板式贮箱排空过程的在轨实验和仿真研究

板式推进剂贮箱的排空性能决定了推进剂的利用率,同时排空过程推进剂质心的变化会影响贮箱乃至卫星质心的稳定,因而是值得关注的.文章提出了一种球形全管理板式贮箱的设计,包含4片导流板、4片小蓄液片和一个中心柱.在中国空间站上开展了贮箱模型的流体输运和排空实验,并建立贮箱的非结构网格模型,开展匹配空间站排空实验的仿真分析,通过实验和仿真的液体流动速度对比验证了网格模型和仿真方法的准确性.基于该网格模型,开展微重力下排空过程仿真、微重力下稳态气泡形貌仿真和机动加速度下排空过程仿真,展现了气泡形貌受板式结构尤其是中心柱的影响在单侧气泡和环形气泡间的转变,发现在排空过程中推进剂质心的跳变,揭示微重力下贮箱形成环形气泡的条件,机动加速度下的排空仿真显示该贮箱模型排空率高达99.95%,验证了该型流体管理装置的排空性能.文章的实验和仿真研究验证该型板式贮箱具有良好的流体管理性能,对于含有中心柱的全管理板式贮箱的流体界面与气液分离性能研究也具有重要的借鉴价值,这些成果和发现对空间流体管理、板式贮箱设计和卫星姿轨控策略的制定具有重要参考意义.

1A级射频感性耦合等离子体中和器电子引出特性研究

为解决低轨道吸气式离子电推力器的电中和问题,设计了一套抗氧化能力强、长寿命的1 A级氙工质感性耦合等离子体中和器,实验研究了发射孔径对其电子引出特性的影响。实验结果表明:发射孔径的变化,会对中和器电子引出电压、饱和电流和工质利用系数产生较大的影响,且在部分孔径下发现了电子束流随引出电压上升时出现二次跃变现象,根据工质利用系数和电子引出功耗比确定出中和器最优发射孔径为1.5 mm;电子束流引出为1 A时,工质利用系数达到27.7,电子引出功耗比为94.6 W/A。同时,测试了中和器温度对工作稳定性的影响,中和器热平衡状态下与点火初期相比中和器电子引出性能下降约10%。

射频离子推力器研究进展

详细介绍了射频离子推力器的工作原理,以及近60年微牛级和毫牛级射频离子推力器的研究历程和成果。射频离子推进系统涉及多项关键技术难题,针对工质选取、射频电路阻抗匹配、气体流量控制、电中和控制和寿命问题提出了初步解决方案,结合射频离子推力器未来应用的需求,展望了射频离子推力器的发展趋势和研究方向。

二氧化碳超临界相变过程中Rayleigh-Bénard对流的实验研究

超临界流体是一种极端条件下(温度与压力均处于临界点以上)的非常态流体。浮力驱动的超临界流体Rayleigh-Bénard(RB)对流则是一种新的非线性热对流体系,其浮力作用不符合Boussinesq近似,且在温差的作用下物性在临界点附近出现剧烈畸变并伴随着丰富的流动与相变耦合过程。本实验设计了可承载超临界二氧化碳(SCO_(2))的透明蓝宝石压力容器,建立竖直温度梯度作用下的超临界流体RB对流,观测不同温差作用下的流动结构和超临界相变过程并通过图像互相关算法计算“雾化”液滴的速度场。实验采用铂电阻测温,并精确控制容器上下端的温差,研究SCO_(2)在线性降温过程中多种流态与速度场的演化。在线性降温过程中,SCO_(2)经历超临界流动、跨临界流动和气液两相流动3个典型过程。跨临界流动是相变与浮力热对流的强耦合过程,导致超临界二氧化碳RB对流具有多态的非稳态流动。实验结果表明:超临界RB对流对温差极为敏感,温差越大则超临界域内的对流越剧烈;随着温度的降低,雾化的液滴不断凝聚,形成丰富的多层流动结构,并最终向气液两相流动演化。

PIV技术的粒子图像处理方法

以图像相关理论为基础,研究粒子图像测速技术(PIV) 的图像处理方法,编制出高精度的处理软件,重建计算模拟的粒子图像位移场,给出了自相关法与互相关法的积相关与减相关的计算结果,及互相关法的误差分析,分析了自相关与互相关区别.得出了互相关法是提高粒子图像测速技术精度的有效方法的结论,因此跨帧技术是PIV

液层厚度对浮力-热毛细对流面型的影响

将Michelson光学干涉测量系统与图像处理技术相结合,发展形成一种实时诊断热毛细对流和浮力对流流体表面形貌的实验测量系统.采用光学干涉测量方法研究了两端带有温差的矩形池内薄层流体的对流、表面变形、以及表面波的基本问题.应用Fourier变换方法对实验结果进行计算和分析,得到了流体表面变形和表面波的定量的实验结果.实验结果表明了在浮力-热毛细对流的发展过程中,首先出现流体的表面变形,之后在该变形的基础上,叠加了一个表面波的信息,该表而变形和表面波与流体的温度梯度、表面张力、以及浮力有直接的关系;表面波隐藏在表面变形内.

HPIV及其初步应用研究

全息粒子图像测速技术(HPIV) 为一种对流体容积( 三维空间) 进行瞬时三维( u ,v ,w) 速度场测量的技术.本项研究采用了双YAG 脉冲激光器二次曝光、漫射照明、参考光对称布置全息术记录三维空间的粒子三维位移场,再现粒子空间场又采用了体视粒子图像测速技术分别截取各切面上的粒子三维位移场,其中由于采用了不同方向的参考光分别再现不同曝光时刻的粒子图像,可以用互相关技术,实行位移方向的自动判别.本项技术用于立方体对角水流中的三维旋涡流动的瞬态三维速度场的初步测量.

微重力流体物理专题序

微重力流体物理主要研究微重力环境中流体的行为及运动规律以及重力变化对运动规律的影响.微重力环境中,浮力对流、重力沉降及分层、液体静压等极大地减小,地面重力效应掩盖的次级效应凸显,从而影响或改变流体运动机制与行为.微重力流体物理研究关注微重力环境(包括低重力环境)中液体、气体或多相混合物以及分散体系等物质的流动、形态、相变及其运动规律和机理,特别是在微重力环境流体热质输运表现出的新现象和新规律以及物理形态变化表现出的新机制.微重力流体物理服务于航天器极端条件下的热质管理与输运、空间材料制备等空间应用,具有极强的应用背景,其典型科学问题包括如下内容.

第54届国际宇航大会介绍

第54届国际宇航大会于2003年9月29—10月3日在德国布莱梅召开．国际宇航大会是国际宇航联合会(IAF)、国际宇航科学院(IAA)和国际空间法律联合会联合主办的国际宇航界盛会，每年举办一届，至今已举办了54届，一直得到国际宇航领域的科学家和工程技术与管理人员的极大重视．

动态三维流场的全息层析干涉测量

设计了一种适用于拍摄大视角动态全息图的光路，用精心选模的高性能调ＱＮｄ：ＹＡＧ倍频脉冲激光器拍摄了几种动态三维流场的双曝光全息图．在用层析法对双高斯函数的温度场作了模拟验证性计算的基础上，给出了双芯乙醇灯温度场的两个横截面上温度分布的重建结果．

一株产酯酶菌的分离鉴定及其酶学性质研究

从土壤中分离得到一株产酯酶菌,经16S rDNA序列测定,属于嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia),命名为S.mal SF-H。对该菌株产酶的诱导效应及其酶学性质进行了研究。结果表明,培养基中加入5g·L^(-1)柠檬酸三正丁酯塑化剂,可以有效诱导该菌株产生酯酶,所产酯酶对短链脂肪酸酯的水解活性有明显底物特异性和差异性。以对硝基苯乙酸酯为底物时,酶液表现出良好的耐温性,最适温度为80℃,且70℃保温2h的相对酶活力为95%,最适pH值为9.0,在pH值为8.0时稳定性最好;以对硝基苯丁酸酯为底物时,酶的最适温度为70℃,70℃保温2h的相对酶活力为51%,最适pH值为8.0,在pH值为8.0~10.0时稳定性最好。所产酯酶的耐溶剂性表现基本一致,在66%丁醇和66%乙醇中相对酶活力均约为60%。

Bnard-Marangoni对流温度振荡转捩实验研究

主要通过实验观测Benard-Marangoni对流中存在的温度振荡现象,研究了温度振荡的起振临界Ma数,以及初步探讨了温度振荡随Ma数增加的转捩过程.实验结果表明不同物性参数的硅油温度振荡临界Ma数满足同一临界条件.不同的物性参数的介质表现出不同的温度振荡转捩过程,但同一物性参数不同厚度的介质表现相同的振荡规律.此外,还用粒子迹线法观察了流场结构及转捩过程.

微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流

空间探索计划的需求对空间流体管理技术提出了新的挑战。流体管理设备的内角是主要的流体传输'管道',因此研究微重力下容器内角处的毛细驱动流具有重要的意义。由于设计和制造等原因,完美的尖角并不常见,而是带有一定圆角过渡的内角。笔者设计不同的带有圆形过渡内角的容器,选用10cSt硅油为实验流体介质,通过一系列的落塔实验,研究了容器内角处不同的圆角半径对毛细驱动流的影响,并分析得到了有价值的实验规律。

基于扩张状态观测器的无拖曳系统参数辨识

分析了卫星无拖曳控制系统的在轨参数辨识问题,由于无拖曳系统的不稳定性质,需要设计控制器使其稳定,在此基础上进行闭环辨识.根据自抗扰控制原理,设计了扩张状态观测器以估计系统不同控制回路的扰动和状态,基于状态和扰动估计值设计控制器使系统稳定.提出了基于扩张状态观测器(ESO)的多输入多输出系统闭环参数辨识方法.为提高实际应用中的辨识效果,引入积分型滤波器对观测状态中的噪声进行抑制.将这种方法应用于类似LISA Pathfinder的单轴无拖曳模型,对系统动力学参数进行估计,通过数值仿真实验验证了该辨识方法的有效性和实用性.

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容.对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展.实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性.实验中,成功地利用PIV(particle image velocimetry)技术对1mm2/s硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测.结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响.当液层厚度较小时,比如当d=2.8mm时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4.5 mm时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.

应用PIVT技术测量单液滴热毛细迁移时的速度场和温度场

在地面实验中,使用粒子图像测速测温(Particle Image Velocimetry and Thermometry,PIVT)技术测量了单滴热毛细迁移时液滴周围同时刻的速度场和温度场。选用密度相近的豆油和硅油作为实验系统的母液和液滴。实验结果表明单滴周围的温度场扰动不同于线性理论预测的随到液滴距离的平方成反比,而是距离一次方成反比,这是由于重力引起的浮力效应造成的,地面实验中重力作用不能忽略。

热毛细对流表面波空间实验研究

介绍了实践十号返回式科学实验卫星19项科学项目载荷之一:热毛细对流箱表面波空间实验研究,包括项目研究目标、意义、研究内容、空间实验模型及地面匹配实验结果等.阐述了本项目开展空间实验研究的必要性,用科学的地面实验研究数据预测和对比微重力条件下可能获得的研究结果,展望本项目可能取得的成果.

NaClO_3晶体生长过程光学诊断与数值模拟

运用光学干涉诊断方法实时观测NaClO3晶体生长过程,得到晶体生长过程中溶液浓度,晶体尺寸等物理参量.将这些参量与数值模拟得到的结果进行比对,研究重力条件下NaClO3晶体溶液生长过程中速度场、浓度场的分布与演化,尝试提出符合实际情况的晶体生长理论模型.对比两种方法得到的浓度边界层厚度,数值模拟得到了与实验数据相一致的结论.

少年犯心理健康现状及影响因素的研究

采用量表法对100名少年犯的心理健康状况进行了测查。结果表明,少年犯的心理健康水平要远远低于同龄人,但真正有心理问题的人数只占7.4%。从各因子的检出率来看,敌对因子的检出率最高,恐怖因子的检出率最低。在其影响因素上,少年犯的心理健康状况在家庭结构上表现出显著性的差异,离异家庭少年犯的强迫、敌对症状要高于单亲家庭和双亲家庭。

短时微重力环境下的浮力-热毛细对流

在NMLC落塔中,以大Pr数硅油作为实验介质,对短时微重力环境下矩形液池中的液面变形和浮力热毛细对流进行了初步的实验研究。观测了气液自由界面的变形过程,确定了重定位时间,并验证了毛细爬升的两个特征时间;通过实验发现楔形结构和挡板对于液面控制有一定的作用,但是要想获得更好的控制效果,还需要采取其它措施使内角处不满足Concus-Finn条件;运用PIV方法得到了液体内部对流速度场,观察到了在重力水平突变和液面大变形的条件下浮力热毛细对流的转变过程。