空间燃料电池电源子系统输出性能的仿真与试验验证

为了系统性地研究质子交换膜燃料电池电源子系统的输出特性与电堆压力、电堆温度之间的关系,首先建立电堆的数学模型,在Matlab/Simulink中进行仿真,研究输入与输出的关系;其次针对航天应用设计相匹配的燃料电池变换器（FCDR）,将其与电堆的输出端接在一起进行仿真,研究电堆的输入对FCDR的输出特性的影响,当负载发生变化时,检验FCDR对维持母线电压稳定输出的能力;最后对电堆和电堆系统的仿真进行试验测试,证明仿真的正确性,从而对空间燃料电池电源系统有更深一步的认识,为整个电源系统的设计打下坚实的基础。     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

航空柱塞泵全工况效率分析及热力学建模

针对航空柱塞泵全工况热力学建模问题,在泵功率损失分析和传热分析的基础上建立了柱塞泵的热力学模型.考虑负载压力、输入转速、斜盘倾角和油液粘度影响,得到了泵功率损失模型.对泵传热进行了详细分析,采用控制体温度变化方程建立了描述泵各部分温度变化的热力学模型.对包含柱塞泵的简单液压系统采用Dymola进行了仿真计算,得到了不同输入转速和负载压力下泵效率及功率损失,分析比较了不同输入转速和供油流量下泵各部分温升情况.结果表明:泵效率及功率损失受输入转速和负载压力影响,在不同输入转速和供油流量下泵表现出不同的温升特性.     

某型囊式抗荷服热性能分析

为了研究某型抗荷服在不同环境条件下的热防护性能,在分析抗荷服传热传质特点的基础上对该服装的不同节段分别建立不同的服装传热模型,再将人体热调节模型和服装模型结合起来模拟不同环境条件下人体着装的动态仿真,得到人体各节段皮肤温度、人体平均温度、核心温度以及出汗量等,计算出飞行员综合热应激指数,并进行实验验证.最后利用所建模型分析服装热阻及透湿指数对人体热负荷的影响.     

空间材料实验炉的模拟热分析与地面试验分析

空间材料实验炉的温度分布对空间材料制备至关重要.通过对用于天宫二号空间实验室材料实验炉的物理模型进行合理简化,建立了三维传热数值计算模型,测量了实验炉材料的热物性参数,并根据地面试验工况进行模拟热分析计算,其结果能够很好地与地面试验结果吻合.采用模拟计算的方法分析样品物性参数对炉膛和样品中温度分布的影响,对实验炉的隔热部件进行优化设计,进而对炉体外表面温度进行了预测.数值仿真计算弥补了实验中测温点不足的问题,有助于进一步了解样品的温度分布,同时为实验炉隔热优化设计和安全运行提供了依据.      

机群组网定位的一种新途径

机群组网将成为体系对抗条件下空中行动的一种基本工作模式.提出的机群组网定位技术是基于飞行器相互测距信息优化惯导位置精度的一种新途径,可以明显提高网络节点间的时间同步水平.仿真结果表明:对一个由8架飞机组成的机群,当相互测距误差为20m(1 σ)时,经过1.5 min组网定位可将惯导水平位置误差校正到5m之内,同时将时间同步水平提高到1ms左右;经过15min组网定位可进一步估计每套惯导的误差模型参数,使纯惯导在校正后0.5 h内的定位精度提高约一个量级,达到30m(CEP,Circular Error Probability).周期性的组网定位不仅可以明显提高机群定位精度,还可识别出个别系统的软故障并加以隔离和重构.      

磷酸掺杂型高温质子交换膜燃料电池关键材料研究进展

高温质子交换膜燃料电池(HT-PEMFC)由于较高的工作温度(130~220℃),具有较快的电极反应动力学、较强的抗燃料/空气中杂质毒化能力、广泛的燃料来源(甲醇重整气、工业副产氢等)及简单的水/热管理系统等优点。因此,HT-PEMFC将成为聚合物膜燃料电池的重要前沿发展方向之一。重点介绍了北京航空航天大学团队近十年来在HT-PEMFC关键材料-高温膜、催化层和膜电极等方面的研究进展,针对磷酸(PA)掺杂型高温膜的质子传导率和机械性能之间的最佳平衡点、催化层中PA分布和迁移对电池性能的影响机制,以及大尺寸膜电极一致性对电堆性能影响与衰减机制等科学问题,从聚电解质膜材料的分子设计、有序催化层结构调控和大尺寸膜电极电堆优化等工作进行了梳理,对HT-PEMFC技术所面临的技术挑战问题与未来发展趋势做出了评述和展望。      

环境模拟舱体的建模仿真及控制方法

环境试验时需要精确控制环境模拟舱体内的温度以满足军标要求,同时为了解决环境模拟舱体内加热过程中升温速率与控制精度之间的矛盾,在对其温度变化进行动态特性分析与建模的基础上,提出采用专家控制策略控制环境模拟舱内的温度,并对其控制效果进行了仿真研究.仿真结果与现场运行调试结果均表明:专家控制方法具有无超调、响应速度快、稳态精度高、加温效率明显的优点,是可行和有效的;与试验数据相比,建立的传热模型和控制系统模型具有较高的准确性,符合实际情况.这种建模仿真及控制方法为实际过程中研究控制规律提供了有力的参考和帮助,对研究类似问题具有深远意义.      

相变降温服热分析

为了研究相变材料降温服在高温高湿条件下的热防护性能和相变材料数值计算 方法应用于降温服传热计算的可行性,在分析服装传热传质特点及计算方法的基础上,利用 焓值分析法对服装中的相变材料建立传热模型,在整个区域建立统一的能量方程,在区域结 点进行离散,并进行隐式求解,得到焓的分布.建立了关于人体、降温服相变材料、人体着装 、环境的传热模型,用此模型进行高温高湿条件下的人体着装的动态仿真,并进行试验验证 .降温服计算和实验结果吻合良好,可以看出,相变降温服热分析方法可靠合理.      

比例方向阀控船舶操舵系统压力冲击抑制

船舶比例方向阀控液压操舵系统中,比例阀换向时将产生压力冲击,对液压系统及船舶本身均带来不利影响.针对某船的液压操舵系统,在AMESim中建立了比例方向阀及操舵系统模型,进行了压力冲击仿真,并与实验压力曲线进行了对比,确定了模型的正确性.在此基础上进行了降低比例方向阀换向冲击研究,采用放大器输出电流优化方法,确定了输出电流为抛物线形时阀换向压力冲击较低.实验研究结果表明:采用AMESim建立的比例方向阀控操舵系统压力冲击仿真模型与实际系统基本符合,优化电流法降低压力冲击效果明显.     

基于润滑理论的二维积冰数值模拟

将基于润滑理论的水膜-冰层模型推广到在任意二维截面上建立的正交曲线坐标系,得到描述二维型线表面水膜流动和积冰的偏微分控制方程.采用一种隐式-显式有限差分格式建立控制方程组的代数形式,给出求解非稳态控制方程组的数值方法.为验证模型和数值解法的有效性,在典型的航空积冰和传输线积冰环境下对翼型和传输线表面的积冰算例进行数值模拟.将水膜-冰层模型的冰形计算结果与传统Messinger模型的模拟结果以及冰风洞试验结果进行对比,低温明冰条件下采用当前方法计算的翼型表面冰形接近于Messinger模型的模拟冰形曲线;相对高温条件下的计算结果比传统Messinger模型更为精确.低速积冰环境下Messinger模型难以模拟的传输线表面积冰同样可以采用水膜-冰层模型进行有效 预测.     

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1. 2‰。     

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰,设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件,该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声;设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰;结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明,研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍,实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1.2‰。     

基于Kalman滤波的镍氢动力电池SOC估算方法

动力电池的荷电状态(SOC,State-of-Charge)是电动车能量控制的重要参数,针对镍氢动力电池,建立了一种新的状态空间模型.电池模型采用荷电状态和极化状态作为状态向量,考虑持续充放电时电荷累积效应对电池电压的影响,对模型的状态方程进行了优化,增加了电荷累积项,以提高模型在变电流充放电过程中的精度.根据Kalman最优滤波理论,设计了电池荷电状态Kalman滤波递推算法,估算方法考虑了电池电压、电流和电池温度,给出了递推计算公式.根据恒流充电、恒流放电、脉冲充/放电、变电流充/放电实验的实验数据,对模型进行了仿真分析.结果表明,采用Kalman滤波估算方法有利于提高动力电池的荷电状态估算精度,适合应用在混合动力电动车中.      

On the transport of cosmic rays in the distant heliosheath

This paper discusses the transport of energetic charged particles through a sectored magnetic field in distant regions of the inner heliosheath. As the plasma flow slows down on approach to the stagnation point on the heliopause, the distance between the folds of the current sheet decreases to the point where it becomes comparable to the cyclotron radius of a cosmic ray particle. Under these conditions a particle can effectively drift across the stack of magnetic sectors with a speed comparable with the particle’s velocity. For a random distribution of current sheet separation distances, a diffusive transport across the stack of sectors occurs instead. The proposed mechanism could have contributed to unusually high intensities of galactic cosmic rays measured by Voyager 1 in the heliosheath during 2009–2010.     

卫星氢镍蓄电池电解液在轨回流特性仿真

氢镍蓄电池电解液在轨流动特性是影响其工作性能和使用寿命的重要因素,对蓄电池设计与优化具有重要意义。针对高轨通信卫星使用的80Ah氢镍蓄电池,建立了电解液流动运动的三维仿真模型,采用计算流体动力学（CFD）数值仿真方法,对氢镍蓄电池单体内的电解液在轨微重力条件下的流动特性和分布特点进行了仿真研究。通过对比分析不同边界条件下的仿真结果,提出了在蓄电池极堆与壳体两端之间增加电解液流动路径可以提高电解液回流速度,并改进卫星氢镍蓄电池在轨工作性能,研究结果可为卫星蓄电池和电源系统设计提供参考。     

航天器内环境监测的无线传感器网络应用研究

无线接口技术是航天器电子系统技术发展的前沿和热点之一, 具有广泛应用前景. 提出了用于监测航天器内部及其设备环境参数的无线传感器网络设计方案, 详细介绍了构建航天器内无线传感器网络的通信协议、网络架构、软硬件设计方法, 并给出一个将ZigBee Pro技术应用于航天器内的典型设计实例, 以TI公司最新的CC2530芯片和ZigBee协议栈Z-Stack为基础, 用于监测航天器内部及其设备的温度、湿度、电压、电流等参数. 实验证明, 本设计具有低功耗、 传输可靠、网络鲁棒性及组网灵活等优点.      

光纤光源温度动态特性分析及控制

根据半导体热电致冷器(TEC)工作的基本原理,分析了光纤光源模块的温度动态特性,建立了与之对应的数学模型.对光源模块进行了实际实验测试,采用多点频率的工作电流驱动TEC模块,通过光源模块内部的热敏元件采样光源管芯温度的动态数据,用最小二乘法进行数据拟合,得到了与数学模型十分接近的结果,因此可以确定数学模型中的待定参数.采用 MAX1978单片TEC控制器,根据温度动态特性数学模型设计了最优的比例积分微分(PID)补偿网络,实现了光纤光源的温度控制系统,得出了TEC温度控制系统对光源有良好的控制精度和稳定性.      

空间精密跟瞄Hexapod平台作动器研制与实验

针对基于并联机构的空间精密跟瞄Hexapod平台的大行程、高性能要求,通过对现有主动元件的分析,从作动器角度研制了以滚珠丝杠作动器为宏动部分、压电作动器为微动部分的大行程高频响精密复合作动器,测试了复合作动器的行程、开环定位精度及动态特性,以dSPACE半物理仿真系统为核心建立了实验系统,进行了复合作动器单自由度精确定位实验和振动主动控制实验.由结果可知,复合作动器作动行程超过50mm、经微动部分补偿后的整体定位误差小于1μm、正弦持续扰动下采用自适应滤波ADC(Active Disturbance Canceller)方法使振幅下降90%以上.结果表明,将此复合作动器应用于空间高稳定精密跟瞄Hexapod平台是完全可行的.