地震重力观测技术的新发展方向:绝对重力与重力梯度一体化观测

高精度绝对重力与重力梯度一体化和阵列式观测可有效提高不同深度重力场源体的识别精度。本文基于中国地震局发布的《中国地球物理站网(重力)规划(2020—2030)》中绝对重力观测技术的不足和发展方向,提出了绝对重力与重力梯度一体化的观测技术思路。在监测中发现,强震孕育过程中壳—幔热物质运移引起的微重力变化信号,有利于提升破坏性地震的中、短期和临震预测能力。有必要进一步拓展重力站网绝对重力控制能力等方面的应用,为我国专业地震台站探索重力观测技术新发展方向。

多自由度激光干涉空间惯性质量块位姿测量

鉴于通过测量高精度的位移数据可以获得高精度的微重力加速度数据,进而服务于多种空间科学载荷的研究任务,提出了一种基于三组正交对称角锥棱镜的双频光路,利用外差干涉测量技术实现空间惯性质量块的六自由度位移和角度测量的方法。通过光路矢量分析建立了实际角锥棱镜的光路模型,考虑质量块在运动过程中带来的附加光程差,推导了各测量光路的光程变化与质量块六自由度位姿的函数关系。为了克服小角度近似法精度不高的缺陷,提出了利用数值计算法解耦姿态角进而获得相对位移的位姿解算算法。利用空间在轨位姿数据和随机位姿数据进行系统仿真。仿真结果表明:数值计算的位移误差小于0.02 fm,且该方法的计算误差不会随着飞行器振动的增大而变大,算法具有更高的精度和更好的适应性。最后,分析了系统的误差来源,在保证角度安装误差小于5 mrad、距离安装误差小于10μm且平行度小于2 mrad时,系统的姿态角测量误差小于0.017°,位移测量误差小于10 nm。本文提出的六自由度测量及解算方法也可以服务于其他精密加工与检测领域。

协作机器人辅助的空间展开机构桁架铰链微重力装配

针对大型空间展开机构桁架铰链装配中重力卸载过程复杂、需手工反复调整、装配精度一致性差的难题,提出一种采用协作机器人辅助的桁架铰链微重力装配方法。首先提出协作机器人辅助的微重力装系统架构和工艺流程;然后利用视觉引导结合四元数有界偏差关节路径规划法,实现桁架铰链的快速自动抓取;构建基于D-H法的机器人运动学模型,并利用牛顿—拉夫森迭代法在线补偿位姿误差,提高机器人在桁架铰链装配中的绝对定位精度;最后构建桁架铰链的重力卸载等效模型,并利用基于内环位置控制的机器人阻抗控制方法,实现桁架铰链的自动平稳重力卸载。实验表明,该方法的位姿精度满足桁架铰链装配要求,并可使桁架铰链以临界阻尼形式进行平稳重力卸载,为大型空间展开机构关键组件高精度装配和重力卸载提供理论依据和技术支持。

微重力测量在城市地下空间探测应用研究

城市地下空间探测是解决城市地下问题的重要途径,探明城市地下空间地质构造对于城市开发具有重要意义。如何更好的实现城市地下空间“透明化”是人们直在探索的问题;传统的勘探方法可能会对原有环境造成破坏,难以在复杂的城市环境中开展;而地球物理勘探方法具有无损探测的特点,能够很好的获取城市地下精细结构信息。重力勘探是最常用且有效的地球物理勘探方法之.

空间高微重力主动隔振系统加速度测量研究

为实现空间高微重力主动隔振系统的主动隔振性能,需要精确测量平台的振动。首先介绍采用线加速度计测量刚体线加速度和角加速度的动力学原理,给出加速度计配置时要满足的条件,然后提出两种六加速度计配置方式并给出加速度解算公式,着重分析了两种配置方式下加速度计的测量误差和安装误差对加速度解算精度的影响,给出了相应的误差模型和分析结论,这为加速度测量系统设计提供了依据。

半浮区液桥热毛细对流速度场特征

液桥流场的速度分布是液桥表面张力梯度驱动对流的一个重要研究内容。通过地面模拟微重力环境的液桥实验以及数值计算,研究了外加温差、液桥腰径等对流场速度分布的影响,实验结果与数值计算结果相当符合。结果还表明,当液桥腰径减小时,流场的结构发生了变化,涡心由一个转化成两个。

老旧防空洞探测方法与分析

老旧防空洞是一种隐埋于地下几米到几十米的人防设施,一般的仪器无法从地表对其准确定位。本文利用地球物理勘探微重力测量和瞬变电磁测量两种方法,分别对已知参数防空洞进行探测,通过和已知防空洞的参数进行对比,总结出了微重力探测老旧防空洞的有效方法。

空间微重力环境下主动隔振系统的三维位置测量

为保障实验载荷的微重力水平不被破坏,需要对载荷进行位置测量以便在较长的时间里控制浮子运动行程免于碰撞定子内壁。本文在介绍二维位置敏感探测器(PSD)工作原理的基础上,提出了用三个二维PSD进行三维位置测量的方法并推导了解算三维位置的数学模型,文中还对国产W204型PSD的非线性误差进行了双一次插值处理,提高了PSD自身的测量精度,最后仿真分析了位置安装误差对三维位置解算精度的影响,对三维位置测量设计具有指导意义。

基于石英挠性加速度计微重力测量仪在空间站的应用

空间站微重力环境为基础实验研究和新技术开发提供良好的试验平台。对空间站中微重力水平准确测量及分析和评估,测量有效性作为科学依据显得尤为重要。文章主要从微重力测量原理及结构组成、软硬件设计、在轨数据验证得出结论:采用模拟与数字滤波相结合提高了精度,实现100MbPS通信速率实时在线传输能力,将原有传输速度由0.3Mb/s提高到目前100Mb/s实时数据传输,大幅度解决了采集系统采样速度快,对外部接口数据传输慢的技术难题,且同时对软件进行优化设计,增加处理器余裕量比常规软件运行占用量提高20%,满足航天产品的高可靠性特点。且精确高、动态响应快的微重力测量设备。既提升拓展了我国航天领域中空间微重力测量能力和应用。又为未来深空探测能力进一步提高提供有力的支撑。

卫星相机中侧视反射镜振动及微重力环境下的影响分析

文章介绍了“资源一号”卫星02星在地面测试时CCD相机图像扰振现象和对像质的影响, 图像扰振的原因———相机的侧视反射镜发生振动。探讨了侧视反射镜共振的机理: 由于预紧蜗簧与蜗轮弹性变形的组合弹簧而形成共振系统, 从而使外来干扰振动被放大, 并由此得到克服或控制扰振的方法。此外, 还讨论重力环境变化对反射镜振动的影响,认为不会增大振动的影响, 卫星在轨工作时相机可以保持地面同样效果。卫星发射后, 图像像质良好, 说明反射镜振动得到控制, 也说明重力环境改变对振动没有异常变化。

1990年中国返回式卫星的微重力水平监测

叙述了1990年中国返回式卫星采用的微重力测量系统概况、微重力测量数据的处理方法、微重力测量结果与分折。指出:这是国内首次空间微重力水平监测;研制的JS05-1A 微重力测量仪动态精度优于4μg,响应时间6ms,达到了国际同类仪器的先进水平;该仪器为指导优化空间晶体生长的微重力环境及了解卫星工作状况提供了有力手段。通过对该卫星微重力水平监测所获得的73505对数据进行分折,发现有效载荷动作是影响卫星微重力水平的主要因素,为10^(-4)g 量级;有效载荷不动作时,除1.23%的时间存在10^(-4)g量级不明干扰外,有97.6%的时间微重力的绝对值小于4×10^(-5)g,仅O.3%的时间在10^(-4)g 量级。

微重力煤粉燃烧实验装置的研制

介绍了一种空间煤粉燃烧实验装置,用于研究微重力条件下煤粉颗粒群的热解、气化、着火、挥发分的析出与焦碳燃烧及其燃尽等燃烧特性.采用间断式喷入方式,当炉膛内温度达到设定值时,将煤粉通过一定氧气比例的空气喷入,观察并记录煤粉在炉膛中的燃烧过程.燃烧完成之后,测量燃烧产物中的气体成分和含量.给出了利用该装置在地面进行煤粉燃烧实验的结果.详细介绍了该实验装置的系统构成、工作原理、工作过程,并提出了进一步改进的方案.

基于石英挠性加速度计的微重力测量系统设计

在空间科学探测中,通常采用静电悬浮加速度计测量低频准稳态微重力信号,但其体积较大、成本较高。高精度石英挠性加速度计体积小,技术成熟,但用于微重力信号测量时,高频噪声抑制不充分将导致频谱混叠、微重力低频测量精度降低。提出了一种将石英挠性加速度计改造为小量程、高精度的微重力加速度测量系统方案,其核心指标是噪声抑制和抗混叠性能。通过电路建模、仿真,验证了频谱混叠对低频微重力测量的影响以及抗混叠滤波器和过采样技术的有效性。测试实验结果表明,该加速度测量系统的低频噪声水平可以达到10^(-7)g/√Hz,分辨率0.12μg,低频至0.001 Hz,显示出了石英挠性加速度计用于微重力测量的精度潜力。

基于扭摆的微冲量测量方法及实验研究

超高微重力水平的卫星平台在空间引力波探测、地球重力场测量中发挥着重要的作用,脉冲微推力器可以帮助微重力卫星实现姿态控制.微冲量是评价脉冲微推力器性能的重要指标之一,常用的基于扭摆的微冲量测量方法有两种,方法一是根据单个冲量元瞬间作用于无阻尼扭摆后,扭摆转动最大角位移计算冲量,方法二是根据高固定频率的连续脉冲作用于有阻尼扭摆后,扭摆转动的平均角位移计算冲量.为了在地面实现对脉冲微推力器的微冲量测量,利用已有的基于扭摆的亚微牛级推力测量系统,进行了实验研究.利用静电梳齿产生的标准静电力标定已有的扭摆推力测量系统,通过电容式位移传感器测量扭摆角位移,进而得到推力与角位移的关系,以及其他扭摆系统参数;然后,根据两种冲量测量方法,再以电磁螺线圈与永磁体分别产生瞬时磁力与固定频率的磁力作用于扭摆,研究推力测量系统微冲量测量性能.实验结果表明:使用方法一时,推力测量系统冲量测量范围为0.05~220μN·s,分辨力可达到0.02μN·s;而利用方法二测量微冲量相比于方法一而言,能够扩大冲量测量范围,提高冲量分辨能力.

空间环境下金属熔体扩散研究进展

金属熔体的扩散行为是凝聚态物理研究的重要课题之一。金属熔体的扩散系数是描述熔体质量传输现象的重要参数,精确的扩散系数对于基础材料科学研究和工程应用领域都非常重要。介绍了几种常用的金属熔体扩散系数测量技术以及国内关于金属熔体扩散的研究进展。由于受到各种因素的影响,如重力效应引起的对流,地面条件下测量得到的扩散系数往往存在很大的误差。总结了国外学者在空间微重力环境下开展的一系列的金属熔体扩散系数测量研究工作,由于技术和成本的限制,目前空间实验得到的精确的扩散测量结果还十分匮乏,这导致人们对金属熔体微观质量传输机制认识远远不足。结合现有的实验结果简要介绍了几种扩散理论模型,并予以简要的评述。最后给出了熔体扩散未来值得研究的方向,提出了未来要解决的科学及技术问题。

基于吊丝悬架的地面微重力补偿实验系统设计

地面微重力补偿实验系统越来越多地应用于智能助力设备上。ITER装置内受损零件的更换由操作员通过遥操作机器人主机械手操控从机械手完成,为了使操作员操控省力,需要对主机械手进行重力补偿。基于吊丝悬架的微重力补偿方案,设计了一种吊丝摆角测量装置,能够方便有效地实现吊丝摆角的测量。首先对系统进行总体设计,然后对吊丝摆角测量装置进行理论计算及ADAMS运动学仿真,得出了该装置对吊丝摆角测量的放大倍数,接着设计了系统的控制方案,最后对系统进行相关补偿实验,验证了该设计的可行性。

二维微重力测量与目标发现率研究

随着测量仪器精度的提高,重力勘探正逐步走向微重力勘探阶段。与普通的重力测量相比,微重力测量虽然获得数据精度较高,探测到比较微弱的重力异常,但也容易受测量条件等可控因素的影响,降低了对异常体的发现率。以简单规则球体为理论模型,分别对影响目标体发现率的仪器因素、目标球体的模型因素、航空测量等因素作了初步研究。定性地给出了目标体发现率与各种影响因素之间的关系。并以理论模型模拟实测数据,体现出正确处理可控制因素对于实际工作的影响。

微重力方法的研究及其应用

用最先进的Lacoste—D型重力仪可以进行微伽级的重力测量和在此基础上的微重力研究,使微重力方法在实践中得到很好的应用与验证,也为重力学的研究开辟了新的分支领域。

微重力测量及浅层地震在岩溶勘查中的应用

微重力测量是利用目标地质体与围岩的密度差异进行探测的地球物理方法,通过采集的重力异常数据来分析地下地质体物理性质。浅层地震勘探则利用介质的波阻抗差异来探测地下岩溶的方法。微重力测量与浅层地震在探测岩溶、断裂效果显著,而且微重力测量对弱小异常敏感,能够将其识别出来。

利用重力非跨越式探测城市地下空间方法研究

近年来,私挖乱建地下室扩大住宅面积现象日益普遍,严重威胁城市内各类建筑以及地下基础设施的安全。因此,探测地下空间破坏现状是亟需深入开展的工作。基于地下空洞会在一定范围内引起重力异常这一原理,利用CG-5重力仪在2个有代表性的区域进行实验。采用重力非跨越式探测方法,对目标地下空间进行微重力测量。依据测量数据和图像,判断出地下空间位置、边界和规模,由此验证利用重力仪在城市地下空间外侧一定距离内探测地下空间的可行性。