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2021年  第43卷  第6期      刊出日期 2021-12-28   目次   上一期   下一期  
     
航天工程·材料科学与工程
  • 高空气球地面充氦气量计算方法分析与试验评估
  • 杨燕初,杜千仟,曾丹丹,王帆,张航悦
  • 2021, 43 (6):1-7[摘要](13)  [PDF  5693KB](11)
    作为高空气球研究中的一个重要问题,气球在地面发放前充入的氦气量会直接影响其上升速度和驻空高度,进而影响平台的可靠性和稳定性。因此研究充氦气量的准确计算方法十分必要。建立了高空气球上升过程动力学模型,计算了气球初始升速的理论值,用于与实际初始升速对比,为评估充氦气量计算方法提供依据。归纳了三种较为典型的高空气球地面充氦气量计算方法,根据实际开展的飞行试验,分析对比了三种方法的准确性和误差范围。提出了浮力补偿规律,完成了对三种方法的评估。通过研究可以对现有充氦气量计算方法进行有效修正,进而为高空气球的实际飞行提供指导。
  • 黏弹性基体中挠曲电Timoshenko纳米梁振动特性分析
  • 张大鹏,吴栋,雷勇军
  • 2021, 43 (6):8-16[摘要](14)  [PDF  6394KB](14)
    以黏弹性基体中的Timoshenko纳米梁为研究对象,综合考虑非局部效应、压电效应和挠曲电效应的影响,基于哈密顿原理建立了系统的振动控制方程和相应的边界条件,给出了两端简支边界条件下挠曲电纳米梁控制方程的求解方法,系统地研究了非局部参数、挠曲电系数以及黏弹性基体对挠曲电纳米梁振动特性的影响规律。结果表明:横向挠曲电系数能显著增加挠曲电纳米梁的结构刚度,而非局部效应和切向挠曲电系数则会降低系统的结构刚度。此外,通过研究黏弹性基体的影响规律,可得到挠曲电纳米梁不再发生往复振动时对应的黏弹性基体临界阻尼系数。相关研究结果可为挠曲电纳米梁在俘能器中的推广应用提供理论基础。
  • Vondrak-Cepek组合滤波在北斗共视和卫星双向时间比对融合中的应用
  • 王威雄,董绍武,武文俊,郭栋,王翔,高喆
  • 2021, 43 (6):17-25[摘要](13)  [PDF  7390KB](11)
    为减小卫星双向时间比对(Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer, TWSTFT)中的周日效应,利用北斗共视链路没有周日效应的特点,通过Vondrak-Cepek组合滤波方法对中国科学院国家授时中心(National Time Service Center, NTSC)、德国物理技术研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)以及中国计量科学研究院(National Institute of Metrology, NIM)间的北斗共视时间比对结果分别与硬件卫星时间和距离测量设备(SAtellite Time and Ranging Equipment, SATRE) TWSTFT和软件接收机(Software-Defined Radio, SDR)TWSTFT结果进行了融合处理。采用时间偏差和幅值频谱两个指标以及GPS精密单点定位(Precise Point Positioning, PPP)时间比对分别对融合结果进行内外符合评估。结果表明,经过Vondrak-Cepek滤波的融合结果中周日效应基本消失,其与GPS PPP链路差值结果的绝对值保持在链路校准的不确定度范围内。对于长基线NTSC-PTB链路,融合结果1 d的时间偏差稳定度对SATRE和SDR TWSTFT的增益因子分别为1.85和1.81;对于短基线NTSC-NIM链路,融合结果对SATRE和SDR TWSTFT的增益因子分别为1.69和1.59。融合结果的短期稳定度显著提高。
  • 高温空气下C/SiC复合材料力学性能测试
  • 陈伟华,王丽燕,张晗翌,季妮芝,李冠姝,马静
  • 2021, 43 (6):26-32, 48[摘要](13)  [PDF  11520KB](14)
    测试了C/SiC复合材料在高温空气下的压缩、弯曲和拉伸性能,利用扫描电子显微镜分析复合材料在室温与高温条件下的断口微观形貌。结果表明:从室温升温到1 000 ℃测试温度时,C/SiC复合材料的压缩强度由247 MPa降低至78 MPa,性能降低68%;弯曲强度由480 MPa降低至277 MPa,性能降低42%;拉伸强度由247 MPa降低至152 MPa,性能降低38%。高温氧化导致界面退化,损伤材料基体与碳纤维结构,加剧了纤维断裂程度,改变了纤维与基体的结合状态,纤维增韧机制逐渐消失,导致复合材料性能下降。
  • 遥测参数数据载荷状态判别集成学习方法
  • 李虎,郭国航,胡钛,杨甲森,董振兴
  • 2021, 43 (6):33-40[摘要](15)  [PDF  5452KB](11)
    针对载荷单机设备遥测参数维度高、数据量大、存在类别不平衡、无法直观判别单机设备运行情况等问题,考虑到航天任务对可解释性的要求,提出一种基于信息增益参数特征选择和集成学习方法的载荷单机状态快速识别方法。采用统计量性质和信息增益子集搜索方法对遥测数据进行特征筛选降维,通过集成学习模型算法实现载荷单机设备状态的自适应识别分类。所提方法将信息增益的参数分类信息量评价准则和集成学习拟合能力强、类别不平衡下准确率高和抗噪能力强等优点相结合,兼顾模型特征和结果的可解释性,提供了重点参数发现功能。采用科学卫星任务真实载荷遥测参数数据对该方法进行了验证,整体识别准确率高于90%,少数样本亦可准确识别,整体效果可达到在轨任务要求,证明了所提方法的有效性和实用性。
  • 气氧甲烷溅板式层板喷注器燃烧特性试验分析
  • 尹亮,刘伟强
  • 2021, 43 (6):41-48[摘要](14)  [PDF  11785KB](11)
    采用试验方法分别对单喷嘴和多喷嘴溅板式层板喷注器燃烧特性进行研究,考察不同工况下喷注器面板热载情况,得到不同混合比、不同结构参数对燃烧室压力分布和燃烧效率的影响规律。试验结果表明:混合比对多喷嘴喷注器燃烧室压力影响不大,但对燃烧效率有较大影响。对于单喷嘴喷注器,燃烧效率随着混合比的增加而增高。相同条件下,增大扩张角及出口层宽度有利于提高喷注器燃烧效率,但会引起喷注面板热载增大,各喷注器喷注面板均产生不同程度的变形或失效。该结果对于正确指导层板式喷注器的设计以及筛选喷注器结构具有重要意义。
  • 气象探空火箭气温测量不确定度评估方法
  • 孙宇,陈书驰,万黎,金波,盛峥,王鑫
  • 2021, 43 (6):49-59[摘要](14)  [PDF  10567KB](11)
    在气象火箭测温修正模型基础上,通过误差分析理论,对温度修正及其不确定度评估方法进行研究。根据火箭探空仪在空中下落过程中大气密度变化规律,建立温度修正数学模型,推导得到温度修正公式。根据误差理论,分析影响温度修正的八项误差因素,并逐项给出温度修正误差表达式。以气象火箭实测数据为例,运用上述公式,对探空火箭温度反演不确定度进行分析计算。结果表明:温度反演不确定度在50~60 km较大,最大为3.6 K;40~50 km不确定度为0.3~0.9 K;40 km以下,不大于0.3 K。影响温度不确定度的因素主要是气动加热修正项、滞后效应修正项、结构热传导修正项和传感器对环境热辐射修正项。数据处理时采用参考大气或标准大气仅进行一次修正是不够的,需进行迭代修正,单次修正结果与迭代修正结果差异最大可达5.6 K。
机械工程·光学工程
  • 大功率IGBT器件及其组合多时间尺度动力学表征研究综述
  • 肖飞,马伟明,罗毅飞,刘宾礼,贾英杰,李鑫
  • 2021, 43 (6):108-126[摘要](13)  [PDF  21019KB](10)
    在提出电力电子器件及其组合多时间尺度动力学表征需求的前提下,以目前常用的全控型电力电子器件——绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)为例,系统分析并归纳了目前在IGBT及其组合多时间尺度动力学表征研究方面的进展和成果,包括作为基础的大功率IGBT及其组合多时间尺度电热瞬态建模方法、基于模型的大功率IGBT模块失效量化表征方法以及用于辅助分析的IGBT组合多速率仿真方法。此外,介绍了基于IGBT多时间尺度模型的装置应用设计案例。从建模方法、可靠性评估、仿真手段以及应用设计四个方面系统全面地阐述了大功率IGBT及其组合多时间尺度的动力学表征方法,可为电力电子混杂系统的精确设计提供电力电子器件层面的理论和技术支撑。
  • 裂纹叶片非线性振动响应理论分析与实验验证
  • 沈国际,官凤娇,边子方,胡海峰,杨拥民
  • 2021, 43 (6):127-134[摘要](11)  [PDF  10473KB](10)
    叶片裂纹严重威胁航空安全,已引发数起严重飞行事故。为诊断叶片早期裂纹,对裂纹叶片的非线性振动规律进行了理论和实验研究。建立了裂纹叶片动力学非线性模型,梳理了裂纹尺寸与动力学参数的对应关系,推导得到了非线性振动响应谐波分量功率的耦合量化关系式,结果表明叶片振动分量谐波功率与相邻分量谐波功率以及谐波分量的阶次有关,而且谐波分量相对功率与裂纹深度呈正相关。据此,提出了一种基于谐波分量相对功率的裂纹检测方法。对钢直板叶片进行了模拟仿真和振动台实验,仿真结果和实验结果都表明这种方法可以有效区分裂纹叶片和正常叶片。
  • 光滑物体表面反射光偏振特征分析及反射光分离技术
  • 张焱,张景华,石志广,张宇,凌峰,刘荻,索玉昌,师晓冉
  • 2021, 43 (6):135-144[摘要](15)  [PDF  9768KB](9)
    物体表面反射光由镜面反射光和漫反射光组成,针对光滑物体表面镜面反射光和漫反射光的分离问题,建立了一个结合镜面反射和漫反射共同作用的偏振态表征模型,并使用该模型对混合反射区域偏振特征进行分析。基于镜面反射光和漫反射光的偏振特征,根据镜面反射光和漫反射光在光滑物体表面垂直方向及平行方向上的分布关系,采用偏振正交分解的方法实现了镜面反射成分和漫反射成分的求解。利用镜面反射光图像和漫反射光图像之间的相关性,通过梯度下降算法得到镜面反射成分和漫反射成分归一化互相关最小值及其对应的镜面反射偏振度和漫反射偏振度,从而实现反射光的分离。通过对不同场景中获取的反射光图像进行测试,实验结果表明,该算法具有较好的反射光分离效果。
  • 重力势能锁止型外骨骼设计及其效能评价
  • 曹恩国,高阳,王刚,胡伟峰,曹毅
  • 2021, 43 (6):145-152[摘要](12)  [PDF  10309KB](10)
    现存的被动式外骨骼存在助力效果不明显等缺陷。基于人体步态特征,提出了将人体行走过程中的重力势能转化为人体抬腿过程中动能的原理,通过弹簧、曲柄滑块机构、棘轮棘爪机构以及链传动机构的组合,设计了一款被动式下肢机械外骨骼,并通过外骨骼动力学分析和生理消耗指数实验测试的方法进行了外骨骼性能评价。动力学分析结果表明,穿戴外骨骼后髋关节峰力矩总量降低了23.43%,髋关节做功总量降低了30.59%,初步验证了外骨骼的有效性。生理消耗指数实验测试结果表明, 穿戴外骨骼对于短距离动作转换未产生显著效果,但在长距离行走和上坡行走中分别降低了8.1%和10.4%的能量消耗。因此,该下肢外骨骼助力性能得到了验证,为相关领域的研究提供了实例化参考。
  • 大型船舶流行病传播控制过程多智能体模型
  • 任凯,李营,罗雯军
  • 2021, 43 (6):153-162[摘要](12)  [PDF  11481KB](11)
    基于复杂网络和传播动力学相关原理,构建了符合大型船舶人员交互特征的社交网络,定义了传播网络层级结构,分析了交互网络拓扑生成的5项规则,给出了大型船舶流行病传播社交网络构成方法。基于多智能体技术,研究了交互网络节点成员属性和流行病传播特点,给出了智能体成员状态空间的基本构成形式,融合防护治疗、管控隔离、信息交互等因素的物理特征,构建了智能体状态迁移和行为交互过程算法,并分析论证了衰减函数的结构及区间特性。对比距离恒定模型和随机游走模型,分别对典型大型船舶流行病传播过程分4种工况12种状态进行了仿真计算,结果表明:随机游走模型更适合信息量丰富条件下的大型船舶流行病早期传播过程模拟仿真和疫情防控策略分析。
  • 亚音速飞行目标气动噪声方位角估计技术
  • 王磊,陈昭男,张君,周唯,佟健飞
  • 2021, 43 (6):163-169[摘要](14)  [PDF  6507KB](10)
    亚音速飞行弹道气动声源是宽带非平稳噪声。提出基于小波函数的波达方向估计算法,并采用时频分析方法进行特征分析,获取气动噪声显著目标特性。通过优化时间-空间谱特征,对在时频域空间谱的目标信号进行优化,从而增强目标信号在空间谱上的显著性,最终有效实现亚音速飞行弹道气动声源的角度估计。实验数据验证表明,基于时频分析阵列信号处理模型,可以更好地实现亚音速飞行目标气动噪声方位角估计。
  • 激光辐照下45#钢板响应特性
  • 汪庆桃,钱秋冬,李霄,王崇旭
  • 2021, 43 (6):170-178[摘要](11)  [PDF  8984KB](9)
    采取实验和数值模拟相结合的方法对激光辐照45#钢板的响应特性进行研究。基于连续光纤激光发射系统,开展钢板的激光辐照实验,得到温度场分布及靶板的烧蚀穿孔特性;基于ANSYS建立靶板有限元模型,模拟激光辐照下靶板的热响应过程,得到了靶板厚度、激光功率和光斑直径等因素对靶板温度分布及靶板穿孔特性的影响规律。
信息与通信工程·电子科学与技术
  • 基于时间反转声学理论的超声相控阵超分辨率成像方法
  • 樊程广,余孙全,赵勇,杨磊
  • 2021, 43 (6):60-65[摘要](15)  [PDF  5370KB](12)
    在超声相控阵检测领域,常规成像方法遵守瑞利准则,其成像分辨率受到波长限制。研究时间反转多信号分类(Time Reversal-MUltiple SIgnal Classification, TR-MUSIC)方法,在保持超声波工作频率不变且不影响系统探测深度的前提下,可提高成像分辨率,实现超分辨率成像。通过全矩阵采集方法获取被测对象的超声阵列数据;利用平面B扫描和TR-MUSIC方法处理数据,得到二维和三维超声图像;依据图像特征评估被测对象内部状况。实验选取加工不锈钢试块作为被测对象,搭建超声相控阵检测系统,在试块内部加工6个直径为1 mm、可视为点散射体的相邻贯通孔作为缺陷。实验表明,TR-MUSIC方法能够区分并定位这6个相邻点散射体,而平面B扫描方法则不能。因此,基于时间反转声学理论的TR-MUSIC方法可以提高成像分辨率,改善超声图像质量。
  • 北斗三号新信号体制共视时间比对
  • 张继海,董绍武,袁海波,广伟,赵书红,王威雄
  • 2021, 43 (6):66-73[摘要](15)  [PDF  6742KB](14)
    为促使北斗系统特别是北斗三号系统尽早加入国际原子时计算,利用中国科学院国家授时中心以及捷克无线电工程和电子学院两个守时实验室接收机产生的北斗三号新信号体制观测数据,开展基于北斗三号新信号体制共视时间比对试验。结果表明,北斗三号信号的多路径噪声影响小于北斗二号信号,且信噪比优于北斗二号信号。对比已有的研究,北斗三号新信号体制(B1C和B2a)共视时间比对的噪声相对于北斗三号卫星播发的北斗二号兼容信号体制(B1I和B3I)有较大的改善,其结果与GPS、Galileo共视比对结果相当,且在零基线共钟比对中,基于北斗三号新信号体制比对钟差的标准偏差相对于北斗二号信号提高了40%以上;利用北斗三号新信号体制共视得到的亚欧两地钟差噪声小于北斗二号信号,且比对钟差的稳定度相对于北斗二号提高了10%以上。该试验也可为北斗三号时间比对纳入国际原子时计算提供相关的研究基础。
  • 基于北斗短报文的远海实时精密单点定位
  • 姬生月,孙嘉文,宋云记,王振杰,贺凯飞,鲁洋为
  • 2021, 43 (6):74-84[摘要](15)  [PDF  10552KB](21)
    针对远海精密导航与定位费用高昂的问题,提出利用北斗短报文传输多模全球导航卫星系统的实时服务数据,实现远海实时精密单点定位。为了降低通信成本和硬件成本,本研究对实时服务数据进行简化,弥补了北斗短报文带宽的不足;为了克服北斗短报文频率低的缺点,采取了实时精密星历预报的方法,来获取分钟间隔以外时刻的卫星轨道位置和钟差改正。对基于北斗短报文的远海实时精密单点定位的数据处理过程进行了仿真模拟。后期处理实测海洋观测数据,对定位性能进行测试,可实现水平方向厘米级定位,竖直方向精度为10~20 cm。该方法为低成本的远海实时定位提供了技术参考。
  • 人机共融的远程态势智能感知系统
  • 牛文龙,樊铭瑞,李运,彭晓东,谢文明,任敬义,杨震
  • 2021, 43 (6):85-94[摘要](12)  [PDF  12198KB](11)
    针对人与远程无人设备协同精准配合的迫切需求,以机器人操作系统为基础构建了一种人机共融的远程态势感知系统,并开展了实验与分析。该系统以视觉定位技术为基础,以人机感知共融为切入点,通过实时三维场景重建技术与场景一致性融合方法,将无人设备探测到的环境及目标信息进行三维重构,并通过增强现实设备进行显示,与人的视觉信息进行一致性融合,实现无GPS条件下远程无人设备与人所佩戴的增强现实设备之间的协同定位。实验结果表明,系统在近距离时具有较好的人机协同定位准确度,定位精度随着距离的增加而逐渐降低。所构建的系统使无人设备成为人眼的延伸,在不干扰人员正常行动的情况下实现了穿障碍、跨视距的感知能力,在未来信息化作战中可发挥重要作用。
  • 高精度程控电阻网络生成算法设计
  • 朱利文,于雷,金传喜,陈盼辉,贾正荣,刘明辉
  • 2021, 43 (6):95-101[摘要](13)  [PDF  4557KB](11)
    为了提高高精度程控电阻的设计效率,建立高精度电阻网络的物理模型和数学模型,提出一种高精度程控电阻网络生成算法。该算法根据给定的量程和精度,基于主电阻网络、补偿电阻网络和偏移电阻的组合方式,自动生成高精度程控电阻网络。以量程90~250 Ω、精度5 mΩ的需求为例,在MATLAB平台上对算法进行仿真验证,仿真结果验证了算法的可行性。结果表明生成的程控电阻网络满足目标量程和精度的需求,算法解算时间仅为18.128 s。相比于人工设计的方式,该算法大大提高了设计效率。
  • 信息知识库中的数据可用性恢复策略
  • 徐鹏,孟宇龙,朱群,侍守创,龚玉婷
  • 2021, 43 (6):102-107, 134[摘要](12)  [PDF  5198KB](12)
    信息知识库在工业生产中能够提高生产效率、降低资源消耗,但数据失效频率高。针对多节点失效重构的纠删码策略较少,且未充分考虑失效数据重构时各参与节点间的链路关系,导致重构效率较低。针对信息知识库数据失效,提出一种新的重构策略。根据节点的数据处理能力,选取数据处理能力最高的新生节点为路由节点;依据路由节点与候选供应节点及剩余空闲节点的链路带宽,确定供应节点及新生节点,从而构建数据重构网络拓扑,提高失效数据重构效率。实验结果证实,与传统纠删码策略性能比较,该方法有较短的重构时间和较高的重构成功率。
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