模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

我国探月三期需在月面真空环境下钻采2 m深的月壤样品,为测试采样器在真空热环境下的性能,需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境.本文设计了一套模拟月壤真空试验装置,研究了模拟月壤真空实现方法.通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空,分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况.此外,分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响,提出了保证样品密实度的可行抽气方法.该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值.      

小天体表面采样技术综述

小天体是人类了解太阳系起源演变的重要载体,承载着丰富的科学信息。同时小天体含有丰富的贵金属及稀有元素,具有巨大的利用价值,对小天体进行采样探测具有重要的科学与工程意义。通过调研小天体表面特性以及国外小天体采样技术研究现状与成果,总结了小天体环境对采样探测的特殊要求,归纳了小天体表面采样探测具有低反作用力、轻量化、小型化、低能耗化,需适应附着与接触探测模式等特点,提出了对小天体采样探测的技术需求,为小天体采样探测技术深入研究提供支撑。     

铲挖式表层月壤采样器设计与试验

针对月球表层土壤的采样任务,设计了一种搭载于机械臂末端的采样器。基于离散元手段,利用Scott真实月壤微型三轴压缩试验数据,完成仿真散体颗粒特性参数匹配,开展了采样器铲取、挖取采样过程的仿真分析,获得作业过程采样器的动力学特性。此外,开发了采样器性能测试系统,针对不同模拟月壤对象进行了采样试验,测试获得了采样器采样能力随深度及月壤硬度的变化情况,得到采样器操作参数的可行区域。采样器能够实现铲取、挖取和封装容器转移多重任务,研究工作为中国未来的月面采样任务提供方案借鉴和技术支撑。     

氮气分配器设计及其在模拟器中的应用

在风扇换热器组件冷却方案的基础上,提出氮气分配器通风冷却方案并进行合理设计。两种方案下模拟器的流场和温度场数值模拟比较表明氮气分配器方案下发热部件冷却效果更好,该设计方案能使模拟器内部温度保持在各部件正常工作的温度范围里,氮气最大温差控制在设计目标内,对微波布线提供了重要的参考依据。     

小天体动能撞击防御中动量传递因子敏感参数分析

动量传递因子β是评估动能撞击效果的重要参量。根据动能撞击过程中动量传递因子的理论模型,分析了撞击器特性参数和小天体结构特性参数对动量传递因子取值的影响,并对不同动能撞击方案以及不同材料特性小天体的成坑效应和动量传递因子进行分析。研究表明：标度律参数μ对β影响较大,μ是地面实验拟合得到的系数,与材料强度特性相关;当小天体为单体岩石结构时,撞击器速度及密度、小天体密度及表面强度对β影响较大,而撞击器半径和小天体引力对β影响较小;当小天体为碎石堆结构时,β对撞击器特性参数和小天体特性参数不敏感,且数值较小。对三种不同动能撞击方案的成坑效应与动量传递因子形成规律进行研究,发现撞击器初始动能对β影响较大。当小天体为单体岩石结构时,其对应的动量传递因子取值较大,而当小天体为碎石堆结构时,其对应的β取值较小且基本不变。对相同动能撞击方案下不同材料特性小天体（C型、S型和X型小行星）产生的撞击效应进行分析,发现在引力主导时,βC>βS>βX,而在强度主导时β取值较小且基本相同。     

基于统计特征空间提取和支持向量机的极暗弱小天体检测方法

小天体检测是小天体防御和预警的前提。针对小天体目标信噪比低、检测难的问题,提出了基于统计特征空间提取和支持向量机（SVM）的极暗弱小天体检测方法。区别于传统方法基于时间或空间上目标的能量和背景噪声能量的瞬时能量差别或是瞬时能量差别的累积,对目标进行检测。该方法不依赖目标能量大小,提取运动目标穿过背景时对稳定性产生的扰动来反演运动目标。将输入的图像序列转化为单像元时序信号,划分时序窗口提取统计特征,关联形成统计特征空间,利用更高维度的变化特性检测目标变化。通过SVM将暗弱小天体检测问题转化为目标与背景的二分类问题,避开了较难解决的阈值分割问题同时具有更好的泛化性能。利用真实数据与其他经典方法进行对比分析,使得分类准确率提高4.02%。该方法能够适应更低的信噪比,在极低信噪比下仍表现出稳定的检测性能。     

宇航员手持式高频冲击采样装置的设计研究

获取具有原态层理信息的月壤剖面样品是我国载人登月人工采样任务的重要目标之一。对比国外地外天体采样技术,提出了一种适合宇航员手持操作的高频冲击式采样装置。采样装置采用高频冲击作用下颗粒的单向运移原理,可保证样品的原态层理信息,降低了采样功耗,提高了取芯率;取芯机构表面的各向异性摩擦形貌增强了颗粒单向运移效果,提高了采样效率;改变冲击频率进行取芯试验,得到了冲击频率与表面形貌对取芯率的影响规律,为我国载人登月人工采样装置的设计研究提供技术参考。     

低成本多小天体并行交会技术

小天体资源开发方兴未艾,为降低开发风险和成本,需要发射无人探测器交会观测多个待选目标小天体。传统多目标探测方案存在无法多次交会、成本高,周期长等不足。提出的低成本多小天体并行交会技术,能够对多小天体探测任务进行解耦,实现基于微纳飞行器的低成本多目标并行交会勘查,从而降低探测成本,缩短探测周期。该技术结合行星借力与不变流形机制构建了低能量星际转移方案。然后引入扰动流形思想,使微纳飞行器能够实现与目标小天体的快速交会。进一步,提出了一种多目标小天体探测全局搜索方法,该方法基于在日地halo轨道上停泊的微纳飞行器集群,逐次确定小天体探测目标,并利用上述方法完成了多微纳飞行器与多小天体的交会。数值仿真结果表明,该方案能够大幅度降低转移过程的燃料消耗,并缩短转移时间。     

基于光电编码器的电机变周期速度观测器设计

针对光电编码器在伺服系统应用中速度估计易受系统振动干扰和存在量化误差的问题,设计了一种基于变采样周期观测器的速度估计算法.通过观测器的积分运算抑制振动干扰;通过采样周期和光电编码器脉冲的同步,使量化误差最小;为了减小观测器离散域极点变化对算法性能的影响,保证变周期观测器在较大速度范围保持较高精度,给出了一种观测器增益系数的计算方法.实验表明该算法可以在保证动态性能的同时,有效抑制振动和量化误差引起的估计误差,提高速度估计精度.      

填充泡沫镍对固液相变过程的影响

为了改善固液相变蓄能装置的空穴分布及传热性能,在理论研究基础上设计制造了填充泡沫镍的固液相变蓄热容器,与未填充泡沫镍的蓄热容器一同进行了相变蓄热实验,利用铂电阻(Pt100)和数据采集模块(ADAM-4000)测得了各蓄热容器的温度变化数据,实验后对各容器进行了CT(Computed Tomography)扫描,得到了容器内部的空穴分布图像.通过对比研究两种容器的温度变化和空穴分布,证明了填充泡沫镍能够有效改善固液相变过程中的空穴分布和传热性能,研究结论对于固液相变蓄热技术的应用具有一定指导意义.     

大型客机驾驶舱气流热仿真及舒适性评价

驾驶舱的空气速度场和温度场直接影响驾驶员的热舒适和工效,是驾驶舱结构和环境控制系统设计中考虑的重要内容.对B737-800驾驶舱进行全尺寸三维建模,以高空夜航工作情况为例,采用商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件Fluent计算该驾驶舱的流场和温度场,再用平均温度评价指标和热环境综合评价指标PMV(Predicted Mean Vote)来对驾驶舱进行温度环境客观评价,并采用问卷调查法对飞行员进行驾驶舱内部空气流速和温度舒适度的主观评价.数值仿真结果与主观评价结果都得出B737-800驾驶舱在高空夜航时基本处于舒适的环境,除躯干和脚部由于偏凉而略感不舒适.数值仿真结果与客观评价结果的一致性,验证了大型客机驾驶舱气流热仿真的准确性.     

不同流速比超声速混合层气动光学效应研究

针对不同流速比混合层流场气动光学效应问题,首先采用大涡模拟数值方法进行了数值仿真,其次用光线追迹方法进行了气动光学效应仿真,最后对混合层的气动光学效应进行了评价。结果表明,混合层流场涡结构与光程差极小值存在一一对应关系,并且其流速比低的混合层气动光学效应更加严重。同时,研究了不同光学参数对斯特列尔比的影响,得到了相应的规律。     

小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的数值模拟

针对最大流量原理法在设计小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴方面的不足,采用Fluent软件中的多相流混合模型,模拟了包含蒸气和水两相的喷嘴内部流动,得到了流量、喷雾锥角等宏观参数,并和实验测量数据以及理论计算值进行了对比,分析了不同结果产生的原因;同时,还对喷嘴内的气液两相体积分数、轴向与切向速度、压力分布等流场特性参数进行了分析,着重论述了与理论模型之间的差异以及相应的机理.数值模拟方法考虑了液体的粘性和壁面摩擦力等因素,较好地反映了喷嘴内部的流场特性,为小几何特性小孔径细水雾离心喷嘴的设计提供了借鉴.      

比例伺服阀低液动力阀芯导流结构优化设计

本文研究了比例伺服阀的阀芯结构对液动力的影响,提出一种阀芯导流壁面优化设计方案。采用计算流体力学CFD的方法,建立滑动网格模型,分别对阀芯传统导流结构和优化设计后的导流结构进行数值模拟分析,并验证网格无关性。对阀芯所受稳态液动力进行数值求解,并分析不同优化设计方案对阀口处流体流动状态的影响。结果表明,优化设计后的阀腔内部流场分布更均匀,流动状态更平稳;阀芯内流道导流结构会改变阀口处的介质流向,进而改变进出口流体的水平方向上的动量差,补偿部分液动力;与传统方案相比,液动力最大补偿效果可达60%,显著降低了阀芯所受液动力干扰,有利于提升比例伺服阀的静动态控制性能。     

匀速及加速行驶直背式轿车气动噪声

应用计算流体力学软件FLUENT对简化直背式轿车外部流场及车外某接收点处气动噪声进行了数值计算和分析.脉动流场计算采用大涡模拟湍流模型,动量方程的离散格式采用有限中心差分格式.分别对两种匀速运动情况和一种加速运动进行了计算,由此研究不同车速、匀速和加速运动对接收点处脉动流场和气动噪声的影响.对于匀速运动,车速越大,接收点处流速越大,压力越小,在每个频率上所对应的声压级基本上越大,总声压级也越大;在同一行驶速度下,加速运动比匀速运动在接收点处的流速要大,压力要小,在每个频率上所对应的声压级基本上要大,总声压级要大,声压级随频率的变化情况与匀速运动一样.      

基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统

针对验证可重复使用运载器关键控制技术的需求,提出了一套基于STM32的可重复使用运载器闭环仿真系统。基于该套平台,对系统的总体方案、硬件平台设计、软件开发及设计进行了重点论述,实现了对箭上测量单元、计算机单元、执行单元及地面测发控单元的模拟。通过仿真试验,完成了可重复使用运载器制导、导航及姿控算法等关键控制技术的验证。结果表明：所开发的闭环仿真系统设计合理,实时性好,可靠性高,可为大型可重复使用运载器试验奠定基础,缩短研制周期。     

基于CE-PF算法的舰载机离场调度优化问题

甲板作业调度研究是提升航母战斗力的关键技术,而其具有时间、空间与资源受限的复杂约束调度问题已被证实为NP-hard。根据舰载机出动离场调度优化问题的特点,将其抽象为零缓存区混合流水车间调度模型,建立包含飞机避碰等约束的混合整数规划模型。提出一种交叉熵与作业剖面匹配(CE-PF)算法用于问题求解,并给出了算法流程架构。交叉熵算法通过高斯采样完成启发式规则下的工件分组,作业剖面匹配算法完成分组工件的任务排序、作业编排及约束检查等调度设计,Gap逼近算法进行目标值评估、精英种群选择、抽样参数更新及收敛判定。通过算例仿真,验证了CE-PF算法求解离场调度优化问题的有效性;灵敏度分析表明起飞模式和空间约束对出动效能影响较大。      

垂直下降状态下的旋翼三维流场数值模拟

应用激励盘模型,采用计算流体力学(CFD, Computational Fluid Dynamics)方法结合动量叶素理论,计算了旋翼在垂直下降时的流场特征与气动性能.计算过程中,旋翼载荷被描绘成沿桨盘径向分布、与当地流动参数相关的压力源项.在直角坐标系中,运用有限体积方法直接求解了定常不可压N-S(Navier-Stokes)方程,湍流模型为S-A(Spalart-Allmaras)一方程模型,重点使用诱导速度经验公式计算出了压力源项.旋翼流场模拟结果和性能预计结果同实验测量数据吻合较好,表明这种CFD方法可以有效地分析旋翼下降飞行时的空气流动特性,为进一步的涡环状态研究提供了参考.