超精密微牛级微波离子推进技术及其在卫星超精度控制中的应用研究

空间技术的快速发展使得利用空间卫星的编队飞行构建大型空间星座成为可能,在引力波探测、射电望远镜编队、星座组网等任务方面具有重要作用。超精度控制是实现卫星高精度编队飞行的关键技术。推进系统是实现卫星编队长期高度稳定飞行的保证,从而实现内部科学装置的正确运行。不同于常规的推进系统,卫星精密编队超精度控制对推进系统的推力可调范围、分辨率、响应时间、推力的一致性等有着极高的要求。根据卫星精密编队任务需求,对微牛级推进系统的功能及技术要求进行了分析,提出了基于M2微波离子推力器的卫星超精度控制推进系统。阐述了M2超精密微牛级推进系统的关键技术和研究进展,为后续M2推力器在无拖曳控制方面的应用奠定了基础。     

基于IFOA的MEMS加速度计无转台标定

为提高微机电系统（MEMS）加速度计的标定效率并降低对高精度转台的依赖,提出一种基于改进果蝇优化算法（IFOA）的MEMS加速度计无转台标定方法。首先,根据模观测标定法原理将加速度计标定问题转化为非线性函数优化问题。然后,针对经典果蝇优化算法存在的只能搜索正参数及搜索步长固定的不足,对味道浓度判定值及搜索步长进行改进,使改进后的算法具有全局参数搜索及可变步长2种性能,并利用Rosenbrock函数进行测试,结果表明,IFOA相比于经典果蝇优化算法具有全局参数寻优范围及更高的寻优精度。最后,将IFOA应用于求解加速度计待标定参数的非线性函数优化问题,并将结果与牛顿迭代法和粒子群优化（PSO）算法进行对比。仿真结果表明:IFOA在求解精度方面比牛顿迭代法提高了1~3个数量级;在运行稳定性方面比牛顿迭代法和PSO算法分别提高了30%和34%,在运行时间方面分别减小了15.2%和43.6%;在加速度计无转台标定方面具有良好的应用价值。      

高精度石英半球裸振子微应力制造

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元件,其质量直接决定了陀螺的性能精度,以高纯石英材料制成的半球谐振子已得到业界的广泛认可,但加工难度较高。半球裸振子是半球谐振子的未完全加工态,其加工表面残余应力的大小决定了谐振Q值、频差Δf等参数,进而影响谐振性能。文章就石英半球裸振子的微应力制造技术方法和技术特点进行了分析和讨论,以及采用飞秒激光加工设备实现石英半球裸振子微应力制造,飞秒激光加工具有速度快、热变形小、非接触、微应力等优势,用于半球谐振子加工能够明显改善加工效率、成本和表面应力状态,采用飞秒激光加工为高精度石英半球裸振子的加工提供新实现途径。     

腹板开口对复合材料梁腹板剪切承载性能的影响

针对平面编织复合材料梁腹板结构剪切载荷作用下的面内剪切屈曲失稳和后屈承载能力问题,采用实验与有限元方法进行了研究。结合实验所得应变分布规律与有限元分析所得失稳模态分析了梁腹板结构剪切失稳特点。后屈曲承载分析中引入了平面织物复合材料Hashin失效准则,获得的结构主要失效模式包括纬向纤维压溃和经向纤维拉断,与实验结果符合良好。基于经实验结果验证的有限元模型进行了参数化研究,分析了腹板开口尺寸和开口形式对平面织物复合材料梁腹板剪切稳定性、承载能力和破坏模式的影响。研究结果可为复合材料结构设计和强度评估提供参考。      

微阴极电弧推力器羽流探针诊断研究

微阴极电弧推力器（micro-cathode arc thruster,μCAT）具备功率低和结构简单的特点,能够满足微纳卫星的任务需求,具有良好的发展前景。μCAT羽流的诊断可以揭示推力器的加速机理,对提高其性能具有重要意义。利用朗缪尔三探针对μCAT羽流进行诊断,得到了μCAT羽流不同位置的电子温度、电子密度和离子速度等羽流特性,研究了外加磁场、充电时间和阴极材料对羽流特性的影响。研究结果表明,μCAT放电初期产生的等离子体电子温度较高,密度较大;随着等离子体向下游运动,电子温度和电子密度降低,离子速度增大;外加磁场的磁感应强度越强,电子温度和离子速度越高,电子密度有所降低;磁场位置适当向推力器下游平移,能够有效提高推力器中轴线的电子密度;μCAT充电时间越长,电子温度、电子密度和离子速度越大;相比于CuW和AgW阴极,Ti阴极羽流的电子温度更高,电子密度更低。     

终端短路涂层金属圆波导的电磁散射特性分析

本文用光学法与广义散射矩阵技术相结合的方法,根据波导在入射平面电磁波照射下所激励的波导模式,分析了终端短路金属圆波导的电磁散射特性。在此基础上,假设金属波导内壁涂层厚度τ远小于波导半径a,且波导入口段的涂层厚度从零线性增加至τ,运用微扰法求出终端短路涂层金属圆波导内各波导模的传播常数,从而获得涂层圆波导的电磁散射特性。通过计算机仿真,计算了终端短路涂层金属圆波导的雷达截面(RCS),并与相同条件下内壁无涂层金属圆波导的雷达截面进行比较,结果令人满意。     

对称层合圆柱正交异性中心开孔扁球壳的非线性屈曲

在非线性屈曲理论基础上，考虑对称线布载体荷作用形式，导得相应控制方程，以分析中心开孔，即外边缘固定，以及内边级悬空的复合材料扁球壳非线性屈曲稳定性问题。为了求解本文的非线性屈曲问题，获得临界载荷计算公式，本文采用修正迭代法，即第一次迭代将非线性项略去，第干净人迭代将第一次迭代结果作为已知量代入非一项来获得临界载荷的解析计算公式，最后，本文以实例分析讨论了横向剪切变形、开孔大小、线布载荷位置的几何参     

金属材料微裂纹取向与超声波和频非线性效应

针对非线性超声无损检测金属材料微裂纹取向角度的问题,开展了微裂纹取向与超声波的和频非线性效应研究,建立了超声和频非线性特征系数与微裂纹取向角度的关系模型。理论和有限元仿真实验结果表明,随着微裂纹取向角度的逐渐增大,超声和频非线性特征系数与微裂纹取向角度之间呈现明显的正相关趋势,而且相比二次非线性特征系数,和频非线性特征系数对微裂纹取向检测更为敏感。同时,从超声波平均能流密度（即声强）的角度出发,计算可知和频分量声强会随着微裂纹取向角度的增大而增大,而二次谐波声强基本不会发生变化,同时和频分量声强占比相比于二次谐波声强占比也得到了明显提高。超声波声强计算结果与仿真计算结果趋势基本一致,证明了理论模型的正确性。通过实验验证了模型的有效性,为金属材料微裂纹取向的检测提供了一种有效的手段。      

纤维增强树脂基复合材料结构的优化设计

综述了国内外纤维增强树脂基复合材料结构优化设计的研究成果与发展状况,内容涉及到层合板壳结构以及夹层结构的屈曲、振动、可靠性、结构强度以及多级多目标等问题的优化设计。文中还涉及到发动机复合材料构件优化方面的一些研究成果,给出了其优化设计的网络框图。论文最后对复合材料结构优化设计当前存在的主要问题和今后发展方向作了分析,并指出今后的研究方向：（１）多级多目标多学科的优化设计,不仅涉及到基本理论、建模和方法,而且更加强调工程实际问题;（２）发展相应的软件专家系统,更加强调软件面向对象编程和 Ｃ Ａ Ｄ 技术的应用;（３）注重探究快速有效的优化算法以及探究随机优化和可靠性优化技术,从而快速有效地获得对优化设计点的可靠评价等。     

1/3含口盖复合材料柱壳后屈曲性能

工程结构中复合材料柱壳已经得到了广泛使用,并且屈曲是其结构设计的一个主要问题。由于试验结果与线性屈曲理论分析结果的巨大偏差,线性特征值屈曲分析只能作为结构的一个初步评估方法,进一步分析可选用含初始几何缺陷的后屈曲分析。本文以轴压载荷下的1/3含口盖复合材料柱壳为研究对象,建立ABAQUS有限元模型,分别进行了基于Buckle算法的线性特征值屈曲分析、基于Riks法的含初始几何缺陷的非线性后屈曲分析,所得应变、载荷数值结果与试验结果吻合。非线性Riks后屈曲分析显示结构具有后屈曲承载能力和稳定的后屈曲平衡路径,能更准确地捕捉临界屈曲载荷,所得屈曲模态也更加贴近试验屈曲模态,因此,在设计上以含初始几何缺陷的Riks法得到的结果更加真实可靠。进行了含口盖复合材料柱壳的初始几何缺陷的敏感性分析,结果表明该结构对初始几何缺陷是非常敏感的,为了提高结构抗屈曲性能,应提高加工工艺质量,减少初始几何缺陷。