环境模拟技术教学内容.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,环境模拟技术,（研究领域、现状及前沿技术）,报告内容,一、人机与环境科学简介,1.,研究对象,2.,发展,3.,主要研究领域,二、环境模拟技术,1.,概述,2.,概念及主要研究内容,3.,分类,4.,国内外环境模拟设备简介（大中型）,5.,环境模拟技术的发展,6.,环境模拟的,前沿技术,三、制冷空调技术领域,应关注的几个问题,一、人机与环境工程科学简介,1,、人机与环境工程科学的研究对象,人操作（使用）机器完成规定的任务，如飞行员驾驶飞机完成某项战斗任务，司机驾驶火车执行客运或货运任务，航天员在空间站完成某项科研任务，因而人和机器（飞机、火车、空间站）组成了一个完成规定任务的统一系统。这个系统是处在一定环境条件下工作的（空中环境、地面环境、空间环境），这种环境条件是多种多样和变化的，如空中和空间飞行时，外界环境条件复杂、多变。,人机与环境工程科学是研究人、机与环境构成的复杂工程技术系统，以求达到该系统整体的最优工作（即安全、高效、环保和经济）、最大限度发挥人和机器的效能。,2,、发展,形成人机与环境工程科学的理念和初步的理论体系于我国上世纪七十年代末和八十年代中期，由钱学森同志提出并得到他的积极鼓励和支持。“七五”期间，原国防科工委还设立了“全军武器装备、人机环境系统工程专业组”，较为系统的,提出了航空、航天、航海等领域的人机环境工程系统的研究课题,。,三十多年来，已形成了“,人机与环境工程,”学科，在我国于本世纪初被列入了教育部和中国工程院“宇航科学技术”一级学科下的,独立二级学科,。其研究范围及课题涵盖了陆、海、空、天运载器，人居室内环境和各种人机工作场合，日益显现出其重要性和未来发展前景。,一、人机与环境工程科学简介,例如：,美国防部，将“人机工程”列为,2020,年前“国防基础发展战略规划”中,8,大科学技术领域之一；美国空军将“环境因素”列为,国防部核心技术规划,11,项核心技术之一（其影响范围覆盖该规划所列的全部,23,项关键技术）。,我国,深空探测十大关键技术中占五项：,生保、环控、航天员应急救生及回收、热控、长期飞行生理,/,心理影响及控制。,我国四代机、大型民机、载人航天、核潜艇、高原及超高速列车,等国家重大专项和国防重点型号中，环境控制、热控制、生命保障、安全救生、人机工效等人机与环境工程科学的主要领域是其重要的子系统。,一些研究已被列为“,973,”和“,863,”重大专项。,它涉及：热学、力学、电学、材料、生物学、医学、光学、生理学、机械学、心理学等多门学科和制冷、真空、空调、检测、制造、仿真、信息等多项技术。,人机与环境工程科学是一门新的交叉学科,一、人机与环境工程科学简介,3,、主要研究领域,环境控制技术,环境模拟技术,飞行器热控制技术,安全救生和生命保障技术,人机工效学,飞行器能力管理技术,一、人机与环境工程科学简介,二、环境模拟技术,1,、概述,环境因素,始终都是影响海、陆、空、天运载工具、武器装备及各种机电系统可靠、安全工作的重要因素，随着近年来,极端恶劣天气出现频率的明显增加，其对全球经济与社会正常运行的负面作用也日趋严重,：,在欧洲，,2009,年,12,月,20,日，由于肆虐欧洲全境的,暴风雪,和低温天气，气温跌至,-20,，行驶在欧洲各地的“欧洲之星”高速列车全面停驶,3,天之久；,2010,年,4,月,14,日至,5,月,8,日间,冰岛火山,两度喷发，弥散在大气中的火山灰覆盖整个欧洲大陆，为避免火山灰引起的飞机发动机事故，数千架次的航班被取消，连接欧洲大陆的空中客货运输全面中断数日之久，整个欧洲的航空产业遭受重创；,在中国大陆，,2008,年,2,月我国南方地区遭受,大面积冰雪天气,也使我国相关地区的地面和空中运输陷入一片混乱；航班延误、列车无限期晚点、公路交通中断，成千上万旅客滞留火车站，大量发电厂得不到足够燃煤出现停止发电危机。,又如：,美国“阿波罗,-12,号”,登月飞船,，曾因生产环境中的,含尘,问题，引起集成电路失效；,我国“嫦娥三号”,月球车,现不能行走，只能在原地工作，很有可能是,月尘,的原因所致；,据美国对机载电子设备全年故障的分析，由于,环境引起,的占到总发生故障的,52.7%,。,二、环境模拟技术,冰岛火山爆发,航班大面积停运,冰封的小汽车,冰雪霜冻灾害,的高压线,挑战者号发射升空后爆炸,二、环境模拟技术,2.,概念及主要研究内容,环境模拟技术是在地面实验室（舱）中“,复现,(,模拟,),”各种自然和诱发环境的技术。在这种实验室（舱）的模拟环境下进行：各类产品，设备，甚至“人,+,机”组合的环境试验，,以研究和考核人及装备的环境适应性和环境可靠性,。它不受季节、昼夜、机遇、地点的限制，而且可以随时模拟严酷和极端环境，因此环境模拟试验占到全部环境试验量的,95%,以上。,环境模拟技术主要研究各种环境的模拟方法和理论,环境模拟设备的工程设计理论及方法,它的制造工艺和试验技术。它是多门学科（热学、力学、电学、材料、生物学、医学、光学等）和多项技术（制冷、真空、空调、自动控制、检测、机械、制造等）交叉的一门新的、工程性很强的工程科学技术。,二、环境模拟技术,3.,分类,环境模拟技术可以有多种分类方法，如气候环境模拟技术，力学环境模拟技术，电磁环境模拟技术。这里按习惯的几何空间不同，分为（不包括电磁环境）：,1,）地面环境模拟,2,）空中环境模拟,3,）空间环境模拟（含外太空）,4,）海洋环境模拟,二、环境模拟技术,4.,国内外环境模拟设备简介（大中型）,1,）地面环境模拟设备,下面列出国内外一些典型的大型环境模拟设备：,二、环境模拟技术,2003,年建成，投资,7000,万欧元,（,1,）主要组成包括：,运动速度（风速）模拟（最大到,300Km/h,）系统,环境风洞,太阳辐照模拟系统,高低温环境模拟系统（,+70,-50,）,雨、雪、冰的模拟系统,转鼓运动及动力模拟系统,测控系统,监视系统,（,2,）主要进行高速列车、其他火车、汽车的环境安全性和舒适性研究。,奥地利国际车辆试验站,其环境风洞,：分为大小两个，平行布置 大的：长,100m,，小的：长,30m,小环境风洞（汽车，单节火车）,火车太阳辐照试验,大环境风洞（火车）,汽车辐照试验,小汽车结冰试验,火车舱内舒适性测量,小汽车降雪试验,火车雾试验,能产生地面上存在的几乎所有气候条件，包括严寒、酷暑、潮湿、雨雪、砂尘、盐雾、大风、光照等条件。具有独特的综合实验能力，可进行各种复杂气候条件下整机（大型运输机、客机、作战飞机、直升机等）的人机组合动态试验。,美国,McKinley,气候试验室,S-92A,直升机结冰试验,F/A-22A,飞机进行低温试验,大型运输机,C5A,全尺寸飞机环境试验,A700,飞机冰雪试验,特高压直流试验基地污秽及环境试验室,技术指标,:,环境舱,:D=22m,H=34m(V=13000m),高度,(,压力,):6200m,温度,:,-25,雾,:15min,充满全舱,(13000m),15min,排空,覆,/,融冰,:2h,结,2cm,厚冰,1h,融冰,总装三十二基地,:,环境舱,:V=1000m,140m,45m,三舱,温度,:+80,-60,(,曾空舱达,-102,),获首届,(1985,年,),国家科技进步二等奖,大型高低温环境模拟设备,总装备部第三十二基地,是目前国内外性能最先进的吹砂,/,吹尘环境模拟设备,按新的国军标研制,风速在,1,30m/s,范围内连续可调,;,温度范围为,:23,70,;,吹尘试验浓度为,:107g/m;,吹砂浓度为,:,低砂,0.18g/m,中砂,1.1g/m,高砂,2.20.5g/m;,湿度,:,30%RH;,吹砂环境和吹尘环境共用。,大型吹砂吹尘环境模拟试验设备,目前我们为航天做,高低温模拟系统,温度范围为,:-100,+130,;,有效容积,6400m(202016m),，实际容积,8000,多,m,；,无雾,;,均匀度,2.2(,水平,),，,4(,垂直,),；,温度可达,-110,，,130,。,德国的弗劳恩霍夫（,Fraunhofer,）建筑物理研究所在,2005,年起在欧盟资助下开始建造低压飞行环境测试设施,FTF,，主要用来全面研究各真实飞行参数对乘客和机组人员身心健康的影响，即环境安全性及舒适性研究。,2,）空中环境模拟设备,空中环境包括自海平面算起到,100Km,高度的空中和临近空间环境,德国低压飞行环境测试设施,FTF,用于模拟支线飞机、运输机、战斗机等的空中复合环境模拟和空中环境下机翼的防除冰试验,模拟大气高度：,H,11km,舱内温度控制范围：,-60,+80,，连续可调,舱内湿度控制范围：,20,80%RH,舱内试验区域直径：,5500mm,舱内试验区域轴向长度：,13000mm,风速模拟试验平台：,试验段截面尺寸：,WH=0.70.54m,试验区界面空气流速,0.34,获国防科技进步一等奖,第一飞机设计研究院高空复合环境模拟设备,用于研究单通道客机座舱环境安全性和舒适性，驾驶舱人机工效。,北航飞机舱内环境综合模拟试验研究系统,主要性能指标（满足马赫数,6,以上飞行器热结构件模拟试验要求）,燃气最高温度：,2100 K8%,气流温度控制精度：,8%,加热试件表面积：,2m,2,试件形式：头锥、翼面,持续工作时间：不小于,30min,用于高超声速飞行器热结构件的热环境模拟试验,获国防科技进步一等奖,高速气流加热试验系统,用于无人机航空活塞式发送机和增压器高空环境下的性能及可靠性（应急刹车、启动）试验,是国内无人机航空活塞式发动机性能指标及技术最先进的模拟设备,获国防科技进步一等奖,指标：,H,12Km,G=600kg/h,温度,:-65,航空活塞式发动机和增压器高空环境模拟试验设备,空间环境包括近地空间（自,100Km,算起）和深空环境。空间环境包括：,微重力环境,空间真空环境,空间冷黑环境（,3K,，太阳光吸收率,=1,的绝对黑体）,太阳辐照环境,空间磁场环境,微流星及空间磁电环境,空间粒子辐射环境,空间原子氧环境,等离子体环境,载人航天动力学环境,月球环境,其他星球及深空环境,我们这里只介绍微重力环境和“冷黑,+,真空,+,太阳辐照”的综合空间环境模拟设备。,3,）空间环境模拟设备,失重环境模拟,（,2,）其他如模拟自由落体的落塔（高塔自由落体），其失重状态时间更短，在几秒量级。,（,1,）失重飞机环境模拟,（,3,）,模拟等效操作性的中性浮力水槽（用于航天员舱外活动等效模拟训练）,美国空间环境模拟设备,为美国,NASA,用于载人飞船和航天员载人试验的,A,容器：是美国最大的热真空试验用空间环境模拟器。,DH=19.836m,极限真空度（空载）：,1.310,-3,Pa,热沉温度：,100K,400K,用于神舟飞船及天宫号实验室真空模拟。在,KM6,空间模拟器中，完成了“神舟一号”到“神舟十号”载人飞船、天宫号空间实验室、“东方红四号”通信卫星、尼日利亚通信卫星、“嫦娥一号”月球探测卫星等大型航天器的真空热试验任务。,指标：,DH=712m,真空度（空载）：,5.110,-6,Pa,热沉温度,:100K,及,-100,+80,获国家科技进步一等奖,KM6,载人航天器空间环境模拟设备,5.,环境模拟技术的发展,1,）环境模拟技术经历了：,由单参数（如压力、温度）模拟到多参数综合模拟；,由元器件环境模拟试验到部件、系统、全机环境模拟试验；,由静态模拟（储存状态）到动态,(,工作状态,),模拟环境试验；,由产品、设备的环境模拟试验到“人,+,机”组合的环境模拟试验。,2,）本世纪以来及未来的,发展方向,是：,更加接近真实的整机、动态、“人,+,机”组合的综合环境模拟试验和特殊环境模拟试验,(,如,:,砂,/,尘、盐雾、霉菌、雷电环境试验等,),；,对零部件及系统，需发展更为接近真实环境的多参数综合动态模拟设备，包括：气候环境，力学环境和电磁环境的综合。,二、环境模拟技术,6.,环境模拟的前沿技术,1,）整机空中复杂环境模拟技术,美国麦肯利环境模拟试验设备，包括几乎所有的地面复杂气候环境，但其最大问题是：,不能模拟空中低气压环境。对飞机而言只能模拟地面环境，不能模拟飞机从地面停机（待机）、爬升、空中飞行和降落的设定飞行包线所遇到的外部环境及其变化。,没有力学环境模拟。如：噪声，力学载荷环境。,当前急需发展的是：,满足飞机从地面停机、爬升、空中飞行、降落再停机的设定全包线飞行时所遇到的各种外部气候及力学环境模拟，并在这种外部复杂环境下模拟舱内环境（含驾驶舱和座舱）。,二、环境模拟技术,下图为这种模拟设备的技术方案原理图：,二、环境模拟技术,模拟参数主要包括：,全飞行包线的大气压力、温度及太阳辐照环境模拟,全飞行包线的蒙皮温度模拟,发动机引气模拟（流量、压力、温度、发动机高低压引气切换）,降雪、降雨、结冰、结雾模拟,机外噪声模拟,气动载荷加载模拟,整个机翼防除冰模拟,直通式冰风洞（置于相应高度的大气压力及温度下）防除冰模拟（一段机翼）,试验舱为立式带四个附舱，,D=4550,，,H,40,。,二、环境模拟技术,2,）,大型海洋海面环境模拟综合环境模拟技术,技术指标：,模拟舱：,LWH,505530M,。,模拟参数：,温度：,+60,-60,；,湿度：,5%95%RH,；,盐雾：按军标,GJB150A,或美军标,MIL-STD-810G,；,太阳辐照：按军标,GJB150A,或美军标,MIL-STD-810G,；,风速：待定。,二、环境模拟技术,3,）高铁复杂环境的动态模拟,我国的“高铁”技术总体居国际领先，“高铁”里程近,2,万公里，超过世界其他国家高铁总里程许多，是发展西部及走出国门，服务“一带一路”的重要产业和技术之一。但我国,目前还没有第三方检测、认证,其整机性能及安全、舒适性的,环境模拟试验设备,（有外场检测设备，但非第三方检测、认证）。因此建设上述模拟试验设备是急需的。其技术方案可基本参照,维也纳国际车辆检测试验中心,方案，但由于“高铁”技术近年的发展及国际市场需求，其技术指标,需要提高,。,主要有两方面指标：,安全性指标和应急救生系统考核指标；,模拟速度应提高到,400450km/h,。,二、环境模拟技术,4,）高超声速飞行器“全机热环境,+,力学环境”全飞行包线模拟技术,目前，美国提出一小时到达地球任何地方的快速打击概念，这靠各种,高超声速飞行器（,M,5,）,，包括临近空间飞行器和空天飞行器来实现，多个国家都在研发。这是一种目前最有效的,突防打击手段,。由于高速，在大气层内和空气摩擦会在其表面形成,分布极不均匀,，且,快速变化,的,高温区域,。通过飞行器结构的传热、舱内电子设备的发热和舱内冷却（温控）设备冷却，飞行器作为一个整体，其表面、各部分结构内部、舱内形成一个快速变化的极不均匀温度场，在外载荷（如：气动力、发动机推力、机动飞行时的附加力等）作用下会产生结构及外形变形。这种由,热引起的热应力和热应变,是飞行器设计时必需重点考虑的。,二、环境模拟技术,另外，,传入热舱内的热量,是冷却设备控制舱温的主要热负荷之一需要确定，,外表面的耐热性,也需要确保。这些单纯依靠理论设计计算是不行的，必需,通过实验最后确定,，并,对理论,进行,修正,和,验证,。,下图为某高超声速飞行器在,M=6,，,H=30km,时，某一时刻外表面温度分布的仿真图：,二、环境模拟技术,高超声速飞行器：,全机表面温度场（瞬态）确定；,全机结构及舱内温度场（瞬态）确定；,传入舱内热负荷（瞬态）确定；,舱内冷却设备吸收的热量排向何处（热沉）；,全包线“全机热环境,+,力学环境”的模拟及试验技术。,是其,“热障”问题的五个关键技术,，目前国内外都还没有很好解决。美国航天飞机两次“机毁人亡”，并最后“停飞”，“热障”是主要原因之一。,二、环境模拟技术,“全机热环境,+,力学环境”模拟设备,需要模拟全飞行包线内：,全机外表面温度（瞬态）；,发动机进气（流量、温度）、发动机燃烧；,全机受力载荷。,分布载荷模拟有很大困难，只能模拟部分主要集中载荷。,二、环境模拟技术,5,）全机战场砂,/,尘环境模拟技术,主要是导弹、雷达、聚能武器需求。指标待定。,二、环境模拟技术,6,）月面综合环境模拟技术,月球环境,月球距地球的平均距离为,384000km,，月球总是一面朝着地球，因此其一昼夜的时间为,27,天,7,时,43,分，月昼和月夜约为,14,天。月球大气压很稀薄，对航天器可视为没有大气。,月球温度,由于没有大气层和对流，月球昼夜温差很大。月昼因太阳光照射其最高温度可达,150,，月夜最低达,-189,，极区甚至达到,-220,。,重力加速度,为地球的六分之一，是微重力。,二、环境模拟技术,辐射,主要由银河系的宇宙射线，太阳宇宙射线,和太阳风组成。,月面尘埃,月球表面覆盖着一层月尘，如图所示,月壤中约,50%,为月尘，其粒径小于,60m,。月尘带电、尖锐。,月面环境模拟前沿,月面环境模拟的前沿是在,相当大的空间内模拟,：高真空、高低温（,-180,+150,）、太阳辐照、各种高能粒子的辐射和月尘的综合环境，试验月球着陆器、月球车、航天员出舱活动、月球长期科考基地等对月面环境的适应性和工作可靠性。目前还没有这种环境模拟设备。,二、环境模拟技术,下图为我专业“博士后报告”提出的“月表综合环境模拟系统”的流程图,月尘,月壤,模拟微重力的太阳辐照系统,7,）火星表面综合环境模拟技术,火星环境,在地球外侧绕太阳运动，距地球,2.283,亿,km,，其公转周期为,687,地球日，自转周期是,1.026,地球日。,火星大气,其平均气压为,0.7,0.8kPa,，为地球气压的,0.75%,。主要成份为,CO,2,占,95.32%,，氮气,2.7%,，氩气,1.6%,。火星上经常有猛烈的大风。,表面温度,白天,28,，晚上,-132,。,火星尘及尘暴,火星表面大气很干燥，到处是沙漠，存在大量火星尘。由于猛烈的大风，扬起的沙尘形成可覆盖火星全球的特大型沙尘暴，且可持续数周。,二、环境模拟技术,地形地貌,有高山、平原、峡谷，大部分地区都是红色大沙漠，砾石和凝固的熔岩流。,电离层,火星大气从,90km,高度起有主要为,CO,2,离子成分的电离层，在,135km,出达到最大密度,10,-5,g/cm,。,火星环境模拟前沿,:,“火星地形地貌,+,沙尘暴”,以研究和检验火星车、航天员舱外服装系统，着陆器等的环境适应性及环境可靠性。,在相当大的空间内模拟,“地形地貌,+,沙尘暴,+,温度,+,火星大气,+,太阳辐照”综合环境，以研究和考核。航天员舱外服装系统、着陆器和火星基地等在更为真实的火星综合模拟环境中的工作适应性和可靠性。,二、环境模拟技术,8,）大型极地综合环境模拟技术,南、北极的陆地和海洋是未开垦的处女地，多个国家（包括我国）都建立了科考站，极地及其相关海域的开发对未来世界政治、经济及安全格局有重大影响，是争夺的“高地”，我国也应有一席之地和话语权。因此，研究,极地环境对人类生存、生活和工作的影响（包括人类自身和装备）,是抢占“制高点”先机的急迫任务。在模拟的极地环境条件下研究,人及装备的适应性及可靠性,，是最主要的手段。,模拟舱,尺寸及形状待定。,二、环境模拟技术,模拟环境参数,温度：,-90,+60,；,高度：,05000m,；,太阳辐照：全光谱，强度,=1600W/,；,降雪、地面结冰；,湿度：,1090%RH,；,降雨：按军标；,室（舱）内环境模拟；,风速：待定；,其他：待定。,二、环境模拟技术,9,）加速寿命试验技术（整机、部件）,例：,高铁车辆组件；,导弹、弹药存储失效时间；,盐雾环境下工作寿命试验。,二、环境模拟技术,1,、,适应高寒地区和湿冷地区的绿色空调热泵技术,服务于：东北地区、京津冀等地，长江流域的清洁供暖和空调。,除单机双级压缩提高压缩比外，,能否在热力循环上想办法，不提高压比？,研发高效的浅层地源热泵。涉及不同浅层地源的高效热交换技术，优点是：热源稳定、无热岛现象，压缩比低。可否将室外换热器埋地下，通过导热进行换热（换热器结构等要研究）。,湿冷地区湿、热分离，即先单独除湿、再热泵供暖。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,2,、制冷空调系统的,健康诊断、故障预测、全寿命周期超前服务,技术,涉及：实时、全面监控，远程无线数据及视频网络传输，故障建模，传感器技术等的集成。,3,、,海洋、海岛,环境下,高可靠、长寿命,制冷空调技术,涉及：耐湿热、太阳辐照、酸雨、盐雾等环境的适应性和可靠性。和设计、材料、工艺、维护等有关。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,4,、,全封闭及半封闭空间的空气质量控制技术,如：潜艇、飞机座舱和室内环境。,研发能去除,PM2.5,，微量有害气体及微生物，不需更换滤芯（可裂解有害物或自清除），节能、低成本，可实时监控及健康诊断的空气净化器。要高质量，创名牌的产品。对国防、民生都很重要，需集中力量搞。有人预测,净化行业有望形成千亿级市场,。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,5,、和信息技术的,交叉与融合,和以互联网、大数据、云计算、云服务、智能控制和无线传输为代表的信息技术交叉及融合。如下图：,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,6,、关注新材料、新工艺,（,1,）新材料,举例：,碳纤维复合材料在飞机上应用,B787,：,G20%,，航程,20%,（相同燃油量），座舱升限压力高度由,H=2km1.8km,。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,石墨烯,充电密度、充,/,放电速度大幅增加（习主席德国参观）,对全电飞机、电动汽车等的发展有重大应用前景。,制冷空调产品能否用非金属及复合材料呢？,（如壳体、管路系统等）,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,（,2,）新工艺,例：,增材制造（,3D,打印）技术,增材制造（,3D,打印）受到习主席和美国奥巴马总统高度关注，,是可以改变制造业格局的新技术，是新工业革命的核心技术之一。,飞机上用的高温合金钢大型承力框、大型运输机起落架等，已应用并在扩展。生产周期短、质量高、省材料。,实例：北航王华明团队用高温合金激光增材制造技术，解决了歼,15,、歼,20,、,C919,多项高温合金大型、复杂、关键受力部件制造的瓶颈。质量高、周期短、成本低。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,制冷空调,在如下几个方面可以考虑：,新产品研发阶段的缩比三维模型,模具,机体、叶轮、附件、壳体等零部件,产品维修所需零件,产品个性化定制（数量不多）的柔性生产,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,7,、,关注地下空间的环境控制技术,涉及：,热,/,湿负荷计算、热,/,湿控制、气流组织；,空气净化（微量有害污染物、微生物等）；,光学、声学环境等。,三、制冷空调领域应重点关注几个问题,谢 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