空间站睡眠区气流组织仿真分析

为了营造舒适安全的空间站睡眠区气流组织环境,建立了三维睡眠区仿真模型,使用FLUENT对空间站睡眠区的流场、温度场以及CO2浓度场进行了数值计算,选取面部速度舒适比例和空气龄作为评价指标,对乘员面部区域气流组织质量进行了评价。结果表明:乘员面部区域速度舒适比例能够达到70%,满足航天员的安全与舒适性要求指标;乘员头部区域空气龄均值为28.4 s,空气较为新鲜;乘员头部区域温度在25℃左右,满足散热需求;乘员口鼻区CO2浓度低于1000 ppm,满足安全性要求。该通风方式满足空间站睡眠区的环控生保设计要求。     

空间站运营任务安全性评估工作研究

针对空间站运营管理中保证航天员和平台安全的需求,介绍了国际空间站安全性工作组织架构和工程活动实施经验,从我国空间站在轨寿命长、在轨任务多、安全性要求高等特点出发,从与人机工效相关的安全性工作、有效载荷安全性认定、以安全性为中心的维修、风险量化分析与控制、建立运营任务安全性规范体系五个方面提出了空间站运营任务的安全性评估工作思路,可以为我国空间站工程安全性技术体系的建立提供借鉴和参考。     

我国空间站安全与任务保证工作若干问题探讨

从我国空间站运营阶段对安全性、可靠性、维修性及质量保证(SRMQA)工作的需求出发,在系统分析国外载人航天安全与任务保证(SMA)工作体系的基础上,总结国际空间站安全性可靠性工作的先进经验,并针对我国空间站对航天员安全、寿命与可靠性要求更高的需求,从管理和技术应用两个方面,系统论述了我国空间站安全与任务保证应重点开展的安全性、寿命与可靠性等工作。     

空间站舱段精细化声振耦合建模与仿真

在空间站长期飞行中,持续、过度的噪声环境会危害航天员的身心健康,并影响工作效率。空间站设备功率大、噪声源数目多、噪声指标严苛,给噪声控制和设计带来很大的挑战。为确保舱段噪声指标满足要求,基于声学有限元方法,根据已掌握的噪声源频谱特性、舱段构型布局、设备安装方式等建立整舱复杂声振耦合精细化噪声仿真模型。对环控、热控及推进分系统等多种噪声源单独工作或同时工作时密封舱内的噪声进行仿真,得到舱内低频噪声水平特性分布。结果表明:声振耦合下舱内的总体噪声水平远高于不考虑声振耦合的情况,并导致三个航天员睡眠区头部的声压级分布差异较大。此外,睡眠区粘贴吸声材料后,对高频段的吸声降噪效果明显,对中频段有一定的降噪效果,但对低频段几乎不起作用。     

空间站出舱活动分离救援技术研究

航天员进行出舱活动时,存在与空间站分离的可能性,涉及航天员安全。救援与空间站分离的航天员,是出舱活动必须考虑的问题。对此,总结了救援技术的发展历程,从人机能力及特性的角度,重点研究了救援的关键技术,包括分离可能性和分离状态分析、救援策略和机制确定、救援系统设计;提出现阶段应以航天员驾驶救援装置返回空间站为主,同时分析了人服特性对控制系统的影响,以及相关新技术的应用前景,指出救援技术的发展趋势是人机系统机动能力的整体提升,可为设计建造实际的救援装置提供思路。     

微重力下离心式锥形两相洗衣机流场的数值模拟研究

针对空间站长期在轨作业时为航天员提供干净衣物的需求,提出了一种适用于微重力环境的离心式锥形两相洗衣机方案。利用FLOW-3D流体力学软件基于VOF方法对微重力环境下该洗衣机方案静态流场分布、洗涤筒/波轮旋转时的动态界面形貌、波轮和洗涤筒对流场力的作用等关键的微重力流体管理问题开展了数值分析,结果表明:洗涤筒的交替转动使流场产生翻转效应,波轮与洗涤筒同向交替运动对流场产生更大的作用力;在气压平衡口安装一种防爬的楔形结构,洗涤过程采用波轮和洗涤筒同向交替转动、脱水过程洗涤筒单向旋转,洗涤效果更好。     

回流燃烧湍流流场激光可视化实验

实验测量了钝体后丙烷/空气湍流扩散燃烧流场及其对应的冷态流场,分析了两种流场的异同点。利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对4种不同工况的冷热态流场进行了测量,得到了燃烧火焰内部的速度场和相应工况下的冷态速度场。结果表明,冷热态流场的速度分布总体相似,但与冷态流场相比,燃烧状态下流场回流区的中心位置升高,长度增加,最大回流速度减小,速度场变得相对紊乱。实验表明,在对湍流扩散燃烧流场作深入研究时,仅利用冷态实验来模拟燃烧状况是不能满足要求的。      

三级轴向旋流燃烧室流场结构研究

为深入了解燃烧室内流场,研究不同来流状态对燃烧室流场结构的影响,基于粒子成像速度仪(PIV)技术,对采用三级轴向旋流器的航空发动机燃烧室进行流场测量,分别在Case 1常温低压(0.49MPa)、Case 2常温中压(0.98MPa)、Case 3常温高压(1.64MPa)、Case 4全状态(高温813K高压2.78MPa)来流条件下进行。研究结果表明,同一燃烧室模型在不同速度、温度和压力来流下有基本相同的流场结构,但在中心回流区尺寸、角落回流区尺寸、主燃孔和掺混孔射流等细节方面仍有明显差异,来流压力较高的流场中心回流区向下游扩展更深入,角落回流区被压缩,主燃孔和掺混孔射流速度增加且进气比例增大。     

中心突扩燃烧室PIV实验研究

利用PIV技术对两种不同尺寸的中心突扩燃烧室在不同入口速度条件下的冷态流场进行了实验研究,测量并分析了流场结构与来流速度、突扩比、喷管收缩段等因素的关系。实验结果表明利用PIV技术能较好地获得高速条件下燃烧室二维速度场;对于不同突扩比的燃烧室,突扩面后的流场结构类似,但回流区的最大负速度与入口速度的比例关系不同;在喷管人口处,流场在此处重新形成旋涡,其直径较大,但强度相对较弱。     

直升机/舰船耦合流场的数值模拟

发展了一套基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的直升机/舰船耦合流场数值模拟方法,采用ROEMUSCL格式对交接面通量进行重构,并采用k-ε湍流模型以提高对涡流场的捕捉精度,直升机旋翼等旋转部件的模拟使用动量源模型。然后,以具有典型驱护舰结构的LPD-17及ROBIN直升机的组合为研究对象,从涡量场、速度场及压力场等方面分析了直升机、舰船耦合情形下的流场特征。研究表明,当来流速度V_∞≥4m/s时,舰船流场进入雷诺数自准区,流场速度无因次化量基本保持不变;直升机着舰时,旋翼会与舰船艉部的涡回流区以及甲板两侧的舷涡发生较强的"涡-涡干扰",在上述干扰以及舰面效应的共同作用下,旋翼拉力产生显著的振荡,并呈现出先减小、后增大的变化特征;当着舰位置向舰尾移动时,艉部回流区的影响减弱,旋翼拉力振荡幅度相应减小。最后,对全机状态下的耦合流场进行了模拟,结果显示机身和尾桨对舰艉流场的主要结构影响较小,可用旋翼/舰船耦合流场来进行直升机安全着舰分析,这将显著缩短计算时间。     

穿舱路径对空间站内航天员定向任务绩效影响的仿真试验研究

航天员在空间站内的不同舱段间穿行时常常会遇到失定向的问题。为了探究不同穿舱路径对航天员完成定向任务的影响,建立了多舱段的空间站虚拟环境,并开展试验,研究了不同穿舱路径中完成定向任务绩效的差异。结果表明:定向任务的绩效在不同种类的穿舱路径间具有显著差异,失重条件下运动方式的变化会造成定向任务绩效的下降。研究结果可以为航天员空间站内定向训练和空间站内导航辅助标识的设计提供参考。     

载人航天 WiFi 头戴的设计与实现

空间站无线局域网是空间站通信网络的重要组成部分。 WiFi头戴是基于空间站无线局域网进行话音通信的一个重要应用,不仅可以为舱内航天员提供便捷的无线话音通信服务,还可以为航天员的出舱活动提供无线话音通信服务。研究和分析了空间站无线WiFi组网和应用的技术可行性,提出了一种适合于空间站使用的WiFi头戴的设计与实现方案。该方案采用现有的专用集成芯片,技术上支持802.11 n标准,性能指标先进,可以满足空间站无线话音通信的使用要求。     

汽车尾迹区涡流频率特性实验分析

基于模型风洞实验台架,对汽车模型外流场尾迹区流动结构进行实验研究。采用热线风速仪,对外流场尾迹区中选定测点处的三维速度场进行采样。针对速度场的采样数据,进行功率谱密度分析,探讨了汽车尾迹区破裂涡流的频率特性及其变化规律。分析结果得出：流体微团随着流场整体运动的同时,在其运动轨迹附近进行三维脉动。     

离心式喷嘴内部流动的LES/VOF 数值模拟

针对最大流量原理法在进行小流量、大粘性离心式雾化喷嘴设计中存在的不足,文章采用大涡模拟与流体体积法相结合的方法对离心式喷嘴内部流动过程进行了非定常三维数值模拟,得到了喷嘴整个工作过程的内部流场结构,并与单相流场进行了对比,分析了单相流场与两相流场结构存在的差异,以及存在差异的原因;同时对喷嘴内稳定雾化过程、压力场分布、速度场分布进行了分析,较好地反映了离心式喷嘴的内部流场特性。研究结果表明,喷雾过程具有非定常性、喷嘴低压及中空区与两相分布相关、分析推断适当增加喷口段长度能够减小出口液膜厚度等,为离心式喷嘴的设计与改进提供了一些有用的积累。     

收口套筒主燃区流场的PIV测量

在常温常压下,采用PIV技术测量了旋流器套筒为收口套筒时单头部矩形燃烧室主燃区的流场,获得了主燃区速度场和涡量场的详细信息.试验结果表明收口套筒形成了小尺度回流区大角涡的主燃区流场结构;收口套筒对旋转气流的收缩作用可以很好的改善燃烧室内油气的混合.      

基于小波分析的一种涡结构分析方法

为从PIV测量的速度场中获取更多的定量信息,如涡尺度和涡结构等,本文利用bior5.5双正交小波4层分解,重构后得到各层分解速度场,并求出对应分解速度场对应的涡量场和旋转强度场来分析流场中涡的旋转强度及结构。应用这种方法分析冲击射流流场,得到了流场中大涡和小涡的分布以及携带的能量等信息。     

基于体态识别的航天员虚拟训练仿真技术研究

以未来空间站任务建设虚拟现实训练器为需求,为了最大限度地降低虚拟现实设备穿戴给航天员带来的额外束缚,提出了一种新的基于体态识别的航天员虚拟训练仿真系统:采用平行双目视觉原理和偏振立体电视实现立体图像的生成与显示;采用人体三层模型实现虚拟航天员表达,采用骨骼动画实现人体典型动作自动演示、Kinect实现人机交互过程中人体跟踪和运动控制,适合于空间站任务航天员训练、工效验证、典型流程演示等人机交互应用。     

超声速光学头罩流场的PIV研究

在马赫数Ma-3．8超声速风洞中,采用PIV（Particle Image Velocimetry,粒子图像测速）技术测量了超声速光学头罩流场的速度分布。PIV技术应用于超声速流场时,对系统的硬件配备、示踪粒子的跟随性以及PIV算法的精度有很高的要求。本文PIV系统选用高精度的同步控制器和高能量激光器;以纳米级粒径的粒子作为示踪粒子,通过斜激波响应实验分析了其在超声速流场中的跟随性;并采用多种高精度速度场算法对粒子图像进行处理。实验结果表明,示踪粒子在超声速流场中有很好的跟随性,采用的高精度速度场算法能够很好地反映超声速光学头罩流场的速度分布。     

燃烧加热类高超声速高温风洞流场校测与评估

为建立统一的燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质评价标准,针对国内6座不同喷管出口直径的燃烧加热类高超声速高温风洞,从统一的皮托压探针、总温探针和流场校测排架设计出发,分别研制了流场校测装置,完成了典型试验状态的流场校测试验。根据相同的数据处理和分析方法得到了相关风洞喷管出口截面的速度场、温度场及均匀区信息。6座风洞速度场均匀区直径分别对应喷管出口直径的73.3%、76.5%、75.0%、80.0%、74.7%、83.3%。根据各风洞流场校测结果,初步掌握了国内同类型风洞流场品质整体水平,提出了当前燃烧加热类高超声速高温风洞流场品质参考评价指标。对于马赫数4.5~6.0的试验状态,风洞速度场均匀区直径应不小于喷管出口直径的70%,均匀区内马赫数标准偏差与平均马赫数的比值应小于2%,总温标准偏差与平均总温的比值应小于5%。     

中国空间站分布式运行控制模式

空间站任务飞行事件密集、参与单位众多、协同关系复杂,为高效、可靠、安全组织空间站运行控制工作,提出了优化一种模式、建好一个平台、形成新型机制的总体思路,运用系统工程思维设计了以5类中心为骨干、异地容灾中心备保的分布式空间站运行控制体系架构。给出了关键任务段适当集中、长期运行段完全分布的联合运行控制模式,进一步提出分布式运行控制平台、容灾备份系统等重点发展完善方向。该模式具有较高的可靠性、安全性和实施效率,能够较好地适应空间站长期在轨、航天员连续驻留的任务场景,可保障中国空间站运行控制工作可持续运转。