环境模拟技术

.,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130m/s范围内连续可调;温度范围为:2370;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：H11km舱内温度控制范围：-60+80，连续可调舱内湿度控制范围：2080%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：2100K8%,气流温度控制精度：8%,加热试件表面积：2m2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：H12KmG=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）：1.310-3Pa热沉温度：100K400K,.,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）：5.110-6Pa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，H40。,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：LWH505530M。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（M5），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0.70.8kPa，为地球气压的0.75%。主要成份为CO2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CO2离子成分的电离层，在135km出达到最大密度10-5g/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