Formation flying for magnetic sails around artificial equilibrium points

This paper investigates the problem of magnetic sail-based spacecraft formation control around the artificial equilibrium points (AEPs), which can eliminate the requirement of the propellant. The thrusts are achieved by utilizing the interaction between the solar wind and the artificial magnetosphere generated by superconducting current coil onboard. The circular restricted three-body problem (CRTBP) of magnetic sail is discussed including the allowed regions and linear stability of AEPs, the locations of collinear AEPs and the possibility of existence of periodic orbits around the collinear AEPs. Next, the dynamical models of magnetic sail formation around the collinear AEPs are established. A novel fast fixed-time nonsingular terminal sliding mode controller (FFNTSM) based on fixed-time disturbance observer (FTDO) is developed to account for external disturbances. Several numerical simulations are conducted to substantiate that spacecraft formation can be precisely controlled by the proposed propellantless propulsion method in the presence of external disturbances.     

带座舱飞船高超声速再入非平衡流场的数值研究

本文针对带座舱飞船高超声速再入大气层过程中存在的严重气动加热现象 ,利用简单隐式TVD差分格式和激波捕捉法 ,数值求解三维化学非平衡Navier Stokes方程 ,其中化学模型是 7组分 1 5个化学反应的空气化学模型 ,对带座舱飞船再入高度为 70km和速度为6 7km/s的化学非平衡流场进行了数值模拟 ,给出了带座舱飞船再入迎角为 0°,1 0°和 2 0°情况下的壁面热流、表面压力和电子数密度等参数分布     

横向激励下液体大幅晃动建模分析

研究部分充液球形贮箱内的液体在横向推力作用下发生大幅晃动的等效力学模型,建模过程同时考虑平动和转动激励。建立一种新的等效模型,首次提出液体的静平衡表面垂直于等效重力方向的假设,将液体的大幅运动分解为跟随等效重力的整体运动和在此基础上的小幅晃动,该等效模型能够更好地模拟液体大幅晃动情形。将仿真得到的晃动力和力矩与传统等效模型及Flow-3d的结果进行对比,验证了新模型的有效性和准确性。该模型可应用于探月软着陆悬停避障过程等实际工程问题中。     

飞机燃油箱气相空间平衡氧浓度理论研究

油箱上部空间平衡氧浓度的确定是设计机载油箱惰性化系统的基础。采用微元段计算方法,在考虑载油量、压力随飞行高度变化、燃油温度和燃油蒸汽压的情况下,建立了油箱上部气相空间平衡氧浓度的数学模型。首先将模型计算结果与文献公布的数据进行了比较,验证了模型的正确性。然后分析了不同因素对平衡氧浓度的影响。研究结果表明:不同燃油的氧氮溶解特性会对平衡氧浓度造成直接影响;平衡氧浓度与载油量有关,且不呈线性关系;燃油温度增加后,平衡氧浓度下降;此外,随着飞行高度增加,由于气相空间总压和氧氮分压下降,燃油的蒸汽压对平衡氧浓度的影响也越大。研究结果将为惰性化气体流量的估算和设计提供一定的理论基础。     

Boundary of nighttime ozone chemical equilibrium in the mesopause region: Improved criterion of determining the boundary from satellite data

A modified derivation of the criterion of nighttime ozone chemical equilibrium (NOCE) in the mesopause region is presented. According to 3D model calculations, the improved criterion reproduces the lower boundary of the equilibrium much better than its earlier version. Processing of the SABER/TIMED data of 2021 has shown that the modified criterion elevates the NOCE boundary by ～ 0.1–1.7 km, depending on latitude and season. The proposed method of determining the condition of chemical equilibrium can be used to analyse the equilibrium of many trace gases in the stratosphere and troposphere important for different practical applications.     

高超声速机动目标天基跟踪鲁棒性滤波方法

为解决高超声速滑翔飞行器(HGV)机动飞行过程中的跟踪问题,提出了一种基于机动观测器补偿的鲁棒扩展卡尔曼滤波方法。针对传统卡尔曼滤波器由于模型误差而无法稳定跟踪的问题,首先建立了HGV动力学模型和天基红外测量模型;随后,设计机动观测器对未知气动加速度进行在线估计;在此基础上,利用机动估计对扩展卡尔曼滤波中的预测步骤进行修正,克服了因模型误差而导致的滤波发散问题;最后,考虑到机动观测器的时延误差,在扩展卡尔曼滤波迭代过程中引入次优渐消因子,提高了滤波跟踪的鲁棒性。与强跟踪滤波、扩维卡尔曼滤波、交互多模型滤波等典型跟踪方法相比,所提方法可在不具备目标机动先验信息的情况下,以较低的计算耗时取得良好的稳定性和跟踪精度。     

状态方程对煤油液滴高压蒸发计算的影响

分别基于RK、SRK和PR等不同真实流体状态方程(EoS)建立了包含亚临界和超临界两种不同机制的瞬态液滴高压蒸发模型。针对我国新一代高压补燃液氧/煤油发动机,对煤油液滴在高压N 2 环境下的蒸发过程进行数值研究,重点分析了不同状态方程对N 2 -C 12 H 26 二元系统高压气液相平衡,及进一步对煤油液滴高压蒸发计算的影响。结果表明：对液滴蒸发速率影响最大的参数是液滴表面蒸气质量分数,而对该参数影响最大的则是所选取的状态方程。基于SRK和PR EoSs的高压气液相平衡及液滴高压蒸发计算结果均与试验数据符合较好,可正确描述液滴高压蒸发特性;而基于RK EoS的相平衡计算结果显著高估液滴表面蒸气质量分数和环境气体溶解度,并低估临界混合温度和偏摩尔相变热,进而在亚临界蒸发状态下高估蒸发速率,在超临界蒸发状态下低估蒸发速率。另外,基于RK EoS的计算中液滴发生跨临界转变所需的环境温度显著低于基于SRK和PR EoSs的。     

PR方程推算氮气/灭火剂蒸气等熵指数

氮气(N2)/灭火剂蒸气组成的混合气体的容积等熵指数和温度等熵指数随充填压力和温度的变化关系是影响机载灭火系统灭火剂释放过程的重要因素。基于PR(Peng Robinson)方程和范德瓦尔混合规则,编制了N2/灭火剂混合气体的容积等熵指数和温度等熵指数的计算程序,计算了三组混合气体N2/HFC227ea、N2/CF3I和N2/CF3Br充填压力分别为42MPa和25MPa,初始温度为293K时等熵指数随温度的变化曲线。结果表明:它们的容积等熵指数和温度等熵指数随着温度的升高而逐渐下降,呈近似线性关系。在相同温度下,充填压力为42MPa时的三组混合物的容积等熵指数和温度等熵指数均高于充填压力25MPa时的结果。在相同的充填压力和温度下,N2/CF3I的等熵指数最大,其次为N2/HFC227ea和N2/CF3Br的最小。      

叶片掠对跨声转子进口流动的影响

选择NASA Rotor 37跨声转子作为原型叶片,在叶片90%展高以上通过移动叶型基元的弦向位置构造叶尖掠特征,共有包括原型转子、2个前掠转子和2个后掠转子等5种不同叶型几何的算例.利用数值模拟软件计算得到5种转子的总体特性并获得三维流场.结果表明:叶尖前掠减小了叶片尖部进口的平均攻角,而后掠则使攻角增大.引入周向平均无黏动量方程,计算出由周向平均所产生的周向不均匀源项及径向平衡方程的各项数值,并对比其在5个转子进口的分布规律及其与攻角变化之间的关联.通过改变进口的流动平衡,叶尖前掠使轴向速度增大、周向速度减小,进而使得攻角减小;后掠则在叶尖起到了相反的效应.采用这种准三维方法研究了叶片掠对叶片进口流场的影响.      

斜切径向旋流燃烧室主燃区光学测量与特性分析

针对斜切径向旋流环形燃烧室模型,采用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)、相干反斯托克斯喇曼光谱(CARS)光学测量手段,在模化状态(Case 2)下,对燃烧室主燃区进行温度测量,分别得到了主燃区内12个点的温度和沿两条路径的积分温度.使用Fluent 12.0对Case 2进行数值模拟,分别使用两种非预混燃烧模型:平衡化学反应模型(EM)和稳态层流小火焰(SLF)模型.通过将两种不同燃烧模型的计算结果与TDLAS,CARS试验测量数据作对比验证,发现EM计算得到的温度更高,并与试验测量温度更符合,其中与CARS测量的误差小于6%.在试验验证的基础上,完成燃烧室在冷流状态(Case 1)下的计算,分析主燃区的气流组织和主燃孔射流对回流区的影响;利用EM计算分析燃烧室主燃区在全压状态(Case 3)下燃料分布、温度场、组分分布和性能参数,如燃烧室的燃烧效率为0.97、出口温度分布系数为0.312等,较为全面反映了燃烧室内气流流动换热和燃烧现象.