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。     

小型感性耦合射频等离子体中和器的实验研究

为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。     

两层液体Benard—Marangoni对流的界面张力效应

采用PIV技术对两层流体Benard—Marangoni对流进行了实验研究,得到了不同厚度比下的速度场,分析了界面张力在各种对流模式中的作用。和Rayleig—Benard对流的三种临界对流模式相比,由于界面张力对上下层浮力对流的不同作用效果,使得更复杂的临界对流模式在Benard—Marangoni对流体系中出现;在实验中首次观测到三层涡胞结构等现象。     

用光学干涉方法对液相扩散传质过程的研究

液相中扩散传质过程研究无论对于基础理论还是生产实践都具有重要的意义。但在通常的重力环境中,传质过程不是单因素地由浓度梯度来决定,对流和沉降会对实验研究产生重要的干扰。通过光学干涉技术的应用,实现对于扩散过程中的传质系数进行测量,实验中采用Mach—Zehnder干涉仪对于整个传质过程进行监控并记录相关图像信息。这些图像信息是贯穿在整个实验过程中的连续录像,不同于其它实验记录的静态图像。通过计算这些随时间改变的干涉条纹的变化,就可以推导出传质系数的结果。实验液体选用水／葡萄糖溶液,之后还将进一步将该实验装置搭载TF-1火箭,进行微重力实验,以排除重力产生的影响。     

中国微重力科学研究回顾与展望

微重力科学主要研究微重力环境中物质运动的规律，以及不同重力环境中重力对物质运动的影响.中国微重力科学研究起步于20世纪60年代，兴起于80年代中后期，经过多年发展，目前已初具规模，在一些重要方向具有明显特色和一定优势.本文回顾了中国微重力科学研究的早期历程，评述了近年来中国微重力科学研究进展，特别是利用实践十号科学实验卫星、天宫二号空间实验室等空间平台开展的微重力科学与技术应用研究取得的最新成果，并对中国载人空间站时代微重力科学发展的前景予以瞻望，推动微重力科学与应用研究在中国的快速、可持续发展.      

双丝扭秤微推力测量系统

针对未来空间引力波探测任务——"太极计划",根据卫星平台无拖曳控制对微推力器产生推力大小的要求,研发出一套基于扭秤的微推力测量系统,分别详述了其微推力测量、弱力产生装置和角位移差动测量的原理及磁阻尼装置。通过对弱力产生装置和扭秤系统的标定,得到微推力与扭秤扭转角位移的函数关系。同时分析了结构和环境对微推力测量系统的影响,得到其推力测量范围为1~200μN,分辨力为0.4μN,相对不确定度为1.1%,满足对微推力器推力分辨力和精度的测量要求。     

微牛级射频离子推力器结构优化研究

为了满足中国科学院空间引力波探测——“空间太极计划”对航天器推进系统提出的微牛量级推力高精度控制需求,基于感性耦合等离子体自持放电,设计了一套微牛级射频离子推力器（μRIT-1）。通过理论分析与实验验证,完成了μRIT-1关键结构组件优化工作,包括射频天线、放电室及离子光学系统。根据实验结果,μRIT-1采用7匝线直径为1.6mm的紫铜管作为射频天线,匝间距为2.0mm;放电室材料为氧化铝陶瓷,内径为1.0cm,长径比为1.5;离子光学系统采用双栅极结构,材料为金属钼,栅极透明度为18.05%。经过结构优化,μRIT-1可以实现5~100μN可调推力输出,比冲可达1275s。     

环形液池浮力-热毛细对流表面振荡现象的临界温差

对于上部开口的环形液池,加载径向温度梯度将使气液接触面上表面张力分布不均匀,耦合于地面的重力作用,将会驱动薄层流体形成浮力-热毛细对流。当径向温度差ΔT达到某一临界值ΔTC时,一定厚度的液层表面就会出现具有一定规律的振荡现象。实验采用高精度激光位移传感系统,测量了液池表面某点位移随液层厚度h和径向温差ΔT的变化曲线,讨论了浮力-热毛细对流表面振荡的临界温差及两种驱动力的耦合问题,进行了表面畸变参数的无量纲分析,考虑了起始环境温度对临界温差的影响,推导了振荡相对较强时液层的厚度范围。     

用光学干涉方法对液相扩散传质过程的研究

液相中扩散传质过程研究无论对于基础理论还是生产实践都具有重要的意义.但在通常的重力环境中,传质过程不是单因素地由浓度梯度来决定,对流和沉降会对实验研究产生重要的干扰.通过光学干涉技术的应用,实现对于扩散过程中的传质系数进行测量,实验中采用Math-Zehnder干涉仪对于整个传质过程进行监控并记录相关图像信息.这些图像信息是贯穿在整个实验过程中的连续录像,不同于其它实验记录的静态图像.通过计算这些随时间改变的干涉条纹的变化,就可以推导出传质系数的结果.实验液体选用水/葡萄糖溶液,之后还将进一步将该实验装置搭载TF-1火箭,进行微重力实验,以排除重力产生的影响.     

应用PIVT技术测量单液滴热毛细迁移时的速度场和温度场

在地面实验中,使用粒子图像测速测温(Particle Image Velocimetry and Thermometry, PIVT)技术测量了单滴热毛细迁移时液滴周围同时刻的速度场和温度场.选用密度相近的豆油和硅油作为实验系统的母液和液滴.实验结果表明单滴周围的温度场扰动不同于线性理论预测的随到液滴距离的平方成反比,而是距离一次方成反比,这是由于重力引起的浮力效应造成的,地面实验中重力作用不能忽略.