多舱段载人航天器CO2去除系统性能仿真分析

多舱段载人航天器通常由主控舱段利用舱间通风对组合体空气环境参数进行集中控制.利用Ecosimpro建立了一种多舱段载人航天器CO₂去除系统性能仿真分析模型,包括舱体模块、乘员模块、CO₂净化模块、舱间通风模块,并对三舱段载人航天器CO₂去除系统性能进行了计算分析.结果表明,当净化装置进风量为0.007 2 kg/s,非主控舱段驻留人数达到6人时,会造成非主控舱段CO₂分压超出700 Pa的指标上限.此时增大舱间通风量对降低非主控舱段CO₂分压的效果并不明显,有效的控制方式是增大净化装置进风量.当净化装置进风量增加至0.011 3 kg/s时,非主控舱段CO₂分压可降至700 Pa以下.该工作有助于加快载人航天器空气环境控制系统的设计和改进流程.     

密闭空间内氢气和二氧化碳甲醇化系统的非均相模型及反应特性

在载人密闭空间内通过电解水方式为乘员供氧会产生副产物氢气（H₂）。此外,乘员还呼出二氧化碳（CO₂）。将H₂和CO₂催化合成甲醇（CH₃OH）是消除载人密闭空间内富余H₂和CO₂的最优方式之一。对其开展反应过程建模及反应特性研究有助于进行反应过程的控制,更好地维持载人密闭空间内的大气平衡。本文采用微元法建立了H₂和CO₂催化合成甲醇的物料计算模型和温度一维非均相模型,研究了不同反应压力、冷却介质温度以及入口反应气体中CO₂与CO比值等反应条件下的反应特性变化规律。结果显示,反应压力的增加、冷却介质的温升以及入口气体中CO₂与CO比值的减小均能促进各反应速率增加,进而使得H₂和CO₂消除量增加、甲醇合成率上升以及催化剂和反应气体最高温度上升。在保证反应速率增加且催化剂最高温度不超过合理反应温度区间的最大值573.15 K时需维持反应压力不大于8 MPa,冷却介质温度不高于538.15 K以及CO₂与CO比值不小于1。      

基于CO2测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO₂观测数据,分析CO₂浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO₂浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO₂浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO₂浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.      

释放不同化学物质对电离层扰动的比较

在电离层F区释放氢（H₂）、水（H₂O）、二氧化碳（CO₂）、六氟化硫（SF₆）、三氟溴甲烷（CF₃Br）、羰基镍（Ni（CO）₄）可以损耗局域等离子体电子密度,形成电子空洞,电离层电子密度的改变主要取决于释放物质的气态分子与电离层之间的离子化学反应.在电离层人工主动扰动实验中,应根据发射成本和扰动效果对释放物质进行选择.通过热力学原理和有限元模拟方法计算比较了上述6种物质对电离层的扰动影响.计算结果表明,6种物质中水的气化率最低,约为19%,其余5种物质都在60%以上,选择密度小的物质,例如H₂和CO₂,可以有效降低发射成本.另外,扩散较慢且化学反应较快的物质,例如SF₆和Ni（CO）₄,能够使得电离层电子密度减少得更多,并且受扰动区域更广、持续时间更长.     

二甲醚部分氧化重整制氢热力学分析及实验

用元素势能法对二甲醚(DME)部分氧化重整制氢进行了热力学分析与计算,在定压绝热条件下计算了产物中各组分的体积分数随空醚比(0.5~4)和压强(0.1~0.5MPa)的变化关系.结果表明:H₂的体积分数随压强的增大而减小;在标准大气压和空醚比为3的条件下,由二甲醚部分氧化反应得到的氢气体积分数最大,约为35%;H₂的体积分数随空醚比的增大先增后减,CO的体积分数变化不明显,CO₂和CH₄的体积分数随空醚比的增大而减小.最后,在自制实验台上进行二甲醚等离子体重整制氢的实验,将该实验结果与热力学分析结果进行了对比分析,结果证明用元素势能法分析得到的H₂,CO,CH₄和CO₂的体积分数随空醚比的变化趋势与实验结果较为一致.      

中国微藻航空煤油制备潜能及CO2减排

综合考虑中国各地温度变化、水资源和CO₂的供给能力等因素,分析了中国适合微拟球藻规模化养殖的地区;根据2013年沿海地区燃煤发电排放CO₂量,结合蓬莱地区微拟球藻规模化养殖的实际数据,预测了中国微藻的年产量潜力及在现有技术水平下利用这些微藻原料可制备航空煤油的潜力;并采用全生命周期模型GREET计算了微藻航空煤油相比传统石油基航空煤油在全生命周期内中可减少CO₂的排放量。结果表明:目前中国具有每年8894万t的微藻养殖潜力,这些微藻共可制备航空煤油1917万t;与传统航煤相比,制备1 t微藻航空煤油在全生命周期内相比传统航空煤油可降低CO₂排放2.28 t。     

二维H2/O2混合和流动的直接数值模拟

用高阶精度的紧致差分方法,对低速的随时间发展的二维可压缩H-2/O-2混合层流动编制了直接数值模拟的计算机程序,对雷诺数Re为400、来流马赫数Ma分别为0.4(上部的H₂)和1.57(下部的O₂)的H₂/O₂亚跨超声速混合层流动进行了计算,得到了相应的计算结果,并对结果进行了分析和研究.     

中国民用航空器CO2减排潜力的区域划分

对中国进行科学的区域划分，是研究具有区域差异性与空间相关性航空器CO₂排放问题并提出差异化CO₂减排措施的重要基础。基于2007—2016年中国部分地区民用航空器运行数据，在构建CO₂减排潜力分类模型的基础上，通过Kruskal算法得到省域网络关系最小生成树；采用谱聚类算法，以“最大化区划优度”为目标，划分航空器CO₂减排潜力的不同区域。结果表明：最优区域划分为四分区，区划优度为0.35；航空器CO₂减排潜力高的区域主要分布于中国西南和中南地区，潜力低的区域主要分布于东北和华北地区；针对各区域CO₂减排特征，从民航局、机场和航空公司等不同主体提出了差异化的区域CO₂减排措施。     

LY12cz铝合金晶间腐蚀模拟试验研究

用金属间化合物 θ(CuAl₂)、S(Al₂CuMg)、MnAl₆与纯Al(L1)组成多电极体系,以模拟LY12cz合金的晶界区.通过电化学测试、SEM和能谱分析等方法研究了该合金晶间腐蚀机理.证实其晶间腐蚀是由沿晶界偏析的强化相与贫Cu区所组成的多电极体系引起的.在含Cl^－离子的中性溶液中,S相是导致晶间腐蚀的主要阳极相.S相首先发生阳极溶解,随后,贫铜区、MnAl₆相逐步随S相一起溶解.以这种方式沿晶界形成了阳极溶解通道,导致晶间腐蚀.     

纵向通风公路隧道空气污染浓度适时预报算法

公路隧道空气污染模型的计算通常采用有限体积法,耗时费力,在通风系统的动态调控中不易使用.根据隧道内污染物浓度沿隧道长度近似线性分布的特点,从二阶偏微分方程表示的隧道通风污染模型中推导出了动态预测隧道出口空气污染物浓度的线性迭代方程,对方程中新出现的变量提出了可行的计算方法,同时对方程所描述的物理过程进行了解释．用西汉高速秦岭隧道内的CO浓度的实测数据对方程进行了验证,发现此方程能够在离线的情况下粗略预报隧道出口CO浓度值．为进一步改善预报精度,利用实测数据对上述方程进行修正,提出了一种带有观测误差修正的预报算法,并用现场数据对修正后的预报算法进行验证,结果表明修正后的预报算法能够更准确地在线预测隧道出口实际CO浓度值．     

多舱段载人航天器氧分压控制仿真分析

为确保乘员安全性,载人航天器需通过氧分压控制系统将密封舱内的氧分压控制在指标范围内.提出了一种两舱段载人航天器密封舱氧分压控制系统数学模型,包括密封舱体、乘员、供氧组件、舱间通风(IMV)等多个子模块.通过与相关试验数据进行对比,证明了数学模型的准确性.针对由两个容积为60 m3密封舱组成的组合体,利用该模型分析了乘员驻留位置、舱间通风量、氧分压监测模式对两舱氧分压的影响.结果表明:当舱间通风量为0.5 m3/min 且6人驻留在氧分压非主控舱时,两舱氧分压上限差别达到2.2 kPa.两舱氧分压差别会随着舱间通风量的增加而减小.单舱监测模式和两舱监测模式对两舱氧分压影响并不显著,当舱间通风量超过1.5 m3/min时,两种控制模式的氧分压控制效果趋于一致.      

Plant responses to reduced air pressure: advanced techniques and results.

Knowledge on air pressure impacts on plant processes and growth is essential for understanding responses to altitude and for comprehending the way of action of aerial gasses in general, and is of potential importance for life support systems in space. Our research on reduced air pressure was extended by help of a new set-up comprising two constantly ventilated chambers (283 L each), allowing pressure gradients of +/-100 kPa. They provide favourable general growth conditions while maintaining all those factors constant or at desired levels which modify the action of air pressure, e.g., water vapour pressure deficit and air mass flow over the plants. Besides plant growth parameters, transpiration and CO2 gas exchange are determined continuously. Results are presented on young tomato plants grown hydroponically, which had been treated with various combinations of air pressure (400-700-1000 hPa), CO2 concentration and wind intensity for seven days. At the lowest pressure transpiration was enhanced considerably, and the plants became sturdier. On the other hand growth was retarded to a certain extent, attributable to secondary air pressure effects. Therefore, even greater limitations of plant productivity are expected after more extended periods of low pressure treatment.     

火箭空中爆炸冲击波峰值超压预测方法

研究火箭空中爆炸冲击波参数预测方法对于乘员舱的安全评估具有重要意义。为了探究火箭空中爆炸时飞行高度对峰值超压的影响,获取冲击波参数快速预测方法,利用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对火箭飞行至0~20 km高度爆炸进行了有限元仿真分析。结果表明,作用于乘员舱的冲击波峰值超压随飞行高度的增加而快速减小。火箭空中爆炸冲击波压强衰减系数与飞行高度之间的关系服从二次函数衰减。在此基础上,提出了考虑高度效应的火箭空中爆炸冲击波峰值超压预测公式,可为乘员舱的快速危害性评估以及防护研究提供一定参考。      

基于PERT网络的航空弹药保障人员优化配置

针对航空弹药保障效率和可靠性要求高的问题,在分析保障流程的计划评审技术（PERT,Program Evaluation and Review Technique）网络图中各工序对任务完工影响程度的基础上,提取了工序关键度指标和重要度指标以及各方案下的按期完工概率,建立了保障人员配置方案评价指标体系,表示为评价函数形式.以基于蒙特卡洛方法的PERT网络仿真为核心,选择在遗传算法进化寻优框架下构建优化模型,该方法不仅得到了最优的保障人员配置方案,而且评估了需要注重的关键工序.算例实验证实了其有效性与实用性.      

Carbon balance in bioregenerative life support systems: some effects of system closure, waste management, and crop harvest index.

In Advanced Life Support (ALS) systems with bioregenerative components, plant photosynthesis would be used to produce O2 and food, while removing CO2. Much of the plant biomass would be inedible and hence must be considered in waste management. This waste could be oxidized (e.g., incinerated or aerobically digested) to resupply CO2 to the plants, but this would not be needed unless the system were highly closed with regard to food. For example, in a partially closed system where some of the food is grown and some is imported, CO2 from oxidized waste when combined with crew and microbial respiration could exceed the CO2 removal capability of the plants. Moreover, it would consume some O2 produced from photosynthesis that could have been used by the crew. For partially closed systems it would be more appropriate to store or find other uses for the inedible biomass and excess carbon, such as generating soils or growing woody plants (e.g., dwarf fruit trees). Regardless of system closure, high harvest crops (i.e., crops with a high edible to total biomass ratio) would increase food production per unit area and O2 yields for systems where waste biomass is oxidized to recycle CO2. Such interlinking effects between the plants and waste treatment strategies point out the importance of oxidizing only that amount of waste needed to optimize system performance.     

World-wide radiation dosage calculations for air crew members.

A greatly improved version of the computer program to calculate radiation dosage to air crew members is now available. Designated CARI-6, this program incorporates an updated geomagnetic cutoff rigidity model and a revision of the primary cosmic ray spectrum based on recent work by Gaisser and Stanev (1998). We believe CARI-6 provides the most accurate available method for calculating the radiation dosage to air crew members. The program is now utilized by airline companies around the world and provides unification for subsequent world-wide studies on the effects of natural radiation on aircrew members.     

Evaluation of Cyanothece sp. ATCC 51142 as a candidate for inclusion in a CELSS.

Controlled ecological life support systems (CELSS) have been proposed to make long-duration manned space flights more cost-effective. Higher plants will presumably provide food and a breathable atmosphere for the crew. It has been suggested that imbalances between the CO2/O2 gas exchange ratios of the heterotrophic and autotrophic components of the system will inevitably lead to an unstable system, and the loss of O2 from the atmosphere. Ratio imbalances may be corrected by including a second autotroph with an appropriate CO2/O2 gas exchange ratio. Cyanothece sp. ATCC 51142 is a large unicellular N2-fixing cyanobacterium, exhibiting high growth rates under diverse physiological conditions. A rat-feeding study showed the biomass to be edible. Furthermore, it may have a CO2/O2 gas exchange ratio that theoretically can compensate for ratio imbalances. It is suggested that Cyanothece spp. could fulfill several roles in a CELSS: supplementing atmosphere recycling, generating fixed N from the air, providing a balanced protein supplement, and protecting a CELSS in case of catastrophic crop failure.