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。     

动力涡轮导叶可调的三轴式船用燃气轮机动态实时仿真

鉴于传统的燃气轮机建模方法用于动力涡轮导叶可调的三轴式船用燃气轮机动态实时仿真时具有一定局限性,提出了一种新型的基于径向基函数(Radical basis function,RBF)的神经网络与部件法(Component modeling method,CMM)的复合建模方法 (HMRC)。该方法针对该型燃气轮机的结构和总体性能特点,合理地选取了样本点以减小样本规模。通过神经网络与部件法分别计算燃气发生器与动力涡轮相关参数,采用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立实时仿真模型。与传统的部件法建立起来的仿真模型对比,新方法计算结果与部件法吻合度高,误差低于1%,同时模型的实时性得到了大幅提升,计算速度约为部件法的7倍。     

不同材料安装底座对冲击传感器灵敏度影响试验研究

传感器在航天器上螺接安装时需增加安装底座。针对聚酰亚胺等非金属材料安装底座可能存在降低冲击传感器安装谐振频率从而引起传感器灵敏度误差的问题设计铝合金材料安装底座,并分别进行冲击传感器不带安装底座、带聚酰亚胺安装底座和带铝合金安装底座3种情况下的灵敏度检定试验,以验证不同安装方式对冲击传感器灵敏度的影响。试验结果表明,安装底座由聚酰亚胺更改为铝合金材料后可有效提高传感器与安装底座组合体的固有频率,且引起的传感器灵敏度误差在±5%以内,远低于使用聚酰亚胺安装底座的情况,能够满足实际测量需求。     

某变循环发动机超声涡轮设计与分析

应用相似理论原理,为某变循环发动机在高、低涵道比两种工作模式下设计了高膨胀比、大焓降超声高压涡轮,叶片造型采用S₁流面三维造型法实现.通过三维数值模拟对设计涡轮在以上两种工作模式下进行了验算,应用Spalart-Allmaras一方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程,并引入Abu-Ghanam Shaw转捩模型描述叶片表面边界层发展过程.数值模拟结果表明,涡轮在两种工作模式下等熵效率分别达到92.79%和92.31%,优于设计预期;三维造型法考虑了S1流面的物理特征,是一种精确而有效的叶片造型方法.      

基于源项法的气膜冷却涡轮叶片多目标优化

以GE-E³高压涡轮第一级气冷导叶为研究对象,通过多目标遗传算法优化气膜孔布局以降低叶片表面温度。其中采用源项法模拟全场气膜冷却效果,该方法节省计算量的同时无需对气膜孔划分网格,通过对比实验结果后认为,源项法可以较好地模拟出冷气覆盖效果如表面动量损失等。在此基础上采用多目标遗传算法NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm II),以气膜孔的出气角及流向位置为设计变量,以叶片表面最高温度及平均温度为优化目标。结果表明叶片表面温度分布有所改善,其中压力面优化效果要好于吸力面。      

载人航天器在轨力学环境测量系统试验研究

为获取载人航天器上升段与在轨期间的力学环境,设计了在轨力学环境测量系统,并在载人航天器振动试验期间对其性能进行了测试,获取了航天器典型结构的力学环境数据并进行了频谱分析。将该系统测量数据与试验中载人航天器平台测点的测量数据进行了比对,结果验证了该系统的有效性,为载人航天器载荷条件的制修订提供了参考。     

轮盘结构对向心涡轮内部流动影响的数值研究

采用数值方法对燃气轮机带有冷气封严的向心涡轮开展研究,对比分析了不同轮盘结构向心涡轮总体气动参数差异及内部复杂二次流的动力学机制。研究表明:扇形与深度扇形向心涡轮相比常规结构效率分别下降1.7%,3.5%,冷气量分别降低12.2%,16.3%,冷气量主要由高速旋转盘的"泵吸效应"决定。叶背间隙泄漏流在进入流道处受同向的离心力及科氏力,表现为向叶顶方向运动;盘腔冷气在进入流道处受到的离心力与科氏力相反,且科氏力占主导地位,表现为贴壁运动;在往下游运动过程中两股流体逐渐演变为主要受离心力影响并向叶顶发展。深度扇形向心涡轮冷气与叶背泄漏流掺混后,在流道中部形成大尺度旋涡,是其气动效率显著下降的根本原因。     

基于自适应带通滤波的航天器正弦扫频试验数据处理方法

为解决传统STFT(Short Time Fourier Transform)方法因非同步采样引起频谱泄漏,造成频域曲线幅值降低,产生较大误差的问题,提出一种基于频域带通滤波的数据处理方法,通过在频域逐次移动带通滤波器的中心频率,获得信号中各个频率分量幅值的最大值。利用该方法对某载人航天器搭载的力学参数测量系统在整器正弦振动试验中采集的数据进行频谱分析,结果表明,该方法可有效获取力学参数测量系统各测点的频率幅值曲线,减少传统STFT方法产生的能量泄漏的影响。研究成果也可用于不依赖振动控制仪或无COLA通道的数据采集系统正弦振动试验的数据处理。     

回热器性能对微小型燃气轮机总体性能影响分析研究

为分析回热器性能对微小型回热燃气轮机总体性能的影响,基于回热器性能实验,提出了一种改进回热器仿真模型,开展了燃气轮机性能仿真与控制规律优化研究。结果表明:变转速控制能改善燃气轮机部分工况热效率,且控制涡轮出口温度于设计值是提高燃气轮机部分工况性能的有效控制策略,但亦使燃气轮机性能受回热器性能恶化的影响更为严重;变转速控制下,回热器内部泄漏、堵塞使回热器换热有效度降低14.80%,将造成热效率降低4.38%。     

轴流涡轮损失模型研究进展(“两机”专刊)*

轴流涡轮损失预测模型是开展先进轴流涡轮设计优化、特别是低维快速性能预测的重要工具和基础,更准确通用的损失模型一直是涡轮气动热力学领域研究的重点。近年来,精细化设计理念的深入对损失模型提出更高的精度要求,同时先进实验测量方法和数值模拟技术的发展也为建立更精准的损失模型提供了可能。因此,本文首先梳理了轴流涡轮损失模型的发展历程及近年来的发展趋势,并结合最新研究进展分析目前仍存在的不足,最后对轴流涡轮损失模型的未来研究重点和发展趋势进行展望。