多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析

为确保乘员安全性,载人航天器需通过氧分压控制系统将密封舱内的氧分压控制在指标范围内.提出了一种两舱段载人航天器密封舱氧分压控制系统数学模型,包括密封舱体、乘员、供氧组件、舱间通风(IMV)等多个子模块.通过与相关试验数据进行对比,证明了数学模型的准确性.针对由两个容积为60 m3密封舱组成的组合体,利用该模型分析了乘员驻留位置、舱间通风量、氧分压监测模式对两舱氧分压的影响.结果表明:当舱间通风量为0.5 m3/min 且6人驻留在氧分压非主控舱时,两舱氧分压上限差别达到2.2 kPa.两舱氧分压差别会随着舱间通风量的增加而减小.单舱监测模式和两舱监测模式对两舱氧分压影响并不显著,当舱间通风量超过1.5 m3/min时,两种控制模式的氧分压控制效果趋于一致.      

空间站乘员睡眠区二氧化碳聚集现象

为了分析乘员在没有良好通风的压力舱内停留时,呼出CO₂的聚集过程并评估其可能导致的医学危害,建立了乘员在特定空间站睡眠舱的计算流体动力学模型,对乘员在睡眠区的呼吸过程进行了非稳态模拟.模拟中乘员的CO₂呼出浓度和肺通气量根据生理实验随CO₂吸入浓度变化.通过模拟给出了睡眠区典型位置处CO₂分压随时间的变化规律.最后提出了无通风条件下乘员在睡眠区停留的最大容许时间,睡眠区CO₂浓度监测仪的布置原则和类似情况下为保障乘员生命安全可采取的一些措施.      

密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性

在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H₂）。此外,乘员还呼出二氧化碳（CO₂）。将H₂和CO₂催化合成甲醇（CH₃OH）是消除载人密闭空间内富余H₂和CO₂的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制,更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H₂和CO₂催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型,研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO₂与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示,反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO₂与CO比值的减小均能促进各反应速率增加,进而使得H₂和CO₂消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa,冷却介质温度不高于538.15 K以及CO₂与CO比值不小于1。      

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据，分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式，利用非线性最小二乘拟合法，对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合，生成相应的拟合参数.然后，将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件，结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块，并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中，对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现，优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%，而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

苏联/俄罗斯的空间交会对接技术

目前,在世界空间交会对接技术领域处于领先地位的是俄罗斯和美国。苏联/俄罗斯是世界上进行航天器空间交会对接最多的国家,其对接形式也多种多样,有无人飞船与无人飞船的对接,有载人飞船、无人飞船与空间站的对接,以及空间站模块舱间的交会对接和组装等。苏联/俄罗斯在航天器的空间交会对接中积累了丰富的成功经验,也有不少失败的教训,很值得借鉴。     

火星大气模型参数对MSL气动特性的影响

火星大气与地球大气截然不同,飞行器在进入火星时气动特性不同于地球再入. 大气模型的差异主要表现为气体组份、密度和温度等物理参数. 针对火星进入器MSL在进入-下降-着陆过程中的高超声速进入段,利用三维并行程序求解耦合真实气体模型的流体动力学Navier-Stokes方程,分析MSL进入火星大气时大气模型参数对进入器气动特性的影响. 结果表明,通过与海盗号飞行数据的对比,验证了所采用的火星气体模型和计算方法,且其与NASA的 LAURA代码气动特性计算结果也较为一致;大气模型气体性质,即CO₂环境对进入器阻力系数和俯仰力矩系数影响较大,利用空气得到的计算和实验数据必须考虑CO₂效应;密度增大促进了化学非平衡效应,但对进入器气动特性基本没有影响;温度升高大大增强了化学非平衡效应,而对进入器气动特性影响较小.      

空间高等植物培养装置

空间高等植物培养装置用于中国天宫二号空间实验室开展微重力条件下高等植物生长机理研究.该装置由高等植物培养模块、生命保障模块、实时在线检测模块和返回单元等功能单元组成,可实现高等植物空间长周期培养,在轨启动生物实验,实时在线观察和荧光监测,水分循环利用及营养供给,模拟太阳长短日照周期控制与检测,环境温度测量与控制,CO₂浓度调节,有害气体去除及航天员回收部分样品等功能.      

基于双光梳的激光吸收谱真空分压力测量技术研究

为了提高真空分压力测量的准确度和灵敏度，弥补传统测量方法的固有缺陷，真空分压力将结合理想气体定律，使用气体密度来表征。利用气体分子的红外吸收光谱，通过双光梳光谱技术测量其对特定波长光的吸收可实现对混合气体中目标气体密度的精确测量，进而反演出真空分压力。研建了基于电光双光梳的真空分压力测量系统，结合双光梳外差光谱技术与腔增强光谱技术，实现了非侵入、大动态、高速度的真空分压力测量。实验对CO₂,CO,N₂三元混合气体中CO₂与CO的真空分压力进行了测量，其相对误差分别为2.84%和2.77%。通过不确定度分析得出，吸收线强度误差是真空分压力测量中最主要的不确定度分量。     

一种短航程再入解析预测校正制导方法

针对载人探月飞船高速再入返回问题，提出了一种短航程低过载的再入解析预测校正制导方法。引入大升阻比航天器滑翔式再入的概念，通过设定再入过程中滑翔段轨迹形式，利用轨迹参数描述滑翔段轨迹，推导出预测航程的解析公式。为使终端误差满足要求，通过试位法校正轨迹参数，并换算得到倾侧角制导指令。在偏差条件下进行仿真，实现了飞船2100km任务航程下400~450s内以低于6.5g₀的过载再入，结果表明，所提制导方法具有较高的精度和较强的鲁棒性，为载人探月飞船应急快速返回提供了参考思路。      

基于LMI的过渡态主控回路闭环控制律优化设计

针对涡扇发动机过渡态多变量控制设计难的问题，提出了一种基于抽功法在过渡态加减速线上的准稳态工作点处提取线性模型的方法，并在此基础上提出了一种过渡态主控回路闭环控制律的优化设计方法。通过功率输入和功率提取解决过渡态动态特征提取难题，基于增益调度可作为非线性动态控制策略的基本原理，将稳态多变量控制规律的线性矩阵不等式(LMI)设计方法推广到涡扇发动机过渡态主控回路闭环控制的设计中，并通过最小化矩阵迹优化闭环极点配置。针对2种不同过渡态主控回路闭环控制策略，分别设计了最小化矩阵迹寻优的过渡态主控回路的多变量闭环控制律，并进行从慢车到中间状态的基于涡扇发动机非线性动态模型的双通道过渡态性能仿真验证，结果表明:方案1过渡态控制双通道N₁、N₂的调节时间不大于5.0 s，超调量不大于0.8%；方案2过渡态控制双通道π_T、N₂的调节时间不大于5.6 s，超调量不大于0.8%。      

受控生态生保系统内红萍供氧特性研究

研究红萍载人供O₂特征, 为红萍生物部件进行系统总体地面模拟试验及空间应用奠定基础,构建了受控生态生保系统密闭试验舱和红萍栽培装置, 在“红萍-鱼-人”共存情况下, 测定密闭舱内O₂, CO₂浓度的变化. 试验结果显示, 单位重量的鱼耗O₂量. 0805～0.0831 L·kg-1·h-1, 排放CO₂量为0.0705～0.0736 L·kg-1·h-1; 试验志愿者耗O₂量19.71 L·h-1, 呼吸释放CO₂量18.90 L·h-1. 人工光照保持7000～8000 lx条件下, 红萍的光合作用与人和鱼的呼吸作用相辅相成, 舱内O₂, CO₂浓度趋于平衡. 密闭舱内CO₂浓度升高对促进红萍群体净光合效率有明显效果, 红萍光合放O₂能力很强, 能有效促使密闭舱内O₂, CO₂浓度朝着有利于人生存的环境方向平衡, 进而验证了红萍的空间应用前景.      

H2O对空间站5A分子筛CO2去除性能影响

为进一步研究分子筛CO2去除系统应用于空间站的工作可靠性和鲁棒性,针对空间站4床分子筛(4-BMS)系统中可能出现的湿度失效保护问题展开了实验研究.测试了两种载人航天分子筛材料TC-5A与PSA-5A,研究了不同相对湿度对CO2吸附性能的影响;比较了相同湿度条件下,进口气体CO2浓度、粒径及吸附温度的变化对分子筛吸附CO2性能的影响,采用不同实验方法探究了H2O和CO2在两种分子筛材料中的竞争吸附关系.结果表明:PSA-5A吸附CO2性能优于TC-5A,但对H2O的吸附率略低于TC-5A.H2O的存在对分子筛吸附CO2影响非常大,空气中相对湿度达到60%时,分子筛基本失去了吸附CO2的能力.此外,温度升高会造成CO2的吸附量显著下降,但对H2O的吸附量影响相对较小,尤其是当相对湿度较高时.这对中国未来长期运行的空间站分子筛CO2去除系统工作有效性与工作鲁棒性的评价具有指导意义.     

二氧化碳甲烷化在载人航天器再生式环控生保系统中的应用

二氧化碳甲烷化（Sabatier反应）是载人航天再生式环控生保系统中空气质量管理的关键技术,也是焦炉气甲烷化和煤制天然气甲烷化流程中最后一级反应器主要进行的化学反应.化工行业中的二氧化碳甲烷化,尤其是针对高纯度二氧化碳的甲烷化技术,与载人航天用Sabatier技术既有共同点又存在差异.通过对Sabatier技术工艺、催化剂和关键设计的总结,对比分析应用于两个不同领域的二氧化碳甲烷化技术在工艺流程、催化剂和反应器方面的差异,借鉴工业二氧化碳甲烷化技术经验,提出载人航天用Sabatier技术可能的优化方向.      

载人航天器舱内气压下降时的空气强制对流换热

为了在载人航天器的热控制中评估舱内气压下降对空气强制对流换热能力的影响,分析了空气流动参数和物性参数随舱内气压的变化规律,指出了已有的经验关联式中压力和换热系数的关系,并用数值方法进行了验证。分析结果表明空气强制对流的换热能力随舱内气压的下降而下降,当气压低于3.04×104Pa后,空气强制对流对设备散热的贡献已经非常有限。     

载人小行星探测任务总体方案研究

设计了在近地轨道组装具有分组单元结构的载人深空飞船,包括核热推进单元、燃料储箱与供给单元、主动防辐射单元、人工重力单元、深空居住舱与多任务乘员舱等,给出了各个单元的尺寸与质量参数,并对主要单元的具体组成、功能和技术特点进行了分析。在此基础上,本文以编号4660的Nereus小行星为探测目标,设计了两脉冲转移初始轨道,并进行了轨道优化,得到了发射窗口和最优转移轨道。仿真结果表明,给出的最优两脉冲转移轨道单次施加脉冲在5km/s以内,单程转移时间在160d以内,能够满足未来能量较小的载人小行星探测任务。     

Neutral upper atmospheres of Venus and Mars

Numerous measurements of the neutral upper atmosphere above 100 km have been made from spacecraft over Venus and over Mars. The Venus exospheric temperatures are unexpectedly low (less than 300°K near noon and less than 130°K near midnight). These very low temperatures may be partially caused by collisional excitation of CO₂ vibrational states by atomic oxygen and partially by eddy cooling. The Venus atmosphere is unexpectedly insensitive to solar EUV variability. On the other hand, the Martian dayside exospheric temperature varies from 150°K to 400°K over the 11-year solar cycle, where CO₂ 15-μm cooling may be less effective because of lower atomic oxygen mixing ratios. On Venus, temperature increases with altitude on the dayside (thermosphere), but decreases with altitude from 100 to 150 km on the nightside (cryosphere). However, dayside Martian temperatures near solar minimum for maximum planet-sun distance and low solar activity are essentially isothermal from 40 km to 200 km. During high solar activity, the thermospheric temperatures of Mars sharply increase. The Venus neutral upper atmosphere contains CO₂, O, CO, C, N₂, N, He, H, D and hot nonthermal H, O, C, and N, while the dayside Mars neutral upper atmosphere contains CO₂, O, O₂, CO, C, N₂, He, H, and Ar. There is evidence on Venus for inhibited day-to-night transport as well as superrotation of the upper atmosphere. Both atmospheres have substantial wave activity. Various theoretical models used to interpret the planetary atmospheric data are discussed.     

基于CO2浓度监测的飞机火警探测方法

目前飞机普遍采用感温、感烟火警探测方法,其存在误报率高的缺陷.分析了发生火灾时气态燃烧产物的生成规律,提出了以CO_2气体为火警探测参量,通过准确监测环境中CO_2气体浓度的变化,进行飞机火警探测的方法;根据飞机飞行所处环境条件的特殊性,研究了基于非色散红外(NDIR)吸收原理的CO_2气体浓度监测的飞机火警探测方法应用于飞机上所面临的温度补偿难题;根据飞机火警探测器测量电压与环境温度、参比电压之间的关系,采用偏最小二乘(PLS)法建立飞机火警探测器温度补偿模型;根据飞机火警探测器测量电压与CO_2气体浓度之间的关系,采用PLS法建立CO_2气体浓度计算模型;研究了基于CO_2气体浓度监测的报警算法,为飞机火警探测提供了一种新的方法.