively large rates. However new particle formation by homogeneous nucleation which does not involve ions also seems to be efficient. The bottleneck in the formation of upper troposphere aerosol particles with sizes sufficiently large to be climate relevant is mostly not nucleation but sufficient growth of new and still very small particles. Our recent upper troposphere SO₂ measurements suggest that particle growth by gaseous sulphuric acid condensation can be efficient in certain circumstances. If so, cosmic ray mediated formation of CCN sized particles should at least occasionally be operative in the upper troposphere.