載人航天器通風(fēng)氣流模擬及輕量化分析.pdf

1、載人航天器艙內(nèi)的流動(dòng)換熱及通風(fēng)系統(tǒng)的研究對于航天器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要，而目前載人航天器艙內(nèi)的氣流分布設(shè)計(jì)還存在著隨意性，需要進(jìn)行系統(tǒng)研究。本文以航天器工作座艙為研究對象，首先嘗試引入數(shù)值模擬驗(yàn)證和檢驗(yàn)的方法，分析不同湍流模型在微重力環(huán)境下座艙內(nèi)對流換熱的模擬結(jié)果，為選擇合適的湍流模型提供參考。然后對大型航天器座艙較多采用的側(cè)送風(fēng)方式進(jìn)行了優(yōu)化分析，并對座艙內(nèi)可能采用的其他送風(fēng)方式進(jìn)行了模擬，分析它們各自的特點(diǎn)和在航天器座艙內(nèi)的適用性。接

2、著對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了輕量化分析。最后，對模擬中出現(xiàn)的氣流分布不對稱現(xiàn)象進(jìn)行了原因和顯著性參數(shù)的分析。首先，論文分析了艙內(nèi)對流換熱的微重力特點(diǎn)，建立包括紊流模型、輔助模型等在內(nèi)的概念模型，確定數(shù)值方法。針對微重力環(huán)境下的艙內(nèi)氣流模擬中模型選擇的不成熟和載人航天器通風(fēng)系統(tǒng)對可靠性的特殊要求，嘗試引入驗(yàn)證和檢驗(yàn)的方法分析不同模型在微重力下對流換熱的模擬效果，為選擇合適的湍流模型提供參考。由于微重力條件下的艙內(nèi)對流換熱的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可得，采用熱縮比

3、技術(shù)將常重力下地面模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)換成微重力下原形的相應(yīng)參數(shù)，并用其對模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。在分析載人航天器座艙溫濕度、風(fēng)速和CO2濃度要求的基礎(chǔ)上，論文分析了座艙熱濕負(fù)荷及CO2負(fù)荷。為評價(jià)各種氣流分布方案的優(yōu)劣，確定了航天器座艙氣流分布的評價(jià)指標(biāo)。針對目前大型載人航天器座艙多采用的側(cè)送風(fēng)的氣流分布形式，采用正交試驗(yàn)理論和方差分析方法分析了氣流形式、風(fēng)口滿布率、送風(fēng)角度和送風(fēng)量對通風(fēng)氣流分布各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響，尋求顯著性因子和最適因子水平

4、。經(jīng)過綜合分析，認(rèn)為雙側(cè)風(fēng)口交錯(cuò)布置的側(cè)上送側(cè)下回、滿布率50%以及15°出風(fēng)角度組合的側(cè)送方案效果較好。然后，論文分析了單側(cè)送風(fēng)和在地面常重力下應(yīng)用成熟的散流器送風(fēng)、單風(fēng)口集中送風(fēng)的氣流分布性能以及在載人航天器艙內(nèi)的適用性。鑒于座艙空氣流動(dòng)緩慢造成的沉悶的感覺，提出了在座艙較固定的工作位增加工位送風(fēng)，比較了有無工位送風(fēng)時(shí)乘員附近的空氣品質(zhì)，認(rèn)為工位送風(fēng)可以在降低總風(fēng)量的情況下保證乘員工位區(qū)較好的空氣品質(zhì)，符合輕量化原則。在分析載人航天

5、器通風(fēng)系統(tǒng)質(zhì)量主要影響因素的基礎(chǔ)上，以風(fēng)管質(zhì)量與功耗當(dāng)量質(zhì)量之和為目標(biāo)函數(shù)，以風(fēng)速和空間限制下的管道尺寸為優(yōu)化變量，優(yōu)化了雙側(cè)送風(fēng)和單側(cè)送風(fēng)在特定布置方案下的系統(tǒng)質(zhì)量，得到了最優(yōu)的管道風(fēng)速范圍和管道尺寸，同時(shí)分析了系統(tǒng)質(zhì)量隨風(fēng)量的變化關(guān)系。對雙側(cè)送風(fēng)和單側(cè)送風(fēng)在其它布置方案下以及散流器送風(fēng)的系統(tǒng)質(zhì)量也進(jìn)行了分析，比較了不同布置方案的管道系統(tǒng)質(zhì)量，并分析了通風(fēng)系統(tǒng)采用圓形管道時(shí)的系統(tǒng)質(zhì)量。最后，針對模擬中出現(xiàn)的氣流分布不對稱現(xiàn)象，根據(jù)射流