空间站燃烧科学实验系统结构件设计与力学环境试验研究
发布时间：2021-08-15 23:32
燃烧是人类获取能源、动力和产生推力的主要手段,加深对燃烧现象的科学理解具有重要意义,而重力对燃烧的影响是是显而易见的。加深对微重力或低重力环境下燃烧现象的研究,有助于提高人类预测和预防火灾的能力,这也是载人航天实践中防、灭火工程的实际需要。目前大部分微重力燃烧实验都是通过地面实验设施实现的,因此受到了微重力时间和微重力水平的限制,而空间站为这些研究提供了完美的微重力环境。2022年左右,中国载人空间站将建成,可以支持大规模和多学科的空间科学研究,微重力燃烧实验就是其中之一。中国空间站燃烧柜项目就是为空间站燃烧实验提供一个安全可靠的平台,利用此平台可以进行气体,液体和固体燃烧实验。本文也是基于此项目,以空间站燃烧科学实验柜燃烧科学实验系统研制为背景,根据国内外现有经验,参考国际空间站燃烧综合实验柜（CIR）设计,结合实际情况对系统进行了方案设计并对方案进行了分析验证。本文第2章给出了燃烧室设计原则,对有限元分析方法和力学环境试验方法进行了介绍,为后面的有限元仿真分析和力学环境试验提供理论支持。第3章对燃烧科学实验系统进行了方案设计。对任务目标和技术指标进行了详细分析,针对系统应该具有的功...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微重力实验设施特征时间和微重力水平[9]
该?钟的微重力时间。早在50年代日本就利用自由落体设施对液滴的燃烧进行了微重力实验[8]；美国航空航天局（NASA）也建立了30米高的落塔（提供2.2秒微重力时间）和155米落井（5—10秒微重力时间），并在该设备上进行了气体射流扩散燃烧的试验研究[9]；德国在Bremen也建立了相似的设备[10-12]。各个国家利用这些装置进行了大量的微重力实验，并取得了很多有价值的研究成果。近几年来，我国在微重力研究方面也在快速发展，成立了中国科学院国家微重力实验室，建立了百米落塔，微重力时间为3.6秒，对多方面进行了研究。图1.3为我国微重力实验室百米落塔的内部与外景图，落塔内是舱体结构，实验舱下落过程中可以获得10-5g的微重力条件[7]。图1.3我国微重力实验室百米落塔实验舱[7]及外景图Figure1.3100-meterfallingtowerexperimentcabinandlocationmap2、抛物线飞机与探空火箭虽然落塔可以提供2-10秒的微重力时间，但使对于需要较长微重力时间的实验来说，落塔存在明显的缺点。与落塔实验相比，飞机作抛物线飞行能提供更长的实验时间，能提供5~25s的微重力实验时间，而且每次飞行可作30个以上的抛物线飞行，但其能达到的微重力水平较差，微重力水平难以超过0.001g。利用探空火箭可以得到更长的微重力时间，火箭将实验装置送入高空，箭体分离后实验装置靠惯性继续上升，然后落向地面，微重力环境可以持续几分钟，这就极大地方便了微重力燃烧实验的观察和测试。六十年代NASA用改装后的KC-135飞机作抛物线飞行，利用其提供的微重力条件（30秒左右微重力时间、10-2g的微重力水平）作了大量研究工作[11-14]。
空间站燃烧科学实验系统结构件设计与力学环境试验研究4图1.4美国NASA典型抛物线飞行轨迹[17,18]Figure1.4TypicalNASAparabolicflighttrajectory3、太空飞行搭载太空飞行搭载实验可以提供稳定的微重力环境，较长的微重力时间，同时实验可以由研究人员直接进行。目前太空飞行实验装置主要是美国的航天飞机和国际空间站[15]。1974年，美国在Skylab上完成了首次空间燃烧实验[16]。我国也利用返回式卫星进行了大量的微重力实验。综上所述，由于微重力燃烧实验样品种类多、特征时间长、测量诊断要求高，一般地基设施和微重力设备提供的微重力条件的时间和实验空间都远远满足不了研究工作的要求，而空间站为这些研究的开展提供了可能，使得地基实验中无法进行的实验得以实现，成为科学研究的制高点，所以开展空间站微重力燃烧实验研究对微重力燃烧的发展具有重要意义。1.2国内外空间微重力燃烧研究现状1.2.1国外空间微重力燃烧研究现状到目前为止国外各国建成并长期使用的空间站有前苏联/俄罗斯的“礼炮号”系列空间站，和平号空间站，美国的天空实验室（Skylab），欧洲的空间实验室（Spacelab）和国际空间站（ISS）[20-23]。早期的空间站内研究的主要是生物医学，地球、物理和材料等方向，只有很少燃烧方面的实验研究。在空间站失火事故和美国阿波罗号飞船火灾后，各国开始认识到微重力下防火灭火研究的重要性，认识到微重力燃烧科学的发展是十分必要的[19]。由于空间燃烧科学研究的重要性，美、俄、日本等国和欧盟投入了大量的人力、物力及财力来支持和推动空间燃烧科学研究的发展。吸引了一批高水平的研究学者，汇聚到这一领域，使其在国际空间科学的前沿研究中十分活跃。国际空间站建成后，美、欧、日等国均在上面进行了大量实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型航天器动力学试验验证技术进展[J]. 张俊刚,何玲,高海洋,刘明辉,岳志勇. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(02)
[2]微重力燃烧实验系统多功能支撑平板结构设计[J]. 商兰,王宝瑞,刘闯,孔文俊. 空间科学学报. 2018(04)
[3]“天舟”货运飞船的使命[J]. 杨华星,赵金才. 科学. 2018(02)
[4]振动试验夹具结构动态设计及试验验证[J]. 孙晔,陆海桃,张海英,樊哲良. 机械强度. 2017(05)
[5]空间实验室与中国载入空间站[J]. 杨华星,赵金才,高莉,黄应春. 科学. 2017(04)
[6]实践十号卫星有效载荷胶体材料箱地基实验[J]. 李伟斌,蓝鼎,王育人. 空间科学学报. 2016(04)
[7]SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置[J]. 尹永利,王双峰,刘仁豪,杨京松,朱凤,田柳. 空间科学学报. 2016(04)
[8]SJ-10卫星导线特性箱实验装置研制[J]. 孔文俊,王宝瑞,夏伟. 物理. 2016(04)
[9]空间站微重力燃烧研究现状与展望[J]. 张璐,刘迎春. 载人航天. 2015(06)
[10]随机振动试验中确定控制点布置方案的方法[J]. 马红卫. 电子产品可靠性与环境试验. 2015(03)
博士论文
[1]卫星主承力构件与光学相机的共结构设计及动力学优化[D]. 谭陆洋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
硕士论文
[1]基于实践十号卫星微重力煤燃烧实验系统的设计及优化[D]. 左程.华中科技大学 2016
[2]天巡一号微小卫星正样星结构设计与力学环境试验研究[D]. 陈靖.南京航空航天大学 2012
[3]航天器振动试验控制技术研究[D]. 齐晓军.国防科学技术大学 2011
[4]交会对接目标飞行器资源舱结构改进设计[D]. 查学雷.国防科学技术大学 2011
[5]环境振动试验夹具动态分析、结构优化设计及其软件实现[D]. 陈剑.南京航空航天大学 2009
[6]“TXZ”微小卫星结构优化设计与分析[D]. 王薇.南京航空航天大学 2008
本文编号：3345137
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
微重力实验设施特征时间和微重力水平[9]
该?钟的微重力时间。早在50年代日本就利用自由落体设施对液滴的燃烧进行了微重力实验[8]；美国航空航天局（NASA）也建立了30米高的落塔（提供2.2秒微重力时间）和155米落井（5—10秒微重力时间），并在该设备上进行了气体射流扩散燃烧的试验研究[9]；德国在Bremen也建立了相似的设备[10-12]。各个国家利用这些装置进行了大量的微重力实验，并取得了很多有价值的研究成果。近几年来，我国在微重力研究方面也在快速发展，成立了中国科学院国家微重力实验室，建立了百米落塔，微重力时间为3.6秒，对多方面进行了研究。图1.3为我国微重力实验室百米落塔的内部与外景图，落塔内是舱体结构，实验舱下落过程中可以获得10-5g的微重力条件[7]。图1.3我国微重力实验室百米落塔实验舱[7]及外景图Figure1.3100-meterfallingtowerexperimentcabinandlocationmap2、抛物线飞机与探空火箭虽然落塔可以提供2-10秒的微重力时间，但使对于需要较长微重力时间的实验来说，落塔存在明显的缺点。与落塔实验相比，飞机作抛物线飞行能提供更长的实验时间，能提供5~25s的微重力实验时间，而且每次飞行可作30个以上的抛物线飞行，但其能达到的微重力水平较差，微重力水平难以超过0.001g。利用探空火箭可以得到更长的微重力时间，火箭将实验装置送入高空，箭体分离后实验装置靠惯性继续上升，然后落向地面，微重力环境可以持续几分钟，这就极大地方便了微重力燃烧实验的观察和测试。六十年代NASA用改装后的KC-135飞机作抛物线飞行，利用其提供的微重力条件（30秒左右微重力时间、10-2g的微重力水平）作了大量研究工作[11-14]。
空间站燃烧科学实验系统结构件设计与力学环境试验研究4图1.4美国NASA典型抛物线飞行轨迹[17,18]Figure1.4TypicalNASAparabolicflighttrajectory3、太空飞行搭载太空飞行搭载实验可以提供稳定的微重力环境，较长的微重力时间，同时实验可以由研究人员直接进行。目前太空飞行实验装置主要是美国的航天飞机和国际空间站[15]。1974年，美国在Skylab上完成了首次空间燃烧实验[16]。我国也利用返回式卫星进行了大量的微重力实验。综上所述，由于微重力燃烧实验样品种类多、特征时间长、测量诊断要求高，一般地基设施和微重力设备提供的微重力条件的时间和实验空间都远远满足不了研究工作的要求，而空间站为这些研究的开展提供了可能，使得地基实验中无法进行的实验得以实现，成为科学研究的制高点，所以开展空间站微重力燃烧实验研究对微重力燃烧的发展具有重要意义。1.2国内外空间微重力燃烧研究现状1.2.1国外空间微重力燃烧研究现状到目前为止国外各国建成并长期使用的空间站有前苏联/俄罗斯的“礼炮号”系列空间站，和平号空间站，美国的天空实验室（Skylab），欧洲的空间实验室（Spacelab）和国际空间站（ISS）[20-23]。早期的空间站内研究的主要是生物医学，地球、物理和材料等方向，只有很少燃烧方面的实验研究。在空间站失火事故和美国阿波罗号飞船火灾后，各国开始认识到微重力下防火灭火研究的重要性，认识到微重力燃烧科学的发展是十分必要的[19]。由于空间燃烧科学研究的重要性，美、俄、日本等国和欧盟投入了大量的人力、物力及财力来支持和推动空间燃烧科学研究的发展。吸引了一批高水平的研究学者，汇聚到这一领域，使其在国际空间科学的前沿研究中十分活跃。国际空间站建成后，美、欧、日等国均在上面进行了大量实验
【参考文献】：
期刊论文
[1]大型航天器动力学试验验证技术进展[J]. 张俊刚,何玲,高海洋,刘明辉,岳志勇. 中国科学:物理学 力学 天文学. 2019(02)
[2]微重力燃烧实验系统多功能支撑平板结构设计[J]. 商兰,王宝瑞,刘闯,孔文俊. 空间科学学报. 2018(04)
[3]“天舟”货运飞船的使命[J]. 杨华星,赵金才. 科学. 2018(02)
[4]振动试验夹具结构动态设计及试验验证[J]. 孙晔,陆海桃,张海英,樊哲良. 机械强度. 2017(05)
[5]空间实验室与中国载入空间站[J]. 杨华星,赵金才,高莉,黄应春. 科学. 2017(04)
[6]实践十号卫星有效载荷胶体材料箱地基实验[J]. 李伟斌,蓝鼎,王育人. 空间科学学报. 2016(04)
[7]SJ-10卫星固体材料燃烧实验装置[J]. 尹永利,王双峰,刘仁豪,杨京松,朱凤,田柳. 空间科学学报. 2016(04)
[8]SJ-10卫星导线特性箱实验装置研制[J]. 孔文俊,王宝瑞,夏伟. 物理. 2016(04)
[9]空间站微重力燃烧研究现状与展望[J]. 张璐,刘迎春. 载人航天. 2015(06)
[10]随机振动试验中确定控制点布置方案的方法[J]. 马红卫. 电子产品可靠性与环境试验. 2015(03)
博士论文
[1]卫星主承力构件与光学相机的共结构设计及动力学优化[D]. 谭陆洋.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 2017
硕士论文
[1]基于实践十号卫星微重力煤燃烧实验系统的设计及优化[D]. 左程.华中科技大学 2016
[2]天巡一号微小卫星正样星结构设计与力学环境试验研究[D]. 陈靖.南京航空航天大学 2012
[3]航天器振动试验控制技术研究[D]. 齐晓军.国防科学技术大学 2011
[4]交会对接目标飞行器资源舱结构改进设计[D]. 查学雷.国防科学技术大学 2011
[5]环境振动试验夹具动态分析、结构优化设计及其软件实现[D]. 陈剑.南京航空航天大学 2009
[6]“TXZ”微小卫星结构优化设计与分析[D]. 王薇.南京航空航天大学 2008
本文编号：3345137
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