2012年国际空间站科学研究与应用进展

概述2012年国际空间站科学研究的总体态势,介绍技术开发与验证、物理科学、人体研究、教育活动和推广、地球与空间科学及生物学与生物技术等6个领域的主要研究方向,重点分析各领域科学实验开展情况及其新变化,探讨国际空间站科学研究与应用的发展趋向.     

6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场研究

采用热电偶测温技术系统测定了6mm6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板各特征点的温度变化曲线,分析了双轴肩搅拌摩擦焊过程中焊接试板不同区域的温度场分布特征。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头上、下轴肩同时产热,比传统搅拌摩擦焊产热量大,且热输入方式及试板接触散热条件也有很大不同,因此,其稳定焊接速度较大,从而导致双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场分布特征与传统搅拌摩擦焊明显不同。双轴肩搅拌摩擦焊过程分为加速焊接和稳定焊接两个阶段,起始阶段,随着焊接速度的增加,靠近起始端测温点的温度逐渐升高,而远离起始端各测温点的温度升温则非常缓慢,当焊接速度达到较高的稳定焊接速度,搅拌头接近后续各测温点时,其温度值瞬间急剧升高,然后随着搅拌头的远离,温度值逐渐下降。不同区域测温点温度测试结果显示,靠近下轴肩试板测温点的温度高于靠近上轴肩试板、后退侧的温度明显高于前进侧;与单轴肩搅拌摩擦焊接试板相同,距离焊缝越近的位置温度上升和下降的越剧烈,峰值温度越高;焊接速度提高,各测温点的峰值温度依次降低,随着测温点远离焊缝中心,焊接速度对其温度分布的影响作用逐渐减弱。     

GH4169合金超塑性变形及其力学行为的研究

GH4169高温合金经超细化预处理工艺后,在变形温度T为1000℃、初始应变速率5为1．14×10－3s－1的拉伸变形条件下,得到了良好的超塑性,其最高延伸率8max为467％,最低流动应力amin为43．1MPa。合金在较宽的变形温度范围（T为940～1020℃）和应变速率范围内（10－4～10－3s－1）显示出良好的超塑性。这对实际生产中工艺参数的选择及控制提供了很大的方便。应变速率敏感性指数m值可以表征材料超塑性性能的高低,但不能完全衡量超塑性能。     

基于干扰观测器的高超声速飞行器预测控制器设计简

 针对具有强耦合特性与模型不确定性特点的高超声飞行器控制问题,提出一种新型的姿态预测控制器设计方法。引入参考模型,建立了飞行器姿态预测控制模型。基于此,利用预测理论设计了飞行器的预测控制器,同时设计了干扰观测器实时观测外界未知干扰来进行补偿控制,从而实现滚动优化的目的;基于干扰观测值与真值的误差,利用Lyapunov稳定性理论,确定了控制精度与预测步长大小的关系;最后,在参数标称与拉偏的情形下进行了高超声速飞行器姿态控制系统仿真,仿真结果表明,干扰观测器能快速跟踪干扰,并且所设计的预测步长可以满足飞行器高精度的控制要求。     

基于冷热电一体化的舱外航天服生命保障系统性能

基于质子交换膜燃料电池（PEMFC）和热驱制冷,提出一种舱外航天服生命保障系统冷热电一体化方案.在分别建立金属储氢装置、PEMFC、热驱制冷系统和辐射散热器数学模型的基础上,利用冷热电一体化的热力学分析理论和方法进行了典型案例的计算,并重点分析了核心构件热驱制冷装置的参数对舱外航天服生命保障系统性能的影响.与传统的冷热电分产舱外航天服生命保障系统比较,该系统仅消耗84.6g氢气,且不需要向空间排放工质,能源利用率高达85.29%,在工质消耗与能源利用率上有较大的优势.      

间冷循环热力学特征及参数化分析研究

间冷循环技术是大幅提升燃气轮机性能的有效手段。采用图解法分析了间冷热力循环的技术特征,并运用数学推导论证了间冷循环技术可以提高燃气轮机输出功率和热效率的本质。通过搭建数学模型,编制了计算程序,进行了燃气轮机简单循环与间冷循环参数化计算分析,重点进行了总体方案设计中压比分配原则的研究,并结合实际工程案例的参数分析予以佐证。结果表明:在低压和高压压比为0.3左右时,间冷燃气轮机的综合性能最佳。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合振动

考虑齿轮啮合及扭转作用,建立齿轮-转子-滚动轴承传动系统的弯扭耦合非线性动力学模型.考虑输入/输出端、齿轮轴的弯曲/扭转振动等问题,推导了不平衡齿轮-转子-滚动轴承弯扭耦合的动力学微分方程.在考虑齿轮偏心和滚动轴承非线性接触特性的情况下,分析了转速、偏心量以及轴承游隙等参数对系统振动响应的影响规律.研究发现:由于弯扭耦合的作用,在主动轴中有着非常明显的从动轴转频成分.而在扭转振动中则各轴转频和啮合频率表现得更为清晰;滚动轴承有其自身的谐振频率,在系统设计阶段需要注意避开滚动轴承的变刚度频率对系统的影响;随着齿轮偏心量的变化对系统的时域和频域响应也有着很大的影响.另外,轴承游隙对系统的振动响应也有着较大影响,应选择合适的轴承游隙,以减小系统各处的振动幅值.     

一种直升机自旋训练过程涡轴发动机控制规律设计与仿真

针对直升机自旋训练过程中涡轴发动机快速响应要求,提出了一种以燃油流量和导叶角为控制量的鲁棒控制规律抑制自由涡轮转速瞬态下垂.首先,通过改进UH-60直升机/T700发动机综合模型,使之能够模拟自旋进入及自旋恢复过程动态变化.其次,提出并设计一种基于燃油流量和导叶调节的涡轴发动机鲁棒控制规律,并通过典型的自旋训练过程仿真,验证了该控制规律相比仅以燃油流量为变量的控制规律,自由涡轮转速瞬态下垂量降低至3%以下,且燃油流量变化更加平缓,改善了执行机构的工作条件.     

残余应变对锥柱形膜片多次翻转行为的影响研究

弧长法能跟踪复杂的非线性平衡路径全过程,但计算受初始设定载荷影响较大,而针对这一局限设计的改进算法能更好地求解膜片翻转过程。考虑新型Ti3012合金、纯钛、理想材料,基于改进弧长法研究残余应变对锥柱形膜片多次翻转行为的影响,得出新型Ti3012合金膜片的正翻与回翻过程均没有纯钛膜片好,且存在严重偏心现象,其98%正向翻转状态时回翻过程中不仅偏心量达到60mm,而且出现褶皱等严重失效行为;理想材料在不同正向翻转状态时反向回翻,膜片均存在严重的偏心问题,最大偏心量大于80mm;纯钛膜片仅98%正向翻转状态时回翻过程中偏心量稍大,约为10mm。无残余应变这一材料特性降低了膜片结构刚度,同时伴有初始弹性模量减小的性质,这些因素均不利于膜片多次翻转。