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2023年  第43卷  第5期

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空间物理
非对称磁场重联电子扩散区附近的能量通量分析
王俊, 周猛, 庞烨, 邓晓华
2023, 43(5): 795-806. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0014
摘要(455) HTML全文 (102) PDF 4180KB(125)
摘要:
磁场重联是等离子体中非常重要的能量转换过程，研究该过程中的能量转化形式及其分配十分重要。目前有很多关于对称重联中的能量通量的研究，而磁层顶的非对称重联的研究却很少，特别是多事件的统计研究。因此挑选了MMS卫星观测到的10个经过电子扩散区的磁层顶重联事件对其进行分析，结果表明在不同的事件中能量通量的分配情况不一样，但在大多数事件中，离子焓通量占主导地位，其次是坡印廷通量，离子热通量略小于坡印廷通量，离子动能通量、电子焓通量和电子热通量占比在10%以下。通过对事件进行归一化处理，得到了L方向和M方向的不同能量通量随L方向的磁场和离子速度的关系图，并分析了每种能量通量的分布特征。
磁暴期间OI 135.6 nm气辉经纬及高度分布的变化特征
李春来, 吕建永, 李婧媛
2023, 43(5): 807-820. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0022
摘要(434) HTML全文 (128) PDF 2242KB(84)
摘要:
利用GUVI探测器观测的OI 135.6 nm气辉辐射数据，研究了2003年10月和11月两次持续时间不同的强磁暴期间气辉辐射强度经纬度分布及纬度–高度分布的变化。结果表明，全球大部分区域内OI 135.6 nm气辉辐射强度在磁暴期间会随着Dst指数的降低而增强，与磁暴的剧烈程度呈现准正相关关系。从纬度上看，气辉辐射强度的增强会由磁静期的磁赤道两侧附近向高纬地区延伸至南北半球50°附近，增幅基本在80%以上，最大可超过200%，且经纬度分布在磁暴期间的变化情况呈现出南北不对称性和纬向不对称性；从高度上看，气辉辐射强度的增强会由磁静期的300～400 km（即电离层F2层高度）扩散至其他高度，特别是在100～200 km（即低热层高度）的部分纬度上会出现相比其他高度更为显著的增强，增幅超过300%；气辉辐射出现增强的时间与磁暴相位基本同步。
张衡一号卫星探测的赤道附近电场分布及其与电离层分布的关系
何宏玮, 王秀英, 赵国存, 杨德贺, 王桥, 黄建平
2023, 43(5): 821-832. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0020
摘要(402) HTML全文 (181) PDF 3617KB(96)
摘要:
利用张衡一号卫星搭载的电场探测仪（Electric Field Detector，EFD）获得的VLF频段2019年电场功率谱数据，研究赤道附近区域近东西向电场的背景分布、季节变化以及与电离层背景的关系。结果表明：白天电场背景在赤道及其附近随季节呈不同波形结构，以3波、4波为主；夜间电场背景规律性稍差，仍呈随季节变化的经向波形结构分布特征；白天电场背景与电离层背景的季节变化呈高度正相关性，春秋季为峰值；夜间电场背景的季节变化特征是夏冬季峰值，与夜间电离层背景整体上呈负相关性。VLF电场功率谱观测数据与电离层观测数据在较大和较小空间尺度上的统计特征上都具有一致性。EFD载荷为电离层相关科学问题的研究及应用提供了一个可以使用的电场观测数据集。
雷暴电场对LHAASO观测面宇宙线次级粒子横向分布的影响
陈林, 周勋秀, 阿西克古, 黄代绘, 王培汉, 陈学健
2023, 43(5): 833-839. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0027
摘要(322) HTML全文 (91) PDF 1795KB(42)
摘要:
在雷暴电场的偏转作用下，宇宙线次级粒子到达探测面的位置将受到影响，其横向分布也将发生变化。本文采用Monte Carlo方法，研究雷暴期间LHAASO观测面（海拔约4400 m）宇宙线次级粒子横向分布的变化。结果表明，雷暴期间次级粒子的横向分布将变宽，其变化幅度与电场强度有关，与天顶角、原初能量也有很强的依赖关系。在–1700 V·cm–1的电场中，次级粒子横向分布的变化幅度在天顶角0°时为3.8%，天顶角50°时为34%；当原初能量约180 GeV时，次级粒子横向分布的变化幅度为9.9%，原初能量约560 TeV时，其变化幅度高达119%。本文的模拟结果可为理解雷暴电场偏转宇宙线次级粒子的物理机制、雷暴期间LHAASO中宇宙线数据的变化规律提供信息。
Image Feature Extraction and Matching of Augmented Solar Images in Space Weather
2023, 43(5): 840-852. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0064
摘要(360) HTML全文 (163) PDF 2273KB(63)
摘要:
行星科学
月球熔岩管探测中月表杂波识别方法仿真
马士璇, 董晓龙, 朱迪, 马剑英, 白东锦
2023, 43(5): 853-863. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0017
摘要(375) HTML全文 (173) PDF 2312KB(67)
摘要:
月球上可能存在大量可用于抗辐射、躲避陨石撞击和月球表面极端温度变化的熔岩管。月球表面杂波识别以及与熔岩管目标回波的区分是月球熔岩管目标探测的重要问题。根据高频电磁波与低频电磁波在月壤中的路径衰减快慢不同，熔岩管道高低频功率比与月表杂波高低频功率比不同的特征，提出了一种利用高低频电磁波功率比进行月表杂波识别的方法。基于分辨率、回波功率、信杂比和信噪比对熔岩管探测雷达进行了参数优化设计，建立了仿真系统，利用伪谱时域方法对不同走向的月球熔岩管回波进行了仿真研究。仿真结果表明了利用回波的高低频功率比区分月表杂波和熔岩管回波的有效性，熔岩管道高低频回波和月表杂波高低频回波功率比与熔岩管埋深度呈正相关，与频率比呈正相关。
基于DRO的小行星往返飞越探测轨道设计优化方法
董博文, 于锡峥, 李明涛, 王楷铎, 王有亮
2023, 43(5): 864-874. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0011
摘要(1196) HTML全文 (178) PDF 2023KB(120)
摘要:
远距离逆行轨道（Distant Retrograde Orbits，DRO）是地月系统内一类稳定的周期性轨道，本文研究航天器从DRO轨道站出发，通过月球和地球引力辅助实现飞越探测近地小行星的往返转移轨道设计方法。通过地月引力辅助作用和中途杠杆机动等技术手段减少调整倾角所需的速度增量，扩大在相同速度增量约束下飞越探测小行星的可达范围。同时，通过引入DRO调相轨道，减少DRO逃逸和俘获时的相位约束，将转移轨道段与DRO轨道站的相位解耦，从而降低了该问题的计算复杂度。仿真结果表明，在2 km·s–1的速度增量等约束条件下，通过此研究方法可以实现从DRO轨道站出发飞越探测近地小行星并返回的轨道设计。
微重力与空间生命科学
重力跳变引起的贮箱内气液界面波传播规律
魏列, 杜王芳, 薛子扬, 何发龙, 李凯, 赵建福
2023, 43(5): 875-882. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-yg12
摘要(175) HTML全文 (88) PDF 1412KB(29)
摘要:
随着航天技术的进步，航天任务复杂性的不断提高，对液体火箭发动机多次关机重启的要求日益普遍，相应地对推进剂管理系统的要求也越来越严格。关机滑行期间，贮箱内重力水平减弱，毛细力开始成为主导作用力，液体推进剂在毛细力的作用下可能脱离排液口，使得供给发动机的推进剂夹气，导致点火失败。为了确保发动机在经历自由滑行后能顺利重启，就必须考虑贮箱内气液界面如何响应重力和加速度水平改变的问题。针对常用构型和尺寸的空间贮箱，数值模拟了不同Bo数下气液界面波的传播，研究了不同Bo数下界面波传播的机制，发现了贮箱内界面波的传播速度随着Bo数的增加而增大，并得到Bo数从1～5000范围内描述界面波传播规律的Fr数与Bo数之间的标度关系。
基于压力驱动多液滴浸润状态响应调控
陈聪, 蓝鼎, 王进
2023, 43(5): 883-889. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-yg10
摘要(184) HTML全文 (139) PDF 1435KB(29)
摘要:
液液界面浸润性可控操作的实现，在界面纳米有序结构组装、液体透镜调节、航空航天等方面具有重要意义。从宏观尺度研究了以表面活性剂溶液为底液的液液界面浸润问题，进行以表面活性剂溶液为底液、正十六烷为操控对象的浸润可控调节研究，分析界面单层活性剂分子在液体动态浸润性变化过程中的内在机理，选择固定浓度的表面活性剂溶液，以此匹配最佳的正十六烷铺展状态。通过拉压驱动液面的方式改变液滴铺展状态：挡板拉伸时，每个液滴浸润面积增大，并产生液滴形变；挡板压缩后，浸润面积减小，恢复圆环形状。实现了浸润状态的动态响应。通过拉压，实现了对单液滴的铺展–收缩的控制，在单液滴的基础上实现了双液滴、三液滴浸润状态的协同。
不同重力环境和倾斜角度对毛细管内界面振荡行为的影响
霍晓智, 王晴, 顾君苹, 王战涛, 于强, 王庆功
2023, 43(5): 890-898. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-05-yg09
摘要(515) HTML全文 (111) PDF 1805KB(53)
摘要:
毛细现象与界面动态演化在航天器工程及空间流体管理中具有重要作用。在常重力条件下已发现毛细管内会产生界面振荡现象，该现象主要与毛细尺度、流体物性和壁面润湿性等因素相关。然而在空间应用过程中，毛细界面运动受到倾斜角度和重力环境变化的影响，其常规振荡行为会发生改变。针对这一问题，建立了毛细管内界面演化过程的理论模型，同时开展了数值模拟研究，获得不同重力条件及倾斜角度对毛细管内界面振荡行为的影响规律和可视化结果。研究表明，毛细管内界面振荡行为由Ohnesorge数（Oh）和Bond数（Bo）的比值决定。随着重力加速度增大，Oh/Bo变小，振荡现象加剧。毛细管倾斜后，界面振荡行为受到沿毛细管方向重力分量的影响，毛细振荡效应随倾斜角度的增加而弱化。
不同气氛热冲击下Al:WS2薄膜摩擦学性能的响应机理
刘建, 剡珍, 郝俊英, 刘维民
2023, 43(5): 899-906. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0037
摘要(291) HTML全文 (153) PDF 3696KB(35)
摘要:
采用磁控溅射技术制备了Al:WS2薄膜。为考查不同气氛热冲击下Al:WS2薄膜摩擦学性能的响应机理，采用自行研制的温度交变真空摩擦试验机开展了真空、氮气及氧气气氛的–100～+250℃的热冲击试验，并对热冲击后Al:WS2薄膜结构、成分以及摩擦学性能进行了研究。研究发现，热冲击后，Al:WS2薄膜柱状晶长大，S含量减少，部分WS2被氧化为WO3，薄膜硬度增加。经氮气热冲击后，薄膜的（002）衍射峰强度明显增强，使得摩擦系数降低。经真空热冲击后，在薄膜表面形成的WO3起到磨粒磨损作用，减少了薄膜寿命；经氧气热冲击后，Al:WS2薄膜中大量起润滑作用的WS2被氧化为WO3，薄膜的寿命显著缩短。
基于超高分辨率和超长深度光学相干层析成像技术的悬尾鼠航天相关神经眼综合征研究
陈思思, 张玺, 郑谷, 汪庆映, 丁学雯, 陈宇雷, 舒咬根
2023, 43(5): 907-915. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-05-yg11
摘要(235) HTML全文 (120) PDF 2087KB(42)
摘要:
为研究航天相关神经眼综合征（SANS）相关特征参数与微重力的相关性，以Sprague-Dawley（SD）大鼠为悬尾动物模型，构建了超长扫描深度的光学相干断层扫描（ULOCT）装置，测量大鼠眼部特征参数（角膜、前房、晶状体厚度和玻璃体腔深度及眼轴长度），以及视网膜超高分辨率（UHROCT）测量装置，测量大鼠眼底亚层结构参数（视神经层、视网膜内层、视网膜外层、脉络膜和巩膜的厚度）。结果表明大鼠悬尾1月后，眼底彩照未见明显视盘水肿等症状，但OCT结果显示大鼠眼结构发生明显改变：角膜变薄（p<0.01），眼轴缩短（p<0.05），视网膜外层变薄（p<0.01）。这些特征参数变化（尤其是眼轴明显缩短）展现了SANS亚临床前期的症状。本文为后续微观层面的SANS分子机制研究提供了宏观动物模型以及在体眼部测量新方法。
空间探测技术
航天传感器响应波段星等计算方法
勾万祥, 贾靖玉, 陈少杰, 李崇辉, 郑勇
2023, 43(5): 916-926. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0046
摘要(449) HTML全文 (225) PDF 5983KB(47)
摘要:
精确的恒星星等信息是开展导航星表建立、航天器定姿、红外相机定标等工作的基础，现有公开星表涵盖测光波段不全且带宽普遍较窄，难以找到与任务传感器响应波段相匹配的星等信息。为此提出了一种基于恒星辐射光谱的传感器响应波段星等计算方法。该方法利用公开星表数据信息，建立星表测光波段与传感器响应波段星等差值模型，对星表星等与传感器响应波段星等差值进行估算；将色指数计算的恒星近似表面温度作为先验信息，在传感器响应波段区间进行普朗克方程求解，进而推算恒星在传感器响应波段的星等。星表数据计算验证表明，该方法具有较好的稳健性和适应性，对传感器响应波段星等推导精度为0.066等 （1δ），93.3%恒星推算误差优于0.2等，可满足导航星表建立、航天器定姿、红外相机定标等应用需求。
基于参数自适应优化聚类的卫星状态异常检测方法
赵玉炜, 苏举
2023, 43(5): 927-937. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0054
摘要(626) HTML全文 (101) PDF 1548KB(72)
摘要:
对卫星在轨状态进行实时监测和异常检测，有利于保障卫星安全稳定运行。为解决在利用聚类分析检测卫星异常过程中，通过网格搜索选择最佳聚类超参数时精细度差、效率低的问题，本文将聚类超参数选择转化为单目标优化问题，并基于智能优化算法的启发式搜索能力，提出了超参数自适应优化的聚类算法UMOEAsII_BIRCH。为验证自适应搜索的有效性，在卫星遥测数据集和公开数据集上进行了测试。以网格搜索为基准，分别选取基于划分、基于密度和基于层次的聚类算法，对比自适应搜索和网格搜索两种方式下，异常检测的F1-score和算法执行时间。实验结果表明，自适应搜索克服了网格搜索中精细度与效率的矛盾，不受网格点的限制，异常检测效果优于基准方法，且在算法执行效率上具有显著优势。
载荷管理器通用地检测试板卡的系统设计
李旭峰, 周莉, 朱岩, 赵文杰, 郝澄
2023, 43(5): 938-949. doi: 10.11728/cjss2023.05.2023-0009
摘要(530) HTML全文 (136) PDF 1444KB(54)
摘要:
地面检测设备用于对载荷管理器的功能和性能进行检测，是载荷管理器研发中的重要保障设备。由于不同型号任务中载荷硬件接口和软件协议差异较大，载荷管理器地检的通用性一直是地检设备的设计难点。提出了一种面向星上设备，尤其是载荷管理器的基于配置文件的通用地面检测设备测试板卡设计。针对不同任务中载荷管理器电接口的物理层约定、通信机制和遥测遥控不同的难题，采用软件配置和硬件可重构的方法实现板卡硬件的通用设计。针对不同任务的科学数据和总线协议数据格式不同的难题，采用基于序列解析的数据包生成方法和超时接收方法实现软件协议、数据格式可配置。通过测试验证了所提出的通用地检测试板卡设计的可行性和通用性。
基于宇航级FPGA的YOLOv5s网络模型硬件加速
蒋康宁, 周海, 卞春江, 汪伶
2023, 43(5): 950-962. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0044
摘要(959) HTML全文 (475) PDF 936KB(114)
摘要:
由于遥感图像具有分辨率高和背景信息复杂的特点，其对目标检测的精确性和鲁棒性要求越来越高，因此遥感图像处理领域逐渐引入了卷积神经网络算法。然而此类算法通常模型复杂且计算量庞大，难以在空间与资源受限的星上平台高效运行。针对这一问题，提出一种基于宇航级现场可编程门阵列（Filed Programmable Gate Array, FPGA）的卷积神经网络硬件加速架构，并选用YOLOv5s作为目标网络，采用输入与输出通道并行展开以及数据流水线控制的策略进行架构设计。实验结果表明，在使用该处理架构加速YOLOv5s的推理阶段，卷积模块的工作频率可以达到200 MHz，其运算性能高达394.4GOPS（Giga Operations Per Second），FPGA的功耗为14.662 W，数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）计算矩阵的平均计算效率高达96.29%。
高精度矢量磁力仪地面测试定标系统大型磁屏蔽室仿真分析
李志宏, 王劲东, 吕尚, 万任新
2023, 43(5): 963-972. doi: 10.11728/cjss2023.05.2022-0067
摘要(430) HTML全文 (173) PDF 3873KB(53)
摘要:
利用有限元分析方法开展大型磁屏蔽室的仿真分析，完成了高精度矢量磁力仪地面定标用大型磁屏蔽室的建模和性能仿真计算，从屏蔽效能、开口影响及内部磁场均匀度等方面对磁屏蔽室仿真计算和实测结果进行对比。结果表明，磁屏蔽空间内部中心区域的剩磁实测数值与仿真结果一致性较好，剩磁分布趋势基本一致，证明有限元分析方法在磁屏蔽室屏蔽性能定量分析的可行性。通过有限元分析方法，能够实现磁屏蔽室开口剩磁影响的定量计算，为磁屏蔽室门及通风孔设计提供依据；同时可以对内部磁场均匀区大小、残余梯度进行验证，有效避免工程实施后发现性能不满足设计要求的风险，有利于保障大空间磁屏蔽室的性能和建造效率。

期刊介绍

ISSN 0254-6124       CN 11-1783/V

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