A Comparative Study of the Influence of the Active Young Sun on the Early Atmospheres of Earth, Venus, and Mars

Because the solar radiation and particle environment plays a major role in all atmospheric processes such as ionization, dissociation, heating of the upper atmospheres, and thermal and non-thermal atmospheric loss processes, the long-time evolution of planetary atmospheres and their water inventories can only be understood within the context of the evolving Sun. We compare the effect of solar induced X-ray and EUV (XUV) heating on the upper atmospheres of Earth, Venus and Mars since the time when the Sun arrived at the Zero-Age-Main-Sequence (ZAMS) about 4.6 Gyr ago. We apply a diffusive-gravitational equilibrium and thermal balance model for studying heating of the early thermospheres by photodissociation and ionization processes, due to exothermic chemical reactions and cooling by IR-radiating molecules like CO₂, NO, OH, etc. Our model simulations result in extended thermospheres for early Earth, Venus and Mars. The exospheric temperatures obtained for all the three planets during this time period lead to diffusion-limited hydrodynamic escape of atomic hydrogen and high Jeans’ escape rates for heavier species like H₂, He, C, N, O, etc. The duration of this blow-off phase for atomic hydrogen depends essentially on the mixing ratios of CO₂, N₂ and H₂O in the atmospheres and could last from ∼100 to several hundred million years. Furthermore, we study the efficiency of various non-thermal atmospheric loss processes on Venus and Mars and investigate the possible protecting effect of the early martian magnetosphere against solar wind induced ion pick up erosion. We find that the early martian magnetic field could decrease the ion-related non-thermal escape rates by a great amount. It is possible that non-magnetized early Mars could have lost its whole atmosphere due to the combined effect of its extended upper atmosphere and a dense solar wind plasma flow of the young Sun during about 200 Myr after the Sun arrived at the ZAMS. Depending on the solar wind parameters, our model simulations for early Venus show that ion pick up by strong solar wind from a non-magnetized planet could erode up to an equivalent amount of ∼250 bar of O⁺ ions during the first several hundred million years. This accumulated loss corresponds to an equivalent mass of ∼1 terrestrial ocean (TO (1 TO ∼1.39×10²⁴ g or expressed as partial pressure, about 265 bar, which corresponds to ∼2900 m average depth)). Finally, we discuss and compare our findings with the results of preceding studies.     

添加剂含量对二硅化钼发热体抗氧化性能的影响研究

研究了添加剂含量对MoSi2发热体性能的影响,使用SEM观察各种添加剂含量试样的微观组织,测定各种添加剂含量试样的氧化动力学曲线、致密度、烧损温度。     

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。     

高超声速飞行器钝舵缝隙流动数值模拟研究

目前,带缝隙钝舵的缝隙引起的流场结构和气动加热规律变化,还很不明确,需要研究缝隙诱导所形成旋涡的空间分布特征和旋涡运动对物面气动加热的影响规律。通过分析高超声速钝舵缝隙气动加热问题,基于无缝隙钝舵,建立一种带缝隙钝舵简化模型。使用有限体积方法求解可压缩Navier-Stokes方程,通量采用van Leer通量向量分裂方法计算。插值采用MUSCL方法,时间项采用LU-SGS隐式方法。结果表明:无缝隙钝舵流场结构相对简单,带缝隙钝舵流场结构同无缝隙钝舵相比要更为复杂,舵轴上游缝隙内会出现马蹄形涡串结构,相应地在缝隙的上下表面均会出现马蹄形高热流区;受缝隙诱导分离再附流动的影响,在舵轴迎风面以及舵体侧面后部均形成了局部高热流区。     

细长体飞行器自由边界热模态试验与仿真

随着耐热承载一体化材料在新型高超声速飞行器上的应用,承力结构的工作温度不断提高,各类热模态特性逐渐得到关注。针对非平面形状的细长体飞行器自由边界条件下的热模态特性开展了研究。通过研究模拟气动加热条件的圆筒形加热笼、模拟自由边界的耐高温柔性支撑、非接触激光多普勒测振、耐高温激振杆激励等试验方法,获得了细长体结构自由边界条件下随温度变化的前3阶模态变化情况。结果表明：对此类薄壁长圆筒类结构,温度升高对模态频率影响可以超过6 Hz。开展有限元仿真,并与试验取得的热模态结果的变化规律进行对比。结果表明：建立考虑温度对结构弹性模量、热应力影响的壳单元模型,能够较好地预测出前3阶模态频率在全部受热时间范围内的最大下降量,可为高超声速飞行器控制系统设计时的拉偏范围提供参考。     

基于自动控制的蒸汽式热压机加热控制系统研究

介绍一种用于多层加热加压聚合生产绝缘材料的热压机加热系统,它具有自动化程度高、高效、节能的特点,将现有的蒸汽式加热系统的温度均匀性控制提高到一个新的台阶。     

飞机水平尾翼水滴撞击特性及防冰热载荷计算

建立了利用欧拉法求解水滴撞击特性的方法,并基于Messinger质量和能量守恒方程建立了热载荷计算模型,以某型飞机三维水平尾翼为研究对象,展开了撞击特性和热载荷的计算.结果显示水平尾翼的局部水收集系数极值从翼根到翼尖逐渐增加,不同截面水滴收集系数的分布为设计防冰系统范围提供了依据.驻点附近及机翼上、下表面各存在一个热载荷较大的区域,进而确定该尾翼电加热防冰分为3个区域:中间连续加热区和上、下表面驻点附近的各一个间断加热区.      

来流马赫数对座舱气动加热影响的数值模拟

采用数值手段研究了来流马赫数对飞机座舱附近区域气动加热的影响,计算的来流马赫数为0.8~2.0,基于翼展的雷诺数为107。通过分析飞机蒙皮表面的温度分布、表面摩擦因数、壁面法向速度梯度和热流量等物理量,给出了飞机头部座舱附近区域的气动热分布情况。计算结果表明,随着来流马赫数的增加,壁面法向速度梯度增大,飞机对称面上的平均温度、表面摩擦因数和热流量随之增大。此外,针对某型号飞机的计算结果表明,座舱附近区域上表面中心线上的平均温度与来流马赫数、自由来流温度之间呈一定的函数关系。     

气动加热模拟试验加热系统控制研究

本文通过理论分析和试验测试研究了可控硅功率调节装置和石英灯加热器的动特性，提出了通过系统识别的方法研究石英灯加热器的静特性；在研究被控对象特性基础上找到了对任意一个石英灯加热器组成的被控对象进行非线性PID控制器的设计方法。这些方法提高了控制的质量，缩短了试验准备的周期，并进行准自适应控制，从而改善了气动加热模拟试验加热系统的控制效果。     

气动谐振加热效应的数值模拟

为研究谐振管内部的流动情况,建立了喷嘴-圆柱形谐振管系统的模型,利用二阶NND格式求解二维轴对称雷诺平均N-S方程,通过耦合求解传热方程在边界条件中考虑谐振管的传热,模拟气动谐振加热效应,得到了谐振管底部气体的压力与温度振荡曲线,计算结果与实验结果较为一致.结果表明,在约20 ms内即可完成对谐振管底部气体的谐振加热,且谐振管的传热是影响气动谐振加热温度的重要因素,在数值模拟中对其加以考虑可以提高计算准确性.