主动航天服关节助力外骨骼结构设计及优化

为克服航天服关节阻尼力矩对宇航员未来太空作业、星表探测以及骨骼肌能恢复训练的影响，设计一种可应用于航天服的关节助力外骨骼方案。首先，结合航天服结构分析，研制了第一代关节助力外骨骼样机。其次，根据使用反馈对第一代外骨骼样机进行结构优化，初步确定第二代外骨骼样机的设计模型，利用有限元软件对负重状态下外骨骼样机进行静力学分析及模态分析。最后，进一步优化第二代外骨骼样机的结构尺寸，优化后的整体质量相较于优化前第二代及第一代样机分别下降了19.34%和40.03%，验证了外骨骼样机结构优化方案的可行性。研究结果为主动航天服结构动力学分析和控制系统开发提供理论依据。     

Simulation study of motion of charged particles trapped in Earth’s magnetosphere

This article aims to understand the motion of the charged particles trapped in the Earth’s inner magnetosphere. The emphasis is on identifying the numerical scheme, which is appropriate to characterize the trajectories of the charged particles of different energies that enter the Earth’s magnetosphere and get trap along the magnetic field lines. These particles perform three different periodic motions, namely: gyration, bounce, and azimuthal drift. However, often, the gyration of the particle is ignored, and only the guiding center of the particle is traced to reduce the computational time. It is because the simulation of all three motions (gyro, bounce, and drift) together needed a robust numerical scheme, which has less numerical dissipation. We have developed a three-dimensional test particle simulation model in which the relativistic equation of motion is solved numerically using the fourth and sixth-order Runge-Kutta methods. The stability of the simulation model is verified by checking the conservation of total kinetic energy and adiabatic invariants linked with each type of motion. We found that the sixth-order Runge-Kutta method is suitable to trace the complete trajectories of both proton and electron of a wide energy range, 5 keV to 250 MeV for L = 2 – 6. We have estimated the bounce and drift periods from the simulations, and they are found to be in good agreement with the theory. The study implies that a simulation model with sixth-order Runge-Kutta method can be applied to the time-vary, non-analytical form of magnetic configuration in future studies to understand the dynamics of charged particles trapped in Earth’s magnetosphere.     

磁悬浮控制力矩陀螺高速转子高频自激振动的抑制

磁悬浮控制力矩陀螺（CMG）中转子一阶弹性模态自激振动是影响磁悬浮高速转子系统稳定性的关键因素之一.自激振动通常可以采用陷波器（NF）进行抑制,然而引入NF或改变其参数以及转子转速的变化均会改变模态自激频率,因而难以直接准确地确定NF参数.本文提出一种仿真确定NF参数的方法,通过转子弹性模态缩减建模和模态参数确定得到准确的弹性转子动力学模型,进而采用闭环仿真优化确定NF中心频率和极点阻尼.采用该方法设计的NF有效抑制了转子的高频弹性模态自激振动,使得磁悬浮CMG转子可以稳定升速到24000r/min.实验结果验证了该方法的实用性和有效性.     

磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统扰动力矩分析与抑制

对磁悬浮控制力矩陀螺框架伺服系统，提出了一种基于自适应逆扰动消除控制的设计方法。该控制器采用将被控对象动态控制和对象扰动控制分离处理的方法研究了控制力矩陀螺框架伺服系统的非线性摩擦干扰力矩、陀螺房内部高速磁悬浮转子系统因框架变速转动对框架伺服系统产生的耦合力矩以及航天器姿态改变导致框架伺服系统本身的参数大范围变化等问题。设计的自适应逆扰动消除器大大改善了框架伺服系统的控制性能、提高了系统的速率输出精度。仿真结果表明，提出的扰动力矩抑制方法是可行的，具有很强的鲁棒性。     

基于主动磁轴承的高速飞轮转子系统的非线性控制研究

针对控制力矩陀螺——主动磁轴承飞轮转子系统的强非线性和由陀螺效应产生的进动和章动导致系统的失稳问题,提出了神经网络的控制方案,设计了RBF神经网络控制器,并给出了李亚普诺夫函数的稳定性证明。研究表明,该控制器解决了陀螺效应导致的主动磁轴承-飞轮转子的不稳定性问题,且抑制了噪声对磁轴承稳定性所造成的破坏。最后,数值算例证明了该方法消除噪声的可行性和有效性。     

一种计算隐身飞行器外形RCS的高精度快速算法

针对目前隐身飞行器外形雷达散射截面(RCS)难以准确计算的问题,提出了一种基于目标外形几何特征和矩量法的飞行器RCS算法.通过对矩量法阻抗矩阵元的理论分析,研究了物面感应电流随散射体表面曲率的变化规律,指出感应电流之间的耦合已成为影响隐身飞行器物面电流分布的重要因素,并且指出根据飞行器物面曲率分布可以预知强的感应电流耦合区域,利用这些强的电流耦合能够组成稀疏化的阻抗矩阵,从而实现飞行器RCS的快速求解.以金属双弧柱和典型隐身飞机外形为例,分析验证了物面曲率几何信息对计算结果精度的影响以及在提高计算效率方面的作用.数值结果表明该方法保持了与传统矩量法基本一致的计算精度,但计算时间仅为矩量法的7.2%.     

两端弹性转动约束跨中受集中力作用梁的弯曲分析

研究了两端弹性转动约束跨中受集中力作用梁的弯曲特性,给出了弯矩和挠度计算公式,分析了转动约束刚度对弯曲特性的影响。梁的弯曲特性不仅与转动约束刚度有关,而且还与梁的长度及弯曲刚度有关。当转动约束刚度参数小于0.01时,可近似按刚性转动约束计算;当转动约束刚度参数大于12时,可近似按自由转动约束计算。     

洗流时差阻尼力矩研究

在分析飞机的纵向阻尼力矩时，除考虑俯仰角速度引起的俯仰阻尼力矩外，还应估算出迎角变化率引起的洗流时差阻尼力矩。根据洗流时差阻尼力矩产生的原理，推导并给出了它的计算方法。介绍了各种阻尼导数的表示方法及相互关系。最后较详细地分析了水平尾翼、马赫数、迎角变化率和下洗角随迎角的变化率诸因素对洗流时差阻尼力矩及阻尼导数的影响。     

大型风机启动力矩计算研究

本文应用直升机空气动力学载荷计算方法,对大型风力发电机组叶片启动力矩进行计算,为大型风力发电机组叶片的研制提供可行的计算方法。     

俯仰力矩曲线的“勺形”对飞机稳定性的影响

 本文用微分方程定性理论来分析俯仰力矩曲线随迎角变化的“勺形”对飞机飞行稳定性的影响。 结果表明,“勺形”是飞机在小侧滑角下作大迎角非机动飞行时,引起迎角突跃而进入过失速飞行的一种重要因素。“勺形区”的宽度和深度则较大程度地影响这种过失速飞行的特性及其进入与改出的特点。