摘要：为了拓展图形学弹性体模拟中的各向异性超弹性虚拟材料种类,建立了基于虚拟纤维的本构模型.首先从能量可加性出发,将超弹性体应变能量密度函数分解为轴向、剪切、体积分量的纤维加和形式,然后建立单根纤维的轴向应变、剪切应变、体积应变的应变度量,最后推导出各分量的应力表示.仿真实验使用基于四面体的非线性有限元法(finite element method,FEM),半隐式时间积分进行解算,并采用CPU串行算法,测试了不同场景下非线性能量函数以及纤维权重组合对虚拟纤维材料刚度、泊松效应、轴向特性的影响.结果表明,虚拟纤维本构模型具有大变形稳定性,材料参数设置可良好地展现上述物理特性,相比现有的横观各向同性模型具有更丰富的可调节能力.

摘要：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%。

摘要：为了解决空间红外探测系统的深低温散热问题,保证红外探测器的低温工作环境,基于脉冲管制冷机和深冷环路热管,设计研制了一套35 K温区的深低温获取与热传输集成系统.该系统由一套35 K温区氖工质深冷环路热管、两台35 K温区脉冲管制冷机、一台150 K温区脉冲管制冷机、隔热冷屏、测温/加热组件、控制系统等组成.完成了地面单机级、整星级热真空测试,并于2020年完成空间飞行测试.在地面单机试验中开展了水平姿态和逆重力恶劣姿态下的传热测试,保证了空间微重力下必定能稳定工作;整星级测试验证了系统在卫星平台散热工况下的工作特性,空间飞行测试获得了系统的空间微重力下的工作性能.本文分析了系统在上述不同阶段的热性能,包括超临界启动特性,稳态运行性能等,验证了相关设计的正确性,重点对比了不同阶段的性能差异,分析其可能的原因.

摘要：引力波为探索和认识未知世界提供了新的重要途经和手段,空间引力波探测是世界各国竞争的科学前沿。中国科学院力学研究所作为太极计划的核心参与团队开展了空间引力波探测所需的多项关键技术研究,突破了皮米级激光干涉测量技术及高精度弱力测量技术、搭建了纳弧度级激光捕获跟瞄一体化地面模拟系统、研制了国内首套光粘干涉仪样机,力争实现国际空间引力波探测的首次突破。

摘要：微重力环境中部分充液贮箱内气液界面和气、液两相介质在残余重力或加速度干扰下的运动特征是先进空间流体管理技术的基础.本文针对空间贮箱常用构型和实际尺寸,基于邦德数相似准则设计了3个缩比模型,数值模拟了原型贮箱和缩比模型中加速度变化引起的贮箱内气液两相流动及气液界面上界面波的传播.数值模拟结果验证了原型和模型间的运动相似性,发现在满足邦德数相似准则的前提下,系统还近似满足韦伯数相似准则,或等价地,近似满足弗劳德数相似准则.此外,数值模拟结果也表明原型和模型间的运动存在细微偏差,这主要源于黏性耗散作用的差异.由韦伯数相似准则可知,缩比加大,贮箱尺寸减小,重力突变后由表面张力释放出来的驱动力增强,相同韦伯数下流动速度增大,黏性耗散作用随之增强,本文的数值模拟结果证实了该结论.相关结果可以用于指导空间贮箱流体管理技术的地面模拟试验的方案设计等.

摘要：二级轻气炮是超高速弹丸驱动技术中使用最广泛的技术之一,它在超高速气动物理现象及材料高速碰撞下力学性能的实验研究和验证方面起着不可或缺的作用.中国科学院力学研究所基于爆轰驱动方法研制了一座大型二级轻气炮,可弥补高压气体驱动能力有限和火药使用受限的不足.本文基于经过实验验证的准一维数值模拟方法,详细研究了该设备的内弹道动力学参数及发射性能,并探讨了不同发射方法及装填参数对设备性能的影响规律和机理.研究结果表明,氢氧爆轰驱动相比于高压气体驱动具有明显优势;不同爆轰驱动方式对弹丸发射性能影响较小,但其影响到整个设备的强度设计;对装填运行参数的研究表明增大爆轰段充气压力可以有效加强轻气炮发射性能,而活塞质量变化对发射速度的影响较为复杂,轻气炮实际运行中受设备设计指标及模型材料性能的限制,优化过程中需要同时调整3种参数以达到轻气炮最佳性能.

摘要：冷凝换热是两相热控系统中的重要物理过程。细致分析不同作用力影响下流动冷凝过程中的气液行为及其换热性能的影响,对冷凝器优化与设计具有一定指导意义。本文采用三维瞬态VOF模型仿真分析了水平细微管内氖工质管内流动冷凝过程,基于网格无关性分析和实验流型对比,验证了模型的可靠性。分析了质量通量、管径及重力效应对氖工质流动冷凝换热系数及截面气液分布的影响。研究结果表明,质量通量增加、管径减小会提高流动冷凝换热效率,重力效应对冷凝换热效率的影响主要取决于截面气液分布,随着干度变化呈现出重力无关、强化换热和恶化换热三种状态。

摘要：烧开水是一种常见的沸腾现象,平凡之中包含着深刻而复杂的科学奥秘,对沸腾传热规律的认识支撑了以蒸汽机为标志的第一次工业革命及后续诸多工业和工程应用。沸腾过程由于相变潜热的释放具有极大的热传递能力,特别有利于热控系统的轻量化设计,对航天相关技术的发展具有重要的应用价值。沸腾现象中气、液两相介质密度的巨大差异,导致在地面常重力环境中沸腾特征往往由重力主导。航天任务所遇到的不同重力环境,对沸腾过程中的重力效应及其变化规律的研究提出了迫切需求。变重力沸腾项目是中国空间站实验舱I首批科学实验任务之一,拟针对池沸腾传热与气泡热动力学行为的重力标度规律开展研究,即利用实验舱I变重力科学实验柜提供的长时间稳定的不同重力条件,研究沸腾过程中的气泡热动力学行为及传热特性,揭示重力对沸腾现象的影响机理,构建重力标度规律,深化对沸腾传热规律的认识,支撑人类对太空奥秘的不断探索。

摘要：空间引力波探测任务需要具有亚微牛级推力分辨率和推力噪声的微推力器来实现卫星平台高精度无拖曳控制任务,为了在地面对所需微推力器的推力进行标定,设计并研制了一套基于扭摆的亚微牛级推力测量系统。该系统选用高精度、高分辨率电容式位移传感器作为扭摆角位移传感装置,利用高精度电子天平对静电梳进行标定,再利用该静电梳标定扭摆,得到推力与角位移的关系。此外,研究了高精度弱力标定技术和亚微牛级微推力在线测量技术,分析了测量误差来源以及控制方案,最后利用静电梳产生标准弱力测量扭摆推力分辨能力和范围等。实验结果表明:该系统可测推力范围为0~400μN,分辨率达到0.1μN,背景噪声功率谱密度优于0.1μN/√Hz(10 mHz^1 Hz),满足空间引力波探测在10 mHz^1 Hz频段推力测量需求。

摘要：为了研究适用于百瓦级电推力器的离子束流中和技术,基于电子鞘层模型、射频等离子体最优放电技术和通过插入探针实现快速点火的方法,设计了一套小型感性耦合射频等离子体中和器(RF plasma neutralizer,RPN)。实验研究了RPN中和器的稳定工作条件和电子引出特性,实现了RPN中和器稳定工作和电子有效引出。实验结果表明:电子引出特性主要取决于发射孔附近阳极斑的形成与否,而阳极斑的形成又主要受结构设计、工质流量和偏置电压等运行条件的影响;通过对RPN运行条件的优化试验,获得了55~150m A可调电子束流范围和较高的工质利用系数(3.9~10.5),满足离子束流中和需求;另外,实验中还观察到了电子束流随工质流量或偏置电压的迟滞现象。