基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制研究

研究了基于大气阻力实时辨识的Drag-free卫星最优控制。将Drag-free卫星和其内部的验证质量等效为两颗内、外编队卫星并建立动力学方程,推导了基于卫星和验证质量的相对运动状态观测值反演大气阻力的算法。建立了状态最优调节器模型,采用动态规划求解经典的二次型最优控制。对低轨圆轨道Drag-free卫星的仿真计算结果表明方法的求解精度较高,计算消耗较小。     

Advanced ensemble modeling method for space object state prediction accounting for uncertainty in atmospheric density

For objects in the low Earth orbit region, uncertainty in atmospheric density estimation is an important source of orbit prediction error, which is critical for space traffic management activities such as the satellite conjunction analysis. This paper investigates the evolution of orbit error distribution in the presence of atmospheric density uncertainties, which are modeled using probabilistic machine learning techniques. The recently proposed “HASDM-ML,” “CHAMP-ML,” and “MSIS-UQ” machine learning models for density estimation (Licata and Mehta, 2022b; Licata et al., 2022b) are used in this work. The investigation is convoluted because of the spatial and temporal correlation of the atmospheric density values. We develop several Monte Carlo methods, each capturing a different spatiotemporal density correlation, to study the effects of density uncertainty on orbit uncertainty propagation. However, Monte Carlo analysis is computationally expensive, so a faster method based on the Kalman filtering technique for orbit uncertainty propagation is also explored. It is difficult to translate the uncertainty in atmospheric density to the uncertainty in orbital states under a standard extended Kalman filter or unscented Kalman filter framework. This work uses the so-called “consider covariance sigma point (CCSP)” filter that can account for the density uncertainties during orbit propagation. As a test-bed for validation purposes, a comparison between CCSP and Monte Carlo methods of orbit uncertainty propagation is carried out. Finally, using the HASDM-ML, CHAMP-ML, and MSIS-UQ density models, we propose an ensemble approach for orbit uncertainty quantification for four different space weather conditions.     

典型激波针减阻降热特性及流动机理

为研究激波针对超/高超声速钝头飞行器进行减阻降热的相关特性,采用数值模拟方法对6种典型激波针构型的流动特征开展系统研究。给出了激波针长度、来流马赫数对流动特征的影响规律,并对其形成机理进行了探讨。结果显示:马赫数较低时,头部有扰流物的5种激波针在回流区即将分裂时减阻率最大;马赫数较高时,减阻率在回流区分裂前后出现局部峰值,但最大减阻率将出现在回流区分裂后更长的激波针长度下。马赫数为3时,6种构型减阻率达最大时的相对长度在0.8~1.2之间,相比而言,球型、半球型和双锥型的减阻效果最好,最大减阻率为45%~50%;圆锥型最差,为20%~25%,明显低于头部有扰流物的构型。相同的激波针长度下,头部有扰流物构型的减阻率随马赫数增大而增大,圆锥型则相反。流场回流区、分离激波、弓形激波、局部膨胀流动等导致的压力分布变化是构型整体阻力变化的主要成因。      

顺逆流向喷流干扰下二体分离气动力风洞实验研究及前体轴向力特性

本文概述了具有顺，逆流向喷流干扰的二体分离气动力风洞实验技术研究。对有喷流干扰引起的前体轴向气动力特性，作了简单的介绍。最后对有顺、逆流向喷流干扰的前体底部流动模型作了定性的描绘，可供理论研究时参考。     

“大涡破碎”的紊流减阻实验研究

本文对当今国外曾提出的紊流表面摩擦减阻新概念——“大涡破碎”(LEBU)进行了初步的风洞实验探索。将具有对称流线型剖面的二元小肋,沿垂直于气流的方向安置在平板表面的紊流附面层内某一高度处,收到了不同程度的减阻效果。实验中分别考察了小肋的安置位置L,安置高度H,迎角θ及相对厚度b等参数对减阻效果的不同影响。从紊流附面层涡结构的观点出发,提出紊流的“细化”作用是小肋对平扳减阻的根本原因,并认为改善紊流附面层的速度型是研究紊流减阻的一种手段。实验使用自制的高灵敏度摩擦天平,测得的减阻效果与Ludwieg—Tillman公式的计算结果基本一致。     

失速改出伞阻力特征面积估算方法

研究了高平尾布局飞机的气动特性。使用失速改出伞是飞机改出深失速的重要途径,但如何确定失速改出伞的关键参数(阻力面积等)却没有现成的方法。以ARJ21-700飞机为例,分别使用公式分析法、类比法综合估算出失速改出伞的关键参数,通过模型自由飞和模拟仿真分析验证其具有足够效能将飞机改出深失速状态。形成了一套新机失速改出伞的设计方法和关键数据图表,可供其他型号飞机失速改出伞的设计研制使用。     

Deorbiting spacecraft with passively stabilised attitude using a simplified quasi-rhombic-pyramid sail

This paper studies deorbiting using an analogue to the quasi-rhombic-pyramid concept for planar motion. The focus is on maintaining a stable (meaning oscillatory) attitude close to the direction of the velocity of the spacecraft relative to the atmosphere. The study consists of a massive computation of deorbit times chosen in a region of the phase space where atmospheric drag plays a leading role. Here, no damping effects are considered. Thus, any passive stabilisation observed is either due to solar radiation pressure or atmospheric drag. The results show that such stable deorbiting is feasible up to a threshold that depends upon the physical parameters of the sail. This threshold is around 500 km of altitude. Stable deorbiting is also shown to reduce the unpredictability that appears due to tumbling.     

不同直径光滑圆管中黄原胶溶液流动减阻特性的实验研究

采用实验的方法,测试了黄原胶溶液在不同直径的光滑管道流动中的减阻特性和管径效应。其中变化参数为：（1）管道直径,共有3种管径,分别为5、10和20mm;（2）黄原胶溶液的浓度,变化范围为50~550ppm;（3）流速,用广义雷诺数（ReM）来表征,变化范围为0~50000。实验测量了不同参数下的管道压降Δp和体积流量Q,得到了黄原胶溶液浓度与减阻率的关系,以及ReM数对沿程阻力系数λ的影响,观测到黄原胶溶液减阻具有很明显的浓度效应,即随着溶液浓度的升高减阻率不断增大,直至达到最佳饱和减阻浓度,减阻率基本保持恒定。还观测到黄原胶溶液在不同管径中高低流速下表现出减阻类型的差异。     

阻力方向舵在无尾飞机飞行控制中的应用

阻力方向舵在无尾飞机上得到广泛的应用。以一种无尾飞机为例,讨论了阻力方向舵舵效的非线性、耦合性等基本特性,并说明了阻力方向舵张开后对飞机整体的影响。给出了阻力方向舵在无尾飞机航向增稳、空速控制、作为复合舵使用三个方面的应用实例和仿真结果,说明了阻力方向舵在无尾飞机飞行控制应用中存在的一些问题及其解决方法。     

高流速时横掠管束的流动阻力特性实验研究

为了在空气流速很高的航空发动机外涵道中使用管式空-空换热器，用实验的方法研究了高流速时考虑压缩效应影响的椭圆管束和圆管束的流动阻力特性，并对二者进行了对比。结果表明：相同几何排列情况下，两种管束的阻力系数随雷诺数的变化趋势大体相同；但椭圆管束的阻力系数明显低于圆管的阻力系数。在实际使用中应首选椭圆管束结构形式。