舱外航天服暖体假人的研究及其传热模型的建立

论文摘要

随着载人航天的发展,航天员的舱外活动越来越频繁,舱外环境非常恶劣,航天员必须保护在舱外航天服这一密闭微环境内才能生存和工作。舱外航天服与舱内航天服在结构造型及使用要求等方面存在根本差异:较之舱内航天服,舱外航天服所具备的功能、使用的环境要求更为复杂,在热学性能方面需要评估及计测的因素更多,目前的舱内航天服测试用暖体假人已无法满足舱外航天服测试的需要,有必要对舱外航天服测试中所使用的暖体假人进行系统地研究。本文对新研制的舱外航天服暖体假人的综合性能及其使用的模拟皮肤进行了研究,基于对高分子弹性体软材料的综合性能测试及模糊数学理论分析,选出了最优的模拟皮肤材料,并基于传热学理论,对模拟皮肤的稳态及非稳态传热进行了理论分析及实验验证,在此基础上,基于暖体假人对液冷服的传热进行了分析,建立了暖体假人覆盖模拟皮肤与不覆盖模拟皮肤两种状态下的液冷服传热模型,并对液冷服的散热量和散热效率与各设计参数之间的关系进行了探讨,最终建立了基于灰色系统理论一阶微分方程的液冷服散热量和散热效率预测模型。本论文的主要研究内容如下:(1)对舱外航天服暖体假人系统的基本功能、对系统的各组成子系统——假人本体、测控系统、辅助悬架的构成、设计原理和特点进行了详细的阐述,同时在大量实验的基础上,对暖体假人系统的性能(稳定性、动态响应性、精度)进行了综合分析与评价。在测试条件相对稳定的情况下,通过对暖体假人在裸体状态下所测得的假人内、外表面温度、消耗功率,以及隔热值的变化规律,对暖体假人系统的稳定性进行分析,并采用灰色系统理论中的灰色关联度分析对环境温度、相对湿度、风速对暖体假人系统稳定性的影响进行了研究。通过在环境条件发生变化或假人状态发生变化的情况下,暖体假人内外表面温度跟动情况的研究,对暖体假人系统的动态响应过程进行了分析。在暖体假人系统的精度分析中,主要对暖体假人所测得隔热值的重复精度进行了分析,并基于克罗值的定义,对暖体假人所测得的空气层隔热值的精确度进行了研究。(2)选取目前高分子软材料领域新兴的弹性体材料作为备选的舱外航天服暖体假人模拟皮肤材料,并进行了其物理性能和化学稳定性能等各项实验,测得材料的16项性能指标。为评价材料的综合性能,采用模糊数学的方法,对备选模拟皮肤材料进行模糊择优,通过多种模糊决策方法的综合分析,最终确定了暖体假人的模拟皮肤材料。对暖体假人覆盖模拟皮肤状态下的稳定性和精度进行了分析,并与暖体假人不覆盖模拟皮肤状态下的稳定性和精度进行了对比研究。(3)对舱外航天服暖体假人模拟皮肤的稳态和非稳态传热进行了分析。在稳态传热分析中,根据暖体假人不同区段的形状,将模拟皮肤分为两种情况,一种是胸背部的模拟皮肤,按照大平壁理论进行传热分析;另一种是除胸背部以外其它区段的模拟皮肤,按照长圆筒壁的理论进行传热分析,在两种情况下分别建立了模拟皮肤传热的微分方程及热量平衡方程式,并进行了实验验证:利用暖体假人覆盖模拟皮肤时,在一定的环境条件及假人恒温状态下,测试暖体假人各区段所消耗的功率及模拟皮肤外表面的温度,将实验结果与理论分析结果相比较,表明模拟皮肤的稳态传热分析具有较高的精度。在模拟皮肤的非稳态传热分析中,由于大平壁和长圆筒壁的非稳态传热研究方法相同,因此仅以暖体假人胸背部(即大平壁)为例,建立了非稳态传热方程,并利用有限差分方法进行数值求解,建立了显式差分格式的模拟皮肤内节点及边界节点温度方程,并采用计算机程序迭代计算,得到了模拟皮肤外边界温度节点的温度变化曲线。同时进行了实验验证:利用暖体假人覆盖模拟皮肤时,在一定的环境条件及假人恒温状态下,测试暖体假人胸背部模拟皮肤外表面的温度,将实验结果与理论分析结果相比较,表明模拟皮肤的非稳态传热分析具有较高的精度。(4)基于舱外航天服暖体假人及其模拟皮肤,对舱外航天液冷服的传热进行了分析,在暖体假人覆盖模拟皮肤与不覆盖模拟皮肤两种状态下建立了液冷服传热模型,对液冷服与暖体假人及空气层的热交换量,以及液冷服总的散热量和散热效率写出了传热表达式,并进行了实验验证:在一定的环境条件及假人恒温状态下,测试暖体假人穿着液冷服时液冷服的总散热量,将实验结果与模型计算结果相比较,表明液冷服散热模型具有较高的精度。同时,基于传热模型对液冷服散热量和散热效率与液冷服三个设计参数(进口温度、流速、管长)之间的关系进行了讨论,表明暖体假人在覆盖与不覆盖模拟皮肤两种状态下,液冷服的散热量和散热效率与各设计参数之间的关系类似,并且在同样的环境条件下,暖体假人覆盖模拟皮肤时,液冷服的散热量和散热效率较暖体假人不覆盖模拟皮肤时均有所提高。由于液冷服传热模型的求解非常复杂,为了进行散热量和散热效率的快速求解,采用灰色系统理论的灰色建模方法,以液冷服的三个设计参数为输入变量,建立了暖体假人覆盖模拟皮肤和不覆盖模拟皮肤两种状态下,液冷服的散热量和散热效率的一阶微分预测模型,经相对残差检验,模型的预测精度较高,可达95%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第一节 暖体假人系统的研究与发展
• 第二节 人体传热模型的研究概况
• 第三节 本文的主要研究内容和创新点
• 参考文献
• 第二章 舱外航天服暖体假人的设计与其性能分析
• 第一节 暖体假人系统总体设计方案
• 第二节 暖体假人系统的稳定性分析
• 第三节 暖体假人系统的动态响应过程分析
• 第四节 暖体假人系统的测试精度分析
• 第五节 本章小结
• 参考文献
• 第三章 舱外航天服暖体假人模拟皮肤的研究
• 第一节 备选模拟皮肤材料及实验测试
• 第二节 备选模拟皮肤材料综合性能分析
• 第三节 暖体假人覆盖模拟皮肤时的性能分析
• 第四节 本章小结
• 参考文献
• 第四章 舱外航天服暖体假人模拟皮肤的传热分析
• 第一节 模拟皮肤在稳态条件下的传热分析
• 第二节 模拟皮肤在非稳态条件下的传热分析
• 第三节 本章小结
• 参考文献
• 第五章 基于舱外航天服暖体假人的舱外航天液冷服传热分析
• 第一节 液冷服传热模型的基本假设条件
• 第二节 暖体假人不覆盖模拟皮肤时液冷服的传热模型
• 第三节 暖体假人覆盖模拟皮肤时液冷服的传热模型
• 第四节 液冷服散热量和散热效率的预测
• 第五节 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结论与展望
• 第一节 本文的主要结论
• 第二节 本文存在的问题和展望
• 附录1 舱外航天服暖体假人关节设计
• 附录2 六种备选模拟皮肤材料样品
• 附录3 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢