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①环境控制技术②环境模拟技术③飞行器热控制技术④安全救生和生命保障技术⑤人机工效学⑥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。①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。②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③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=13000m³)高度(压力):6200m,温度:≥-25℃雾:15min充满全舱(13000m³),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=1000m³,140m³,45m³三舱温度:+80℃～-60℃(曾空舱达-102℃)获首届(1985年)国家科技进步二等奖④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:10±7g/m³;•吹砂浓度为:低砂0.18g/m³,中砂1.1g/m³,高砂2.2±0.5g/m³;•湿度:＜30%RH;•吹砂环境和吹尘环境共用。⑤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6400m³(20×20×16m)，实际容积8000多m³；•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①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：W×H=0.7×0.54m试验区界面空气流速≤0.34•获国防科技进步一等奖②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。③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：2100K±8%,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④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℃⑤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α=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①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）②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。D×H=19.8×36m极限真空度（空载）：1.3×10-3Pa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：D×H=7×12m真空度（空载）：5.1×10-6Pa热沉温度:100K,及-100℃～+80℃获国家科技进步一等奖③KM6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：①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)；②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