The possibilities of polar meteorology,environmental remote sensing,communications and space weather applications from Artificial Lagrange Orbit

The ability to observe meteorological events in the polar regions of the Earth from satellite celebrated an anniversary, with the launch of TIROS-I in a pseudo-polar orbit on 1 April 1960. Yet, after 50 years, polar orbiting satellites are still the best view of the polar regions of the Earth. The luxuries of geostationary satellite orbit including rapid scan operations, feature tracking, and atmospheric motion vectors (or cloud drift winds), are enjoyed only by the middle and tropical latitudes or perhaps only cover the deep polar regions in the case of satellite derived winds from polar orbit. The prospect of a solar sailing satellite system in an Artificial Lagrange Orbit (ALO, also known as “pole sitters”) offers the opportunity for polar environmental remote sensing, communications, forecasting and space weather monitoring. While there are other orbital possibilities to achieve this goal, an ALO satellite system offers one of the best analogs to the geostationary satellite system for routine polar latitude observations.     

基于雷达散射截面约束的气动优化设计

采用拉格朗日乘子法优化设计了雷达散射截面约束条件下的锥形融合气动外形.拉格朗日乘子法中的极小化问题采用动态演化的优化设计方法求解.该方法是一种基于非定常演化的优化设计方法,即在求解非定常流动支配方程的时候同时履行优化过程,较其它基于定常解的优化方法具有高得多的计算效率.其中的雷达散射截面通过求解非结构的笛卡儿网格上的时域麦克斯韦方程来得到,而升阻比则通过求解锥形流方程来计算.通过优化设计,得到了M∞=8.0时,升阻比为4.98,雷达散射截面只有1.66m2的锥形融合气动外形.     

KdV方程的数值解及数值模拟

文章在已构造的一种分片光滑的Lagrange型插值多项式空间中利用Galerkin法对非线性KdV方程进行求解。分析了数值格式的线性稳定性并进行了数值模拟,结果表明格式精确有效。     

空间平台发射拦截器动力学与最优脉冲拦截

研究了空间平台发射拦截器的两体耦合动力学,以及拦截器拦截目标星的最优脉冲控制问题。平台首先与目标星形成绕飞关系,保持其发射筒轴线始终瞄准目标星。接到发射指令后,拦截器从发射筒中射出,本文采用拉格朗日第二类方程建立了发射过程平台-拦截器两体动力学模型。因为两体耦合影响,平台姿态偏转,拦截器出筒时的速度已经不能瞄准目标星。通过小型火箭发动机给其施加速度脉冲,使其进入拦截轨道,保证拦截的同时,将脉冲速度最小化以节省燃料,本文将其归结为一个非线性规划问题,采用三级优化的策略来求解。在拦截飞行时间相较于平台绕飞目标星的周期是小量的条件下,可以视绕飞平均角速度为小参数,采用正则摄动方法求出非线性规划的一阶近似解,然后以此为迭代初值,寻找最优真解。最后进行了数值仿真验证。     

“嫦娥二号”卫星L2点角动量管理

对“嫦娥二号”(CE-2)卫星进入环绕日地拉格朗日L2点的李萨如轨道后卫星喷气卸载所产生的影响进行了研究.提出了一种利用光压力矩辅助卫星太阳电池翼角度调整进行角动量管理的方法.在轨试验表明,太阳光压强度足够对飞行在L2点环绕轨道上的CE-2卫星进行角动量管理,可以大幅度减少动量轮在轨喷气卸载的次数,有利于CE-2卫星的轨道维持.     

Spacecraft survivability in the natural debris environment near the stable Earth-Moon Lagrange points

The theoretical analysis of the motion of natural space debris near the stable Earth-Moon Lagrange Points, $L_4$ and $L_5$, is presented with a focus on the potential debris risks to spacecraft operating near these points. Specifically, the research formulates a debris propagation model using four-body dynamics, then applies candidate probabilistic survivability models to a notional spacecraft operating at the $L_4$ and $L_5$ Lagrange points to quantify the collision risks to the spacecraft from natural debris particles. Of the survivability models implemented, the natural debris collision risks to spacecraft survivability are found to be incredibly low, but mitigation strategies to reduce the risk further are identified in this study. Overall, research into stable Lagrange point natural debris propagation improves understanding of the collision risks posed by the naturally occurring Kordylewski clouds and enhances operational planning for Lagrange point space missions.     

考虑摩擦的空间抓捕过程碰撞动力学分析与控制

目前针对空间抓捕中的碰撞进行建模的方法中很少考虑摩擦因素。然而,摩擦作为碰撞过程中不可避免的现象,对碰撞动力学响应及整个空间抓捕任务有着不容忽视的影响。文章结合库伦摩擦理论和拉格朗日乘子法,建立了同时兼顾滑动和粘滞状态的摩擦模型,然后将求解到的摩擦力与碰撞力进行矢量合成,作为对碰撞模型的修正。另外,针对碰撞过程对机器人姿态产生的干扰,利用反 馈线性化设计了解耦控制器对基座姿态漂移进行稳定控制。数值仿真采用一个平面2灢DOF空间机器人,利用动量和动量矩守恒定理验证了动力学模型的正确性,同时基座姿态控制结果收敛说明了控制器的有效性。     

直升机缆位系统建模与仿真

针对直升机绞车收放时缆位保持问题,建立了负载出水回收进舱阶段缆位的动力学模型。由于浮力与洋流作用突然消失,负载出水后发生摆动,将负载的摆动作为带有理想约束的质点系动力学系统,采用拉格朗日方程建立动力学模型。考虑直升机悬停提升的情况进行仿真,仿真结果表明建立的数学模型能够较好的模拟负载摆动时的缆位变化。     

一种基于改进WLBF频谱的异构双基地前视SAR成像算法

异构平台组成的双基地前视合成孔径雷达（SAR）配置灵活,可实现多种构型下的前视成像,具有潜在的应用价值。然而特殊的几何构型使得其回波信号具有新的特性,给频谱模型的推导及成像算法的设计带来不便。针对这一问题,提出了一种基于改进WLBF （Weighted Loffeld's Bistatic Formula）频谱的双基地前视SAR成像算法。首先,引入时域去走动和切比雪夫降阶法,减小了传统频谱模型中相位历程的加权分割误差和二阶展开误差,在此基础上推导了回波信号的改进WLBF频谱表达式。然后,使用切比雪夫多项式将改进WLBF频谱展开并设计了双基地前视SAR成像算法。最后,对频谱模型和成像算法进行了仿真分析。结果表明所提改进WLBF频谱模型与传统频谱模型相比具有较高的精确度,设计的成像算法可满足异构双基地大前视系统的成像要求。     

三支点柔性转子系统支承不同心激励特征及振动响应分析

针对航空发动机三支点柔性转子系统的支承不同心问题,充分考虑转子结构特征和载荷特征,首次将当量刚度引入多支点柔性转子不同心问题的动力学分析,定量描述转子系统各支承间不同心度带来的转子轴段刚度非线性,并提出了多跨度柔性转子系统支承不同心激励的数学描述,建立了不同心激励下多跨度柔性转子系统的力学模型。基于Lagrange能量法,给出了转子系统动力学方程的求解方法,研究得到了支承不同心转子系统的动力响应特征。结果表明:支承不同心不仅引起转子过渡轴的刚度非线性,产生2倍频激励,还会给转子系统带来附加不平衡激励;对于三支点柔性转子系统而言,2倍频分量同样是支承不同心下转子系统振动响应的典型特征之一。转子系统2倍频分量随不同心量的增加而迅速增加,而1倍频分量基本保持不变。同时转子振动响应呈现"缓增速降"趋势,且随非线性刚度、不平衡量的增大愈加明显。