空间微重力磁悬浮平台激励器研究

为满足空间实验室的科学实验载荷对微重力环境水平的要求,需要保证空间微重力实验载荷平台的振动隔离性能,即需要平台激励器能在控制系统的作用下适时地产生抑制平台扰动的激励力.本文提出了平台激励器的初步指标,从磁悬浮基本原理出发设计出多种结构形式,在此结构基础上完成有限元磁路仿真和激励器的线圈设计,并对各种结构形式进行比较,根据比较结果总结出各结构形式的优缺点,为激励器的具体设计提供了依据.      

基于亥姆霍兹线圈的大尺寸均匀电磁场模拟

针对外层空间物理环境模拟系统的技术要求,基于亥姆霍兹线圈的工作原理,采用一对匝数、边长、高度和厚度相同的共轴平行放置的正方形线圈构成了Helmholtz线圈,结合恒流源和单片机控制技术,设计了电磁场模拟系统.采用ANSYS Workbench有限元分析软件对正方形Helmholtz线圈的电磁场分布进行了数值模拟,重点考察了线圈X轴、Y轴和线圈表面附近的电磁场分布,在此基础上设计了线圈结构参数.对所设计的正方形Helmholtz线圈内部12个关键点的电磁场进行了测量,结果表明线圈内的磁感应强度和磁场均匀性能够满足环境模拟系统的要求.      

航天运载器磁悬浮助推发射关键技术

以航天运输为背景,研究了磁悬浮助推发射的磁悬浮、直线电机、空气动力影响和运载器分离发射等关键技术问题.通过磁悬浮系统比较,确定高温超导体EDS(Electrodynamic Suspension)系统是适合的磁悬浮技术方案,在单元静、动态实验测试基础上,研究其基本静态悬浮导向性能和刚度、阻尼特性,并建立缩比研究试验平台以评估磁悬浮系统的综合性能.通过分析2种直线电机类型及优缺点,确定双边感应直线电机是适合磁悬浮发射系统的一种直线电机加速方式,并确定脉冲磁流体发电的能量供给方案.通过磁悬浮发射空气动力影响分析,优化设计磁悬浮发射装置气动外形和气动布局,得出其基本气动特性,并提出利于实现系统俯仰力矩平衡的气动翼控制方案.研究了运载器同时滑离导轨式定向器分离发射方案,并通过动静法计算分析得出运载器从定向器滑轨上成功分离所需具备的基本动力学参数.      

一种磁悬浮开关磁阻电机用轴向径向磁轴承

为了克服现有永磁偏置轴向径向磁轴承的缺陷,研究了一种新型结构的磁悬浮开关磁阻电机用永磁偏置轴向径向磁轴承.分析其结构及工作原理,利用等效磁路法进行分析,得出了轴向悬浮力及径向悬浮力的数学模型,并对数学模型进行了线性化处理,得出了其轴向、径向位移刚度和电流刚度.给出了磁极面积、控制线圈安匝数、定转子结构等主要参数的设计方法,给出了样机参数,用有限元对样机进行了三维仿真分析.理论研究和仿真分析表明:该永磁偏置轴向径向磁轴承结构紧凑,轴向控制磁通和径向控制磁通彼此解耦,控制更加容易,适用于高速、低功耗等场合.      

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.      

顺电相PbTiO3晶体的电子结构和光学性质

应用全电势线形平面波缀加方法对铁电晶体钛酸铅的顺电立方相的电子能带结构、态密度、电子密度分布进行了计算.能带结构的计算结果表明立方顺电相晶体PbTiO₃为直接带隙的半导体,带隙大小为1.7eV.通过态密度和电子密度的计算结果分析,得到价带和导带的电子组成情况,并且指出Ti原子和O原子存在较强的共价键合.在电子结构的计算基础上,计算得到了与实验符合较好的PbTiO₃晶体的介电函数的实部和虚部,分析了虚部所对应的能带跃迁,并得到了其它的光学性质的参数(光学吸收系数、折射率、消光系数、能量损失曲线、反射率).     

电脉冲除冰系统的结构力学性能分析

电脉冲除冰（EIDI）作为一种电动-机械式除冰系统,具有广阔的应用前景。本文采用线圈和金属平板组成的电脉冲系统作为EIDI结构动力学模型的研究对象,基于有限元分析软件MSC/NASTRAN,建立了一套针对典型平板-线圈结构的EIDI系统结构动力学仿真模型,研究了模型的固有特性（模态与频率）与时域响应分析,并开展了仿真模型的实验验证。研究了基于模型的EIDI系统结构动力学特性,重点关注最大应变和位移在空间的分布规律,并讨论了电容、电压等放电参数的影响。研究表明,电脉冲作用下,平板最大位移分布特性近似“马鞍型”,提升电容和电压可以增大脉冲力峰值和结构变形量,同时减小固定位置处的应变。      

航天发射用磁悬浮助推发射系统概念研究

针对日益增加的航天发射成本问题和安全、可靠、低成本航天发射方式的需求,阐述了磁悬浮助推发射概念及其优越性.初步分析了磁悬浮助推发射系统组成及各分系统功能.通过比较电磁悬浮(EMS)和超导电动(EDS)两种磁悬浮系统性能,结果表明EDS是更适合于磁悬浮助推发射的磁悬浮系统方案.通过助推发射能量需求初步分析,直线电机加速能量供给系统是难题之一,需要重点解决.采用飞行弹道分析方法,说明地面助推水平起飞单级入轨运载器方案的可行性及特点.与其它航天助推发射方式比较,磁悬浮助推发射在提高入轨载荷和降低发射成本方面具有优势.     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点,尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中,设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件,采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明,电磁与永磁两磁场耦合性较好,电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大,且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大,对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

常闭式电磁制动器驱动结构设计及性能分析

针对常闭式电磁制动器耗能高、制动力密度小、励磁线圈发热严重等缺点，尝试将永磁体引入至制动器驱动结构中，设计出了一种电磁与永磁混合作用的新型电永磁驱动结构。结合有限元软件，采用有限元法分析了其内部磁通量分布并研究励磁线圈电流、气隙及永磁体结构形状等因素对电磁力的影响。结果表明，电磁与永磁两磁场耦合性较好，电磁吸力随电流增加及气隙的减小增幅较大，且同等条件下L形永磁体的电磁驱动结构对衔铁的吸力最大，对电磁制动器轻量化研究具有指导意义。     

Magnetic levitation of large water droplets and mice

We report successful levitation of large water droplets and mice using a newly built variable gravity simulator. The simulator consists mainly of a superconducting magnet with a room temperature accessible experimental levitating space. The superconducting magnet generates a field and field gradient product that is large enough to levitate water and many other common liquids. The warm bore of the magnet has a diameter of 66 mm, large enough to levitate small mammals. We demonstrate that water drops up to 50 mm in diameter and young mice can be levitated in the system. The capability of levitating large water drops and biological systems offers new opportunities for conducting detailed and in-depth study of properties of fluids and biological systems in reduced gravity environments.     

月球受光面上月尘静电浮扬特性分析

基于单粒子轨道理论及空间尘埃等离子体充电方程,建立了月球受光面上尘埃微粒的静态荷电模型.基于光电子能量Maxiwellian分布假设,确定了月面垂直空间电场强度和光电子鞘层内带电粒子密度的函数表达式.利用牛顿运动定律和静电场力表达式,构建了月球受光面上尘埃微粒的静电浮扬动力学模型,并进行月尘静态浮扬特性的数值计算.研究结果显示:太阳高度角与颗粒粒径是控制月尘静电浮扬发生及动力学特性的两个基本参量;月尘静电浮扬发生在月球的黎明和黄昏;随着粒径的减少,月尘颗粒的最大浮扬高度不断增加.     

变重力场中散体颗粒堆的安息角及接触力分布

为研究重力与散体颗粒堆安息角的关系,针对颗粒系统的随机性和离散性特点,通过三维离散单元法建立颗粒的运动模型,对颗粒在不同重力场中的堆积过程进行了模拟,得出了颗粒堆的安息角及接触力概率分布.结果表明:颗粒堆内接触力构成的力链呈非规则网络状,其中,接触力近似对数正态分布,约65%接触力低于平均值;接触点中约70%处于临界滑移,其余接触点切向力与法向力的比值为均匀分布;不同重力场中颗粒堆接触力的分布规律具有相似性,即接触力相对重力无量纲化之后,其分布函数高度相符;颗粒堆的微观结构具有随机性差异,但是安息角不受重力大小的影响.     

Study on dependence of hydrodynamic characteristics on gravity in a vertical upward channel bubbly flow

Since the bubbly flow has extensive applications in the space field, it is very necessary to comprehend the dependence of hydrodynamic characteristics on gravity. In this paper, the dependence of the microbubble distribution and the liquid turbulence modulation by the microbubbles on gravity was investigated in detail with the Euler–Lagrange method. The liquid Navier–Stokes equation was solved using direct numerical simulations (DNS), and the microbubble motion was tracked with Newtonian motion equation considering drag force, shear lift force, added mass force, pressure gradient force, and wall lift force. The coupling between the gas and the liquid phases regarded the interphase force as a momentum source term in the momentum equation of the liquid. The results showed that the phase profile and the turbulence modulation by the microbubbles strongly depend on the magnitude of gravity. When the influence of gravity is relatively weak, the microbubbles approximately uniformly disperse in the wide central region of the channel, and the average statistics of the liquid turbulence are almost not influenced due to the addition of the microbubbles. However, when the influence of gravity is comparatively important, the majority of the microbubbles accumulate near the wall of the channel, and the injection of the microbubbles modifies the profiles of the liquid average statistics.     

Magnetic levitation-based Martian and Lunar gravity simulator.

Missions to Mars will subject living specimens to a range of low gravity environments. Deleterious biological effects of prolonged exposure to Martian gravity (0.38 g), Lunar gravity (0.17 g), and microgravity are expected, but the mechanisms involved and potential for remedies are unknown. We are proposing the development of a facility that provides a simulated Martian and Lunar gravity environment for experiments on biological systems in a well controlled laboratory setting. The magnetic adjustable gravity simulator will employ intense, inhomogeneous magnetic fields to exert magnetic body forces on a specimen that oppose the body force of gravity. By adjusting the magnetic field, it is possible to continuously adjust the total body force acting on a specimen. The simulator system considered consists of a superconducting solenoid with a room temperature bore sufficiently large to accommodate small whole organisms, cell cultures, and gravity sensitive bio-molecular solutions. It will have good optical access so that the organisms can be viewed in situ. This facility will be valuable for experimental observations and public demonstrations of systems in simulated reduced gravity.     

基于线性重力差模型的拦截弹中制导技术

针对机载动能拦截弹的中制导段气动力作用可忽略且存在无法实时精确计算重力偏差等特点,提出了一种基于线性重力差模型的预测制导方法。通过线性模型逼近中制导过程中拦截弹与目标之间的重力偏差,以此为依据调整拦截弹的推力矢量并将重力偏差值消除。在此基础上采用延迟点火的策略使得拦截弹的拦截器助推级更好地修正预测模型与实际情况的偏差,经过仿真验证可以将整个中制导段的脱靶量限制在一个较小数值,从而为末制导段提供良好的初始条件。     

空间引力红移实验的原理与精度

通过对文献[4, 5]关于空间引力红移实验原理与精度的分析,根据爱因斯坦惯性力与引力等效的原理,提出在航天器内部,重力的大部分被惯性力抵消,因而其中的微重力比轨道重力小很多(失重).因此,应当把星载原子钟的重力势取为与微重力相当的有效重力势,而不能简单地将星载钟的重力势取为轨道重力势.另外,检验相对论红移需要将理论值与实验值进行对比,这两种数值均具有误差,而检验精度取决于误差较大者.因此,如果不提高地球重力模型(例如EGM2008)精度而只提高测量精度则不能提高检验精度.     

影响双节套筒式延伸喷管展开时间的主要因素

分析了重力、惯性力、有效动作力、延伸长度对延伸喷管展开时间的影响。其计算结果对套筒式延伸喷管的设计及展开时间预估有指导作用。     

基于流动沸腾气泡脱落行为的重力无关性分析

在流动沸腾现象中，气液两相密度差异导致重力对流动和传热性能产生很大影响，因此重力效应研究对于流动沸腾的航天应用具有重要意义.在对Bower-Klausner-Sathyanarayan重力无关准则（BKS准则）分析的基础上，提出其判据存在理论缺陷，不能正确反映重力效应.采用与BKS准则相同的气泡脱落模型，但忽略气泡沿加热管壁的滑动效应，重新计算常重力条件下不同流动方向起始沸腾阶段单气泡的脱落尺寸，归纳得到一个新的基于Fr（Froude数）的重力无关准则.该准则与实验结果符合更好，且与主导作用力准则基本相符.      

Interaction of gravity with other environmental factors in growth and development: an introduction.

The life of plants and other organisms is governed by the constant force of gravity on earth. The mechanism of graviperception, signal transduction, and gravireaction is one of the major themes in space biology. When gravity controls each step of the life cycle such as growth and development, it does not work alone but operates with the interaction of other environmental factors. In order to understand the role of gravity in regulation of the life cycle, such interactions also should be clarified. Under microgravity conditions in space, various changes are brought about in the process of growth and development. Some changes would be advantageous to organisms, but others would be unfavorable. For overcoming such disadvantages, it may be required to exploit some other environmental factors which substitute for gravity in some properties. In terrestrial plants, gravity can be replaced by light under certain conditions. The gravity-substituting factors may play a principal role in future space development.