地外人工光合成装置研制与试验

原位资源利用技术是地外生命保障体系构建、实现人类地外生存的有效途径，是载人深空探索的核心技术。基于微通道技术的人工光合成反应器，采用流动反应器设计，用于低微重力等特殊环境条件下模拟人工光合作用，实现CO２向O２和含碳燃料的转化。微通道芯片通过气液剪切作用力使气体反应产物快速脱离电极表面并随反应介质排出反应器，理论上可以克服微重力条件对反应过程的影响，尚需进行微重力试验进行验证。同时，微通道结构可以通过精确控制反应气液的压力、流速、流量比等反应条件，获得优化的反应条件。通过地面试验，验证了该反应器将CO２还原为O２和含碳化合物的功能可行性。以Au和Ir/C作为阴极和阳极材料，3V电压条件下，O２产率可达11.74mL/h。此外，基于人工光合成反应器搭建了集反应模块、控制模块、流路驱动模块以及检测模块等于一体的地外人工光合成装置，形成原位反应、介质供给、精确控制、在线收集和检测等功能一体化的系统，并实现CO２有效转换和O２供给。为后续技术成熟度更高的反应装置研制、高产物选择性的含碳化合物转化以及人工光合成反应装置在轨试验奠定了理论和实践基础。     

A feasibility study for the detection of the diurnal variation of tropospheric NO2 over Tokyo from a geostationary orbit

We have conducted a feasibility study for the geostationary monitoring of the diurnal variation of tropospheric NO₂ over Tokyo. Using NO₂ fields from a chemical transport model, synthetic spectra were created by a radiative transfer model, SCIATRAN, for summer and winter cases. We then performed a Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS) analysis to retrieve NO₂ slant column densities (SCDs), and after converting SCDs into vertical column densities (VCDs), we estimated the precision of the retrieved VCDs. The simulation showed that signal-to-noise ratio (SNR) ? 500 is needed to detect the diurnal variation and that SNR ? 1000 is needed to observe the local minimum occurring in the early afternoon (LT13–14) in summer. In winter, the detection of the diurnal variation during LT08–15 needs SNR ? 500, and SNR ? 1000 is needed if early morning (LT07) and early evening (LT16) are included. The currently discussed sensor specification for the Japanese geostationary satellite project, GMAP-Asia, which has a horizontal resolution of 10 km and a temporal resolution of 1hr, has demonstrated the performance of a precision of several percent, which is approximately corresponding to SNR = 1000–2000 during daytime and SNR ? 500 in the morning and evening. We also discuss possible biases caused by the temperature dependence of the absorption cross section utilized in the DOAS retrieval, and the effect of uncertainties of surface albedo and clouds on the estimation of precisions.     

地外二氧化碳转化利用技术研究现状与展望

为有效解决未来长期载人地外生存面临的物资供给等关键问题,获得更高的氧回收率、能量转化效率和更低的应用成本,亟须发展更高效的地外二氧化碳转化利用技术。文章总结了地外二氧化碳利用的发展现状并分析了近期的研究进展,发现不同技术之间差异大,在航天应用过程中,需充分考虑地外环境限制因素,以选用更合适的技术。空间站上已搭载的Sabatier装置和火星车上的MOXIE装置初步实现了地外二氧化碳还原。以“地外人工光合成”为代表的常温二氧化碳转化技术可为地外环控生保提供新路线。其不仅能够实现地外氧气供给,还可获得甲酸、乙烯和甲烷等有机分子作为燃料或生物转化原料。随着相关基础研究的不断发展,有望实现二氧化碳的高效转化和高附加值有机物、甚至碳糖食物的生产。地外二氧化碳转化利用技术的发展,将实现地外密闭环境下的废弃资源利用与物质循环,降低载人空间站、载人深空飞船的物资供应需求,也将为原位资源利用火星大气中的二氧化碳提供创新思路,以支撑未来可承受、可持续的地外生存任务。     

吸气模式激光推进空气等离子体光谱

利用实验室自行研制的紫外预电离CO2激光器进行了激光等离子体实验,实验采用底面直径均为60mm,焦距分别为5 mm和10 mm的两种抛物面光船。介绍了激光等离子体光谱和明显的特征谱线,以及激光等离子体温度估计模型;分析了两种光船对激光等离子体的影响。实验表明:相同底面直径10 mm焦距光船产生的等离子体信号峰值和持续时间均略大于5 mm焦距光船;10 mm焦距光船产生的等离子体温度明显高于5 mm的,最大温度产生时间比5 mm光船要晚一些。     

高能CO2激光腔镜高反介质薄膜的传输特性

为了获得适用于高能CO2激光器的高抗破坏阈值高反薄膜,以10.6μm高反膜ZnSe/YbF3,PbTe/BaF2膜系为例,数值模拟了激光在高反介质膜中的传输的场特性;给出了激光在多层介质膜中的场强分布、温度场分布及热应力分布。结果表明硅镜基体上的PbTe/BaF2膜系所需膜层厚度小、膜层数少,反射率可高达99.98%。     

酒石酸钠体系中TC18钛合金阳极氧化膜的制备、表征与疲劳性能

在以酒石酸钠为成膜剂的新型无氟环保电解液体系中对TC18钛合金进行阳极氧化,制备出一种钛合金阳极氧化膜。通过扫描电子显微镜和拉曼光谱仪分析了阳极氧化膜的形貌和相结构。采用电化学方法研究了阳极氧化后TC18钛合金的耐腐蚀性能。采用万能高频疲劳试验机进行高频疲劳试验。结果表明：膜层具有沟壑与鼓包的表面形貌。膜层具有非晶态、锐钛矿型及金红石型TiO₂结构,可能有板钛矿TiO₂结构。阳极氧化后TC18钛合金的耐蚀性有显著的提高。阳极氧化后TC18钛合金的拉伸性能与疲劳性能基本不降低,相比于传统硫酸-磷酸型阳极氧化,拉伸性能和疲劳性能得到了一定的改善。     

Carbon dioxide dynamics of combined crops of wheat,cowpea, pinto beans in the Laboratory Biosphere closed ecological system

A mixed crop consisting of cowpeas, pinto beans and Apogee ultra-dwarf wheat was grown in the Laboratory Biosphere, a 40 m³ closed life system equipped with 12,000 W of high pressure sodium lamps over planting beds with 5.37 m² of soil. Similar to earlier reported experiments, the concentration of carbon dioxide initially increased to 7860 ppm at 10 days after planting due to soil respiration plus CO₂ contributed from researchers breathing while in the chamber for brief periods before plant growth became substantial. Carbon dioxide concentrations then fell rapidly as plant growth increased up to 29 days after planting and subsequently was maintained mostly in the range of about 200–3000 ppm (with a few excursions) by CO₂ injections to feed plant growth. Numerous analyses of rate of change of CO₂ concentration at many different concentrations and at many different days after planting reveal a strong dependence of fixation rates on CO₂ concentration. In the middle period of growth (days 31–61), fixation rates doubled for CO₂ at 450 ppm compared to 270 ppm, doubled again at 1000 ppm and increased a further 50% at 2000 ppm. High productivity from these crops and the increase of fixation rates with elevated CO₂ concentration supports the concept that enhanced CO₂ can be a useful strategy for remote life support systems. The data suggests avenues of investigation to understand the response of plant communities to increasing CO₂ concentrations in the Earth’s atmosphere. Carbon balance accounting and evapotranspiration rates are included.     

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.      

CO2用于气动弹射的可行性分析

针对传统气动弹射介质空气做功能力不足的问题,提出采用CO_2作为新型气动弹射介质。基于质量守恒和能量守恒定律建立了以CO_2为弹射介质的弹射热力模型,并使用该模型对比分析了CO_2和空气作为弹射介质对于弹射性能的影响。得到了弹射过程中高低压室内介质状态以及飞行器运动参数的动态变化过程。与空气相比,CO_2具有更大的做功能力。相同的热力状态下弹射相同质量的飞行器,使用CO_2可获得更大的出筒速度。CO_2作为弹射工质对于大质量的飞行器优势明显,在不减小出筒速度的情况下,使用CO_2可使负载质量提升50%以上,验证了CO_2作为弹射工质的可行性。     

航天器用可变发射率热控器件的研究进展

随着航天技术的发展,卫星的微型化对热控技术提出了挑战。可变发射率热控器件作为一种重要的航天器热控技术,对于航天器减小负载和体积,适应复杂多变的空间热环境具有重要的意义。基于热致变色技术的智能可变发射率热控器件可以根据环境温度实现智能热控,其结构简单,能最大限度地减小热控系统的体积和质量,是一种非常有潜力的航天器热控技术。概述了主动型和被动型两类可变发射率热控器件的基本原理和进展,并对钒氧化物基热致变色可变发射率热控器件的研究进展、存在问题予以了重点介绍,展望了未来航天器用可变发射率热控器件的发展趋势。