基于最优估计法的瑞利激光雷达反演大气温度研究

基于瑞利激光雷达的回波光子信号对中层大气进行探测，结合最优估计法，对大气温度进行反演。本文基于瑞利散射激光雷达方程建立正向模型，选择大气模型的温度廓线作为先验状态信息，构建用于最优化处理的成本函数，利用Levenberg-Marquardt最优化算法对成本函数执行最优化处理，得到大气温度的反演结果，对反演结果的不确定度分析的同时利用平均核矩阵对反演结果中真实信息的贡献进行评估。利用瑞利激光雷达方程产生的模拟回波信号进行了大气温度的反演处理与分析，对中国科学院国家空间中心提供的瑞利激光雷达实测数据进行大气温度的最优估计反演。结果表明，90 km以下的反演不确定度在10 K以内，且相较于CH方法，最优估计法具有反演有效范围高的优势；在回波光子信噪比较高的区域，反演不确定度较小，且真实信息对反演结果的贡献占主导地位。     

大气等离子体处理对三元乙丙绝热层表面性能的影响

为解决三元乙丙(EPDM)绝热层机械打磨效率低、噪音大、粉尘多，以及溶剂清洗带来的安全、操作人员的健康等问题，探究大气等离子体处理技术取代机械打磨的可行性。运用大气等离子体对EPDM绝热层进行表面处理，通过傅里叶红外光谱、扫描电子显微镜-能量色散谱仪、表面能测量仪对处理前后EPDM绝热层表面形貌、化学元素组成和表面润湿性进行表征，采用万能材料试验机对处理前后EPDM绝热层和衬层的界面粘接性能进行测试。实验结果表明，等离子体处理后的EPDM绝热层表面新增含氧基团，表面氧元素含量增加，表面形貌更加均匀，表面能由25.43 mN/m升高到43.06 mN/m, EPDM绝热层/衬层的界面粘接强度由1.89 MPa提高到2.16 MPa,证明了大气等离子体处理技术取代机械打磨具有可行性。     

超低轨卫星的空间环境特性及其力学与热学关键问题研究进展

超低轨道飞行器在遥感、科学研究等领域具有广泛的应用需求，已成为研究热点之一。由于超低轨的特殊空间环境限制，超低轨道飞行器需要面临和解决很多技术难点，主要集中在大气环境预测、气动力、气动热等方面。本文针对典型超低轨飞行器任务，研究了主要的大气模型及反演方法，并对模型数据进行了比对。结合多种气动被动稳定的案例，阐述了气动力计算的方法及气动结构设计的重要影响。介绍了气动设计及在气动干扰下的稳定控制方法，阐述了超低轨卫星的气动热环境、仿真算法以及多种防热复合材料及其应用场景。详细分析了针对超低轨卫星的防热散热可变切换技术，并简要评述了各个方案的优缺点。研究结果有助于推动超低轨道卫星关键技术攻关和试验验证，将超低轨飞行器从试验任务尽快转向空间应用任务。     

基于自主软件LSWS的典型地形大气CFD模式研究与应用

基于我国典型地形风资源评估、风电场微观选址及风电预测等的发展要求，根据风场实测数据，提出了两种风廓线模型：一种是利用实测数据修正的Gryning风廓线模型，另一种是结合分段函数及理论公式拟合的风廓线模型。考虑大气热效应、地转效应等大气效应，结合改进的雷诺时均k-ε两方程湍流模型，建立了能够模拟不同大气稳定度的典型地形大气CFD模式，开发了自主可控的风场CFD模拟软件LSWS(large scale wind simulation)。以锡林浩特平坦草原地形和山西丘陵地形的风场为例，比较了自主软件LSWS和商业软件Fluent的模拟精度。模拟结果显示：对于锡林浩特平坦草原地形风场，两个软件模拟结果与实测数据总体吻合良好；在稳定大气状态下，LSWS的计算精度较Fluent最大提升6.33%；在模拟山西丘陵地形时，LSWS的计算精度明显高于Fluent，特别是绕山脊的山后流场模拟更加合理，LSWS计算精度较Fluent最多提升40%以上。     

基于上层大气数值模型的X射线传输特性

核爆炸的大部分能量是以X射线形式释放的，研究X射线辐射特性对于天基核爆事件监测，当量反演都具有一定参考价值。根据核爆炸X射线能谱特性，构建了黑体辐射模型；根据NRLMSIS大气模型成分数据和高度密度数据，构建大气分层数值模型，并结合NIST数据库，构建分层大气质量吸收系数模型，提高了大气模型与大气质量吸收系数模型准确度。使用数值模拟程序对X射线在大气中的传输特性进行研究，模拟在临近空间高度核爆炸产生的X射线经过大气吸收后的能谱特性以及不同海拔高度点位的能注量。结果表明，在检测点高度恒定的情况下，斜径角变小会增大X射线传输路径，X射线经过的大气吸收路径越长，能谱峰值越往高能处偏移。在相同高度下，爆炸点的正上方处能注量最大，其他位置随着斜径角减小能注量呈指数级衰减。     

大气激光雷达热控设计与验证

大气激光雷达(ACDL)的构型复杂，周围热环境恶劣，激光器的散热及光学部件的温度控制是主要难点。利用热仿真软件对激光雷达进行了典型工况的热仿真分析，得到各主要部件温度分布情况:激光器底部的温度波动<0.5 ℃;接收望远镜主镜能够控制在20 ℃，温度波动0.1 ℃/轨。同时将热平衡试验结果及在轨飞行数据进行了比对，试验结果能够较好地包络在轨情况，验证了热设计的合理性及试验测试的覆盖性。     

磁静日电离层电势分布的形态学研究

利用理论模式GCITEM，在国际地磁参考场（IGRF）下，模拟了地磁平静条件下的电离层发电机主导的中低纬电离层电势分布，研究了太阳活动、季节、世界时和低层大气潮汐对电离层电势的调节作用。结果表明，各种条件下中低纬电势全局分布基本一致，都具有两个正电势峰值（源）和一个负电荷峰值（汇）；电势分布存在明显的季节和世界时差异；中低纬电离层电势峰值差随着太阳活动的增强明显增加，并在一定太阳活动高值后趋于饱和；周日迁移潮主要影响赤道地区，导致电势峰值差增加，而半周日迁移潮主要影响中纬度地区，导致电势峰值差减小。     

基于广义Burgers方程的声爆传播特性大气湍流影响

声爆是发展超声速民机不可回避的关键问题之一。目前流行的声爆预测技术主要针对静止大气，对大气中的湍流扰动效应考虑不足，尚未建立高效高逼真度的预测方法。基于广义Burgers方程的远场声爆预测方法，通过与射线法相结合，建立了一套可考虑热黏性吸收、分子弛豫等物理效应的大气湍流声爆影响快速预测方法，并采用该方法开展了大气湍流强度和大气边界层厚度对典型远程超声速民机的声爆特性影响规律研究。计算结果表明：建立的预测方法能够合理表征热黏性吸收、分子弛豫等大气物理效应，相比前期基于波形参数法框架的预测方法，能够更加真实地反映大气湍流对声爆传播特性的影响；相比于前期的典型超声速公务机，采用的远程超声速民机声爆波形更加复杂，该预测方法仍能给出复杂波系的大气湍流影响规律；随着湍流强度和边界层厚度的增加，大气湍流效应对声爆特性产生的随机性影响呈增强趋势；同时，声爆在地面到达点的位置也呈现出更加分散的趋势，其可能会改变声爆毯对地面的影响范围，应在飞行轨迹规划中予以考虑。     

残余应力超声测量技术影响因素研究

针对大型空间站寿命和质量进一步提高带来的残余应力精确测量问题，开展了影响残余应力测量准确性的因素和校正方法研究，在对温度、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等原因分析的基础上，对主要影响因素引起的测量误差进行试验测定。试验结果表明：温度变化、工件表面粗糙度、换能器耦合状态等因素都可能引起较大的测量偏差，需引入温度补偿系数、表面粗糙度试块校正、优选耦合剂等修正与控制方法；有效控制影响因素，能够提高超声波检测残余应力的精准度，减小测量误差。该研究可为超声波残余应力测试技术在航天器舱体结构的应用发展提供技术参考。     

大气环境监测卫星紫外高光谱大气成分探测仪技术发展及应用

大气环境监测卫星是我国民用空间基础设施中长期发展规划中的科研卫星。本文介绍了搭载于该卫星的新一代紫外高光谱大气成分探测仪，通过发展紫外高光谱大幅宽高分辨超光谱成像技术，使紫外谱段高光谱大气观测空间分辨率提升一倍，大幅提升气态污染物监测能力，取得良好的应用效果。