载人航天器舱内通风空调特性和数值模拟

由于载人航天器这一密闭狭小空间及其微重力这一特殊环境，舱内通风空调问题和热舒适环境与地面的HVAC问题不同，微重力效应特别是自然对流大为减弱影响着通风换热效果。本文首先分析了舱内通风空调问题的特殊性，通过无量纲分析和计算微重力的流体力学效应，然后利用FLUENT软件对两种集中通风方式进行数值模拟。模拟结果表明：微重力下几乎不存在“冷风下坠”或者“热羽”现象；集中斜进风在一定的进风角度和Re数下出现分岔解现象；与常重力相同通风条件下，微重力下自然对流的减弱使得舱内温度降低，换热减少，因此满足常重力热舒适要求的通风条件不一定满足微重力下热舒适性的要求。     

微重力下低速空气伴流对甲烷-空气层流扩散火焰特性的影响

研究微重力下空气伴流对层流射流扩散火焰特性的影响,可为航天领域中火灾探测研究提供理论支持。在国家微重力实验室落塔式设施中进行了短时（3.6 s）微重力实验,获取不同伴流空气速度下甲烷火焰的特性。结果表明,层流射流扩散火焰特性会受到微重力环境下低速空气伴流的影响。当气流速度为0~0.5 m/s时,在微重力环境下无法观察到火焰振荡现象,随着伴流速度增加,火焰的长度和直径减小,但是与长度相比,直径没有明显变化;随着伴流速度的增加,微重力环境下甲烷火焰的辐射热损失率降低,而微重力火焰的辐射热损失率比常重力下大。     

塑料制造进入外太空

3D打印不仅在地球上努力进入主流应用,还脱离了地球进入外太空。宇航员们正在国际空间站掀起一股3D打印风暴。如果美国航空航天局NASA的添加制造项目按计划进行,用不了多久,就能完成比在太空中制造扳手和备件更复杂更精彩的生产。在太空中3D打印的第一个物件是3D打印机本身的一个备件。这是一个挤出机外壳,印上了打印机生产商的名称"Made In Space"以及NASA标识。随后很快又为挤出机外壳打印了一块侧板。NASA的3D打印项目经理Niki Werkheiser说,第一次打印时,"制品需要有意义,能够从中获得测试数据。"     

微重力下颗粒物质动力学性质综述

针对微重力环境下颗粒物质动力学过程表现出与常规重力场环境迥然不同特征,综述颗粒物质振动、碰撞、流动研究成果,分析总结颗粒动力学机制与特点,认为应加强对微重力环境下颗粒物质动力学行为机理研究,尽早提出微重力下颗粒动力学性质分析思路与动力学模型。     

不同重力环境下间隙对机械臂末端轨迹的影响

以在轨服务高精度操控任务为背景,根据不同重力环境中机构的间隙界面运动特性,研究了地面装调及空间服役两种不同工况下的近似间隙等效模型。分析了不同重力环境下影响间隙形成的主要因素,并以二自由度空间机械臂为例,使用无质量轻杆法获取考虑铰间间隙的空间机械臂在重力及重力释放条件下的动力学解析解,进行了铰间间隙与重力对末端轨迹跟踪控制精度耦合影响的仿真研究。在此基础上,针对间隙等效模型造成的模型不确定性及干扰设计了间隙补偿控制器,并通过仿真验证了间隙补偿控制器的有效性。     

考虑重力影响的空间机械臂轨迹跟踪滑模控制

针对空间机械臂由地面装调到空间应用过程中重力环境发生变化的问题,使用滑模控制器对空间机械臂进行控制,通过将配置特殊的非线性结构-fal函数引入趋近律的设计中,提出一种新的基于趋近律的滑模控制方法,并基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的渐近稳定性。仿真结果表明该方法能够很好地完成不同重力环境下机械臂的轨迹跟踪控制任务,并具有较强的鲁棒性。     

不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制

针对空间机械臂在地面装调与空间应用时,由于重力环境变化导致机械臂模型发生变化的问题,提出了一种自抗扰控制算法,用于完成空间机械臂轨迹跟踪控制的任务.该算法通过将系统模型及未知外扰作为系统的总和扰动,并利用扩张状态观测器对该扰动进行观测且给予补偿,从而提高了系统抗扰的性能.当机械臂模型随重力环境变化而发生变化时,使用同一个自抗扰控制器对其末端轨迹进行控制,均能取得较好的控制效果.通过对系统的稳定性进行分析,证明了所设计控制器的有效性.将仿真结果与PD控制及自适应鲁棒控制做比较,结果表明该控制算法不仅能适应机械臂模型的变化而且还能有效抵抗系统的扰动,从而使系统具有较强的鲁棒性.     

航天器中性浮力实验体外形设计与仿真

文章对中性浮力地面实验系统中实验体的外形进行了设计。首先利用Fluent软件求解计算出几种可供选择的实验体外形在各种工况下的水动力系数,同时通过力矩系数给出几种外形的静稳定性;然后在对水阻力系数和静稳定性进行分析和对比的基础上,选择了正方体作为实验体的外形;最后对正方体实验体进行动力学建模及仿真分析,结果表明此外形实验体的水阻力可以被克服。由此说明从阻力能够被克服和具有良好的静稳定性的角度考虑,此外形可以作为较好的实验体外形选择。研究结果可为相关方面的进一步研究和设计提供依据。     

微重力环境对MHD角速度传感器性能影响研究

磁流体动力学角速度传感器在轨测试期间，其内部流体部分运动特性在微重力下与实验室（常重力）环境不同，表现为静压梯度、沉浮分层与浮力对流减弱，且航天器姿态调整时传感器所受微重力方向会发生变化，故有必要分析航天器所在微重力环境对传感器输出性能的影响。由于在轨测试成本高，地面测试复现效果不理想，利用仿真软件Fluent，对比两种不同结构的传感器在常重力下和航天器不同姿态的微重力下的流体运动特征与敏感元件输出特性。仿真结果表明，相较于常重力环境，在航天器不同姿态的微重力环境下，径向磁场结构敏感元件的标度相对误差不超过0.01%，最大值较轴向磁场结构减小1个数量级，低于标度重复性测试相对误差3个数量级，相位偏差小于10-5°。     

分形界面的功能效应

评论了在材料学里的不均匀界面具有的分形性质，提出应用分形基础理论和计算机模拟途径可实现功能、智能材料的人工设计研究。