The heliospheric modulation of cosmic rays: Effects of a latitude dependent solar wind termination shock

Observations made with the two Voyager spacecraft confirmed that the solar wind decelerates to form the heliospheric termination shock and that it has begun its merger with the local interstellar medium. The compression ratio of this shock affects galactic cosmic rays when they enter the heliosphere. Hydrodynamic (HD) models show that the compression ratio can have a significant latitude dependence; with the largest value in the nose direction of the heliosphere, becoming significantly less towards the polar regions. The modulation effects of such large latitude dependence are studied, using a well-established numerical drift and shock modulation model. We focus on computing the modulated spectra for galactic protons with emphasis on the radial and polar gradients in the equatorial plane and at a polar angle of θ = 55°, corresponding to the heliolatitude of Voyager 1. Two sets of solutions are computed and compared each time; with and without a latitude dependence for the compression ratio. All computations are done for the two magnetic field polarity cycles assuming solar minimum conditions. Including the termination shock in the model allows the study of the re-acceleration of galactic protons in the outer heliosphere. We find that for the A < 0 polarity cycle the intensity between ∼200 MeV and ∼1 GeV in the vicinity of the shock in the heliospheric equatorial plane may exceed the local interstellar value specified at the heliopause. Unfortunately, at θ = 55°, the effect is reduced. This seems not possible during an A > 0 cycle because significant modulation is then predicted between the heliopause and the termination shock, depending on how strong global gradient and curvature drifts are in the heliosheath. The overall effect of the shock on galactic protons in the equatorial plane is to reduce the total modulation as a function of radial distance with respect to the interstellar spectrum. Making the compression ratio latitude dependent enhances these effects at energies E < 200 MeV in the equatorial plane. At larger heliolatitudes these effects are even more significant. The differences in the modulation between the two drift cycles are compelling when the compression ratio is made latitude dependent but at Earth this effect is insignificant. A general result is that the computed radial gradient changes for galactic protons at and close to the TS and that these changes are polarity dependent. In line with previous work, large polarity dependent effects are predicted for the inner heliosphere and also close to the shock’s position in the equatorial plane. In contrast, at θ = 55°, the largest polarity effect occurs in the middle heliosphere (50 AU), enhanced by the latitude dependence of the compression ratio. At this latitude, the amount of proton modulation between the heliopause and the termination shock is much reduced. If galactic cosmic rays were to experience some diffusive shock acceleration over the 100–1000 MeV range at the shock, the radial gradient should change its sign in the vicinity of the shock, how large, depends on the compression ratio and the amount of drifts taking place in the outer heliosphere. The effective polar gradient shows a strong polarity dependence at Earth but this dissipates at θ = 55°, especially with increasing radial distance. This tendency is enhanced by making the compression ratio latitude dependent.     

拦截器点火冲击模拟试验技术研究

介绍了拦载器的点火冲击地面模拟技术研究。通过梯形波冲击和波形复现试验模拟,测量出了导引头和惯组的角速率差别,并通过控制轨控力的方式获得了角速率频响函数,为结构修改和制导控制系统改进提供了重要依据。     

碳酚醛-铝板中二维X射线热击波数值模拟

文章利用平面应变正交各向异性材料率相关性的弹塑性本构模型和各向同性材料理想弹塑性本构模型,采用有限元方法编写程序,对X射线辐照碳酚醛-铝板时诱导的热击波进行数值模拟,讨论了热击波的传播规律。结果表明,在1 keV的 X射线辐照下,X射线穿透极浅,材料表面发生气化现象,应力峰值较大;在3 keV的X射线辐照下,X射线穿透较深,热击波呈现双波结构,材料的层裂更明显。     

无人直升机视觉着陆中的运动状态估计算法

对无人直升机(UH)视觉着陆中基于视觉图像处理的运动状态估计问题进行了研究。介绍了视觉着陆原理,分析了运动估计、特征图像处理与着陆控制间的关系,推导并建立了UH相对着陆平台位姿估计算法、线速度与角速度估计算法。相邻两帧图像对应特征点像点位置为位姿估计算法提供数据,一帧图像特征点像点位置及其对应像点平移速度为线速度与角速度估计算法提供数据。利用UH着陆控制仿真数据模拟UH着陆运动过程中像点位置及其对应平移速度的视觉图像处理结果。仿真验证了运动状态估计算法,结果表明所提出的运动状态估计算法能有效地利用视觉图像处理结果数据估计出UH的位置、姿态、线速度和角速度。     

月球着陆器着陆缓冲性能研究

首先基于MSC.Nastran/MSC.Adams软件建立了模拟月球着陆器的动力学模型,并利用模拟月球着陆器在地面冲击试验来验证仿真模型的正确性,重点关注缓冲机构与结构连接处的载荷,结构特征点的加速度响应,以及缓冲器的工作行程。然后利用模拟着陆器地面试验结果修正动力学分析模型,研究表明：着陆器结构和缓冲机构的柔性对缓冲性能具有较大的影响。最后,把动力学分析模型中的模拟结构更换成真实结构,进行着陆器在月球表面的着陆冲击仿真分析,从而获得模拟着陆器地面试验与着陆器在月面着陆的冲击缓冲性能差异。     

自适应飞机驾驶员最优控制模型研究及应用

针对驾驶员最优控制模型(OCM)无法反映飞行员在未知环境下渐进适应过程这一缺点,采用自适应状态估计理论对OCM进行改进,建立了基于自适应状态估计的驾驶员最优控制模型(MOCM-AE),给出了算法流程。通过对比飞行试验数据和未知扰动下的着舰应用,对模型进行了评估。通过人机闭环仿真进行了飞行试验再现,得到了人机闭环频域曲线。对比结果表明,与OCM相比MOCM-AE的频域特性曲线与试验更为吻合。在着舰应用中,引入低空紊流作为未知扰动进行着舰仿真,结果表明OCM强烈依赖于先验经验,而MOCM-AE无论是否具有先验经验,无论是否存在未知扰动,均能取得良好着舰效果。在未知扰动和舰尾流影响下,MOCM-AE比传统OCM着舰精度提高59%,着舰点分布范围缩小29%,这体现了飞行员对未知环境的适应能力。     

可重复使用飞行器进场着陆拉平纵向控制

针对可重复使用飞行器（RLV）进场着陆拉平段的纵向控制问题,提出了反馈控制与前馈控制相结合的复合控制策略。设计反馈控制律参数,在此基础上基于时间加权高度跟踪误差/误差变化率平方积分指标优化设计前馈控制律参数。按输入补偿的前馈控制在不影响系统稳定性的前提下,提高了RLV对拉平着陆轨迹的跟踪精度,减小了RLV的接地散布。提出了基于积分器初值的控制律平滑切换方法,实现了RLV起落架释放前后不同控制律之间的平滑切换。仿真验证了拉平纵向复合控制和拉平过程中不同控制律之间平滑切换方法的有效性。      

一种图像辅助火星着陆段自主导航方法

针对未来深空探测软着陆高精度实时导航的需求,提出了一种图像辅助的自主导航方案。首先通过下降段图像与落点区域地形匹配,获得着陆器相对于落点的位置和姿态;然后基于误差Kalman模型估计着陆器的状态误差,修正惯性导航的结果;在图像信息不可用的情况下,只进行惯性递推导航;这种方案既提高了导航的精度,也能保证实时性的要求。 数值仿真验证了该方案的可行性,该方案对未来实际工程任务具有很大的参考价值。     

Starship新型舵面形式气动特性数值模拟

作为新型垂直起降的载人航天器,Starship采用了新型舵面控制方式,其通过前后两组可沿轴线方向偏转的翼面来实现对机体的控制。通过CFD数值模拟手段对该种舵面形式的气动特性进行了系统研究,得到了该种舵面偏转方式对飞行器升阻力和三轴力矩的影响,并分析了其内在机理。在小攻角下,Starship后翼为操纵面,其偏转对控制力系数的影响较为显著,偏转角度与控制力系数基本成线性关系;前翼偏转则对阻力系数的影响较为显著,偏转角度与阻力系数基本线性相关。后翼偏转角与俯仰力矩系数和滚转力矩系数的线性相关性较好,对偏航力矩系数也有耦合影响。前翼的偏转对偏航力矩系数的影响显著,同时与滚转力矩系数和俯仰力矩系数的耦合较小。在大攻角下,尤其是在着陆阶段攻角大于90°的情况下,传统的襟副翼控制方式失效概率高,而新型舵面控制形式前翼和后翼偏转与三轴力矩系数的相关性仍非常强。其对于俯仰通道、滚转通道和偏航通道均能保持良好的操纵特性。     

非均匀来流下等压力梯度曲面压缩系统的试验研究

根据激波和膨胀波理论,设计了Ma=5.3等压力梯度曲面压缩系统。在Ma=3.85和Ma=5.3的小高超风洞完成均匀来流试验,并利用风洞壁面自然发展的附面层进行非均匀来流等压力梯度曲面压缩系统性能试验。试验发现:均匀来流下,试验模型壁面压力均按照等压力梯度规律分布,但来流马赫数Ma=5.3时出口流场均匀性较差;非均匀来流下,大量的附面层吸入不仅影响壁面压力不再呈等压力梯度分布,而且对出口流场均匀性影响也极大。 