微重力动态水气分离器性能仿真与理论分析

开展微重力动态水气分离器性能研究,对水气分离技术设计与优化具有重要意义。根据动态水气分离器内部结构和流动形式,建立了基于环状流-库特流假设的理论分析模型,提出了基于界面概率近似方法的欧拉双流体模型描述由流动形态转化造成的混合流多尺度界面,采用多参考系方法处理转动与非转动区域之间的变量交互问题。应用理论分析与仿真两种方法研究动态水气分离器准稳态和瞬态特性的无量纲参数变化规律。结果表明：理论分析与仿真结果具有较强的相互验证关系;准稳态的增压比和能耗特性能提供设计参数选择依据,能效比能确定最佳工作区间;分离阶段瞬态特性与入口流动参数无关,输运阶段瞬态特性与入口流动参数、液路出口阻尼相关;以输运压力作为液路出口电磁阀关闭充分条件可实现液分离效率不受入口流动参数影响。     

飞机抛物线飞行试验中的液体行为仿真

微重力环境下液体的流动特性和晃动行为是航天工程上颇为关心的问题,也是进行推进剂管理的基础。飞机抛物线飞行是创建微重力环境地面实验方法之一,可实现对一定时间内液体行为的观测,但其成本较高且试验时长受限。基于失重飞机的一般运动规律,对单次及多次抛物线飞行的任务剖面进行了设计,并以单次抛物线飞行为例、利用CFD软件对液体行为进行了数值仿真,分析了失重飞行段初始条件对微重力液体响应的影响。仿真结果可为失重飞机飞行任务剖面的设计和优化提供参考。     

“神舟八号”飞船实时水稻细胞培育及表达谱芯片分析

成功建立了在空间微重力条件下水稻细胞的培养体系,并在"神舟八号"飞船空间飞行时的微重力条件下对培养过程中的细胞进行了实时固定,保存了水稻细胞中反映微重力条件下基因表达状态的RNA样品。返地后,用RNA质量检测和表达谱芯片方法对回收样品进行了分析。提取的水稻细胞RNA质量检测合格,表明本次空间的实验和固定方法可行和可靠。进一步分析水稻表达谱变化情况显示,微重力条件下水稻细胞的表达谱相比地面重力条件和微重力条件下人工1 g条件下的对照有显著差异。     

套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼地面展开重力卸载研究

大型空间展开机构在微重力环境工作,自身不具备克服地面重力展开的能力,在地面进行展开试验验证时,需对机构进行重力卸载。套筒驱动的大型可展收柔性太阳翼存在在轨展开步骤多路径复杂、活动部件多、收拢构型紧凑而展开尺度大的特点,地面重力卸载难以实现。以过程无需调整航天器姿态就完成全部展开步骤为目标,利用气浮法、配重法、悬吊法等对展开过程的不同步骤设计了相应的重力卸载方案。采用特殊构型的工装解决了干涉问题,采用主动牵引的方法消除了工装引入的摩擦力。方案得到地面展开试验验证,具有工程借鉴价值。     

月面重力环境效应的地面模拟方法

月球探测和月球基地建设涉及各种月面操作活动,相关技术的地面验证需要建立等效月面环境.针对月面重力环境效应的地面模拟问题,首先介绍了空间微重力环境效应地面模拟方法的原理及优缺点,分析了其用于模拟月面重力环境效应的可能性;然后归纳分析了星体表面操作地面试验现状及面临的问题;在此基础上,介绍了一种液磁混合悬浮模拟方法,阐释了...     

空间机械臂地面装调与空间应用迭代学习控制

针对空间机械臂系统地面装调和空间应用两阶段的末端轨迹控制问题,提出了采用闭环PD型迭代学习控制算法对空间机器人进行轨迹跟踪控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务。建立了空间机械臂在地面装调阶段和空间应用阶段的运动学与动力学模型,给出了控制算法和控制结构,并通过对控制器的收敛性进行分析,给出系统收敛的充分条件。仿真结果表明,采用闭环PD型迭代学习控制算法对轨迹跟踪是有效可行的。     

基于空间环境下细胞预处理装置的研制

生物样品的分离纯化是生命科学研究中的重要环节。在常规地面分离方法中,往往用到离心、萃取等操作,然而在空间微重力条件下,常规的方法无法进行,需要采用特定的方法和技术进行研究。以实现空间环境下细胞内生物大分子的分离为目标,研制了一种可以自动化一体化的装置,其先对细胞样品进行清洗、裂解并释放内溶物,然后在超滤分离池中将生物大分子和小分子化合物进行分离。通过对分离获得的大分子物质如蛋白质的回收率来优化仪器装置的最佳运行条件。结果表明,所研制的装置通过泵在一定频率下的切换,可使裂解体系在膜上进行反复的往返振动,从而使裂解液与细胞进行充分的接触,有效提高了细胞裂解的程度,提高了大分子蛋白的回收率,并通过条件优化确定了装置的最佳运行条件。     

可折展载人月球车移动性能仿真与试验分析

为更加有效地研究载人月球车移动系统低重力环境下的移动性能,建立了载人月球车仿真模型,并对地月两种不同重力环境下的移动性能进行了仿真对比分析,在地面重力条件下极限越障高度明显降低。轮地相关参数不变,仅改变重力加速度,仿真得到载人月球车移动系统地面重力下最大可爬坡角度小于月面重力下可爬越最大坡角。同一越障高度,土壤相关参数一致,重力加速度不同的情况下,地面重力条件下移动系统质心加速度明显大于月面重力条件下的质心加速度值。在移动性能仿真分析基础上,对可折展载人月球车移动系统地面原理样机进行了搭建,在保证地月不同重力环境下车轮及悬架承受的有效载荷一致的前提下,在地面重力条件下,利用实验室松散沙土模拟月壤进行了越障和爬坡等通过性能试验,验证了所设计的移动系统满足设计约束要求,为后续载人移动系统的深入设计奠定了基础。     

微重力下空间循环离心泵空化性能研究

针对现有空化模型对微重力下复杂空化流动预测精度不高导致卫星在轨加注用循环离心泵的工作压力低易发生空化的问题,建立了基于表面张力系数的空化两相流计算模型预测微重力环境下循环离心泵空化流动,使用该模型计算了泵在空化时的性能,预测了泵内部发生空化时的空化形态以及空化体积,对比分析了常重力下的泵空化时的外特性以及空化流动形态。研究表明,微重力下表面张力的作用导致泵内部空化体积降低以及扬程的提高,微重力下表面张力在一定程度上可以抑制空化的发展。     

微重力条件下卫星贮箱中的推进剂管理问题

微重力条件下贮箱中液体管理的主要问题是控制液体推进剂在箱中的位置,保证向发动机输送不含气泡的推进剂.对用于自旋稳定卫星的梨形贮箱,在透明的有机玻璃缩比模型中用去离子水作试验介质进行落塔试验.在弹星分离以后,卫星自旋以前通过落塔试验确定气液界面的形状,排出液体时夹气现象和发生夹气时剩余液体的体积,试验为贮箱设计提供可靠的依据.在长寿命的卫星上将采用一种大型表面张力贮箱,在微重力条件下将要进行相关的液体流动特性试验,如气液界面的平衡位置,挤出效率,液体流动的阻力损失,流体的晃动等,验证设计的合理性.     

低温推进剂在轨贮存与管理技术研究

低温推进剂由于其比冲高、无毒无污染,是载人和深空探测的首选推进剂。为解决空间恶劣的热环境和微重力环境下推进剂大量蒸发损耗及推进剂的气液两相混合等问题,以低温推进剂的在轨贮存与管理技术为研究对象,给出低温推进剂绝热的贮存方案和微重力气液分离的管理方案。并对其中的适用中短期任务的方案进行日蒸发率等指标核算,然后对方案中的热力学参数变化对系统方案中的蒸发量控制等影响进行讨论。最终给出针对载人登月等短期项目的低温推进剂在轨贮存与管理的推荐方案。     

面向空间机械臂任务验证的硬件在环半物理仿真系统研究

针对空间机械臂在轨任务进行高保真地面仿真和验证的需求,搭建了空间机械臂操作任务验证平台(MTVF)系统。该系统基于硬件在环技术,将空间机械臂动力学仿真模型、两台地面模拟机械臂和测量系统通过实时仿真计算机实现软硬件的整合,具有响应速度快、跟踪精度高的特点。开发了闭环稳定算法和阻抗控制算法以保证MTVF系统的高保真性能,并通过搭建仿真计算模型以及设计地面试验等方法对MTVF系统的性能进行验证,结果表明,该系统能够反映真实微重力环境下空间机械臂的动力学特性,能够实现对真实微重力环境下的空间机械臂在轨操作任务进行高保真的地面试验和验证。     

一种利用富氮气体增压的涡轮增压惰化系统

为了提高惰化系统对引气的利用效率,提出利用富氮气体(Nitrogen Enriched Air,NEA)增压的涡轮增压惰化系统。系统利用 NEA的高压对动力涡轮进行膨胀做功,并利用轴功带动压缩机对进入空气分离器前的气体进行增压,以提高空气分离效果。相比于宽体飞机普遍采用的引气增压惰化系统,该系统可节约 23.1%~41.2%引气消耗量。进一步,基于国内某型空气分离器的性能,探讨了宽体飞机在巡航高度引气压力较低的现状下,利用 NEA涡轮增压系统实现双流量模式的具体设计过程。研究表明,利用涡轮增压技术提高 NEA纯度,能使 NEA的氧体积分数满足小流量、中流量和大流量阶段的特定要求,利用 NEA增压的涡轮增压惰化系统可以提高引气的利用效率,显著 降低 NEA的氧体积分数,提升惰化系统性能。     

空间对接机构缓冲试验台分离性能分析

为了模拟空间的分离过程,在地面上研制了具备五自由度的大型缓冲试验台,以此研究在对接分离过程中运输飞船和空间站相对分离速度、姿态角及姿态角速度等的变化规律。地面五自由度状态试验台获得的试验数据能否代表空间零重力六自由度实际状态,需要对分离试验台做分离性能分析。建立了地面环境及空间零重力环境两种状态下的理论分离模型,对比了两种状态下的分离过程和结果;同时还建立了两种状态下的全数值样机仿真模型,依据某工况下的试验条件,计算分析了运输飞船和空间站在分离过程中的运动特性。从理论和数值仿真两方面阐述了缓冲试验台在模拟分离时的情况,论证了利用缓冲试验台模拟空间状态下两飞行器分离过程的有效性。     

液滴撞击超疏水表面的能量耗散机制

针对飞机表面易结冰部位设计超疏水表面,可以大幅度减轻对高能耗防/除冰技术的依赖程度,进而提高飞机的燃油经济性。主要通过实验研究与数值模拟的手段,分析讨论了液滴撞击分级粗糙结构超疏水表面过程中的能量耗散机制。以Ti6Al4V为基体经过喷砂处理形成微米级粗糙结构,然后在1mol/L的低浓度NaOH溶液中水热生长一层一维纳米线,构建出微/纳米复合粗糙结构并氟化修饰获得超疏水表面。通过场发射扫描电镜(FE-SEM)观察了微观形貌的变化规律,利用动态视频接触角测量仪表征试样表面液滴表观接触角与接触角滞后。基于气液两相流动界面追踪的复合Level set-VOF方法,实现了液滴撞击超疏水表面过程的数值模拟。采用高速摄像技术记录了撞击液滴在超疏水表面的运动过程,实验验证了模拟方法与铺展计算模型的正确性,并详细讨论了液滴运动过程中的能量耗散问题,分析表明液滴撞击过程中的能量耗散主要取决于超疏水表面的动态润湿特性和润湿界面模型。     

太空行走的训练

人类长期以来生活在重力环境里,而航天员在舱外执行各种任务时是处于一种微重力环境。在微重力环境下行走或工作可不是一件容易的事,当航天员按照地面的习惯来行走或操作时往往会用力过度,使自己飘离航天器或无法准确地完成操作。而且,在分析航天事故中,可以发现很多事故与航天员违反操作规程和训练不够有关。因此,为了更好地完成出舱任务,航天员在执     

液气式针栓喷注单元喷雾场结构试验研究

径向孔型针栓喷注器相对于径向缝型针栓喷注器具有更复杂的喷雾场。为了研究径向孔型针栓喷注器的喷雾场结构，将径向孔型针栓喷注器简化为单个气体射流与液膜碰撞的针栓喷注单元，采用了背景光成像系统结合激光相位多普勒技术（PDA），以水和空气为模拟介质，对液气式针栓喷注单元的喷雾场进行了试验研究。试验结果表明，液气式针栓喷注单元喷雾的三维结构呈现“喇叭”状。根据喷雾的形成过程及液滴的分布，液气式针栓喷注单元喷雾可以划分为4个区域：碰撞区、液滴区、液雾区及液丝区。液气式针栓喷注单元喷雾的分布范围可由内边界角、外边界角、中线角及散布角表示，均随局部动量比的增大而增大。液滴区的粒子主要由碰撞过程产生，SMD较大；液雾区的粒子经碰撞过程产生后，在气动力作用下进一步雾化，SMD小。由于液雾区的速度和粒径同时受到气动力作用的影响，粒径分布与速度分布在空间上呈现负相关趋势。     

整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。     

空间生物学中应用秀丽隐杆线虫的研究进展

空间环境能够对包括人类在内的生物体产生多种生物学效应,其中空间辐射和微重力是主要的影响因素,可以引起生物体在多个生物学水平上发生明显的变化。受空间飞行试验的条件限制,选择一种合适的生物学模式材料就成为了开展空间生物学效应研究的前提和基础。本文主要概述了秀丽隐杆线虫的生物学优势,总结了利用线虫开展的空间生物学研究进展,并对利用线虫进行地面辐射和模拟微重力的实验结果进行了讨论,总结和分析了利用秀丽隐杆线虫进行空间生物学研究应该注意的问题。     

超声速内埋武器不同分离方式分析

为给高空高速无人机内埋武器分离方式的选择提供权衡依据,建立了弹舱及弹体模型,采用chimera嵌套网格方法与Menter SST k-ω湍流模式,对舱内重力投放、舱内弹射投放及舱外重力投放三种内埋武器分离方式在高空高速条件下的内埋武器分离过程进行了仿真分析,对比了三种分离方式分离过程的流场特性与弹体运动参数。结果表明,在Ma=3.7,高度为2.5 km的条件下,舱内弹射投放与舱内重力投放能够使内埋武器安全分离,舱外重力投放在高空高速条件下无法完成内埋武器的安全分离,弹体无法快速下落并伴有大幅振荡,威胁无人机的飞行安全。