基于微重力环境下的“气包”控制定位
太空飞船的航天员在长时间太空旅行中是否会出现身体问题？
太空飞船的航天员在长时间太空旅行中是否会出现身体问题？一、太空飞船对身体的影响太空环境与地球环境相比存在很大的差异，这种差异会对航天员的身体产生一定影响。
首先，太空中微重力环境会导致航天员的肌肉和骨骼失去负荷，进而引发骨质疏松症和肌肉萎缩。
其次，太空环境中的辐射量较高，长期暴露于辐射中会增加患癌症等疾病的风险。
此外，太空飞船中的空气质量也可能对航天员的呼吸系统和免疫系统产生影响。
因此，在长时间太空旅行中，航天员面临着各种身体问题的挑战。
二、预防和解决问题的措施为了保障航天员在太空旅行中的身体健康，科研人员和太空机构采取了一系列预防和解决问题的措施。
首先，他们通过特殊的训练和运动计划来预防骨质疏松症和肌肉萎缩。
这些计划包括有氧运动、重力模拟设备和特殊饮食，以帮助航天员保持肌肉和骨骼的健康。
其次，科研人员还研发了一系列辐射防护设备，包括特制的太空服和舱内辐射屏蔽材料，以最大程度地降低辐射的影响。
此外，太空飞船中的空气质量也通过精密的过滤和循环系统进行控制，以确保航天员的呼吸和免疫系统的健康。
通过以上措施，航天员的身体问题得到了一定的缓解和解决。
三、航天员的身体适应能力尽管长时间太空旅行会对航天员的身体产生一定影响，但航天员的身体适应能力也是不可忽视的。
航天员可以通过适应训练来提高自身对太空环境的适应性。
这种训练包括在地球上进行的长时间床上休息、无重力环境下的模拟训练等，以帮助航天员尽快适应太空环境中的微重力、辐射和空气质量等变化。
此外，航天员在太空飞船中也会进行一定的体育锻炼，以增强身体的抵抗力和适应能力。
这些适应性训练为航天员在长时间太空旅行中保持身体健康起到了重要的作用。
结语在长时间太空旅行中，航天员是否会出现身体问题一直是一个备受关注的话题。
尽管太空环境对航天员的身体存在一定影响，但通过科学的预防和解决问题的措施，航天员的身体问题得到了一定的缓解和解决。
同时，航天员自身的身体适应能力也是保障身体健康的重要因素。
生命科学中的微重力实验及其应用
生命科学中的微重力实验及其应用在太空中，重力是非常微弱的，甚至可以达到微重力或零重力状态。
这种微重力环境是地球上无法实现的，因此在太空中开展微重力实验就成为了生命科学研究中的重要手段之一。
下文将着重介绍微重力实验在生命科学中的应用。
一、微重力实验的背景微重力环境下，生命活动的发生会发生一系列的变化，包括细胞分裂、细胞生长及分化等等。
由于地球重力的影响，细胞生长会受到限制，导致生长方向的偏移。
而微重力环境下，这些限制就会消失，细胞的生长方向就可以观测到与地球重力方向垂直的情况。
此外，细胞粘附、信号传导、蛋白质合成等等生命活动也会发生改变。
二、微重力实验的应用1.细胞生长微重力环境下，细胞生长方向与地球重力方向垂直，这就使得细胞在长轴方向上生长变得容易。
因此，微重力环境可以被用来帮助研究细胞生长的机制和细胞器的使用方式的变化。
例如，人类乳腺癌细胞在微重力环境下会显著增长，而未受微重力的细胞则不会出现这种现象。
该发现提示我们，微重力环境可以用来研究乳腺癌生长机制。
2.空气污染空气质量的下降成为了一个全球性的问题，如何评价空气污染对健康的影响是一个重要的研究方向。
微重力环境可以帮助科学家研究，不同环境下人体免疫系统的变化。
在微重力环境下，人体的免疫系统会发生弱化，因此科学家可以使用这一微重力环境来研究不同环境对人类免疫健康的影响，特别是对于空气污染影响的研究。
3.骨质疏松微重力环境可以模拟骨质疏松的发生，这种疾病是比较常见的老年病，需要康复治疗。
但由于重力的影响，地球上难以模拟骨质疏松的发生过程。
微重力环境可以帮助研究骨质疏松的机制，比如，科学家可以通过在微重力环境中观察骨骼形态和骨密度变化的方法，研究骨质疏松的预防和治疗。
4.抗微重力药物微重力环境对人体健康和生存具有很大的影响。
因此，开发和研究抗微重力药物就成为了生命科学中的重要方向之一。
科学家利用微重力环境可以发现新的抗微重力药物，帮助人们更好、更有效地适应太空环境，从而保证航天员的健康和生存的安全。
航天员在空间站里面怎么呼吸
航天员在空间站里面怎么呼吸进入空间站，航天员们必须学会呼吸。
他们的呼吸方式有两种，一种是用口鼻呼吸；一种是用胸腔呼吸。
口鼻和胸腔的呼吸方式有两种：吸气时与口鼻紧密贴合，使二氧化碳浓度保持在相对较低水平；呼气时将二氧化碳排出，使二氧化碳浓度保持在较高水平。
在空间站内航天员使用不同气瓶呼吸时，其呼出气体又各有特点：有的呼出气体中含有一定量氧分子，为舱内空气提供氧气；有的呼出气体含有一定量二氧化碳，为舱内新鲜空气提供二氧化碳；有的呼出气体中含有一定量甲烷气体等。
每个气瓶都有独立编号，航天员可以在每一瓶中找到唯一编号、对应编号；每个气瓶都有气密性标识，着对应气瓶与舱外装置之间的空气压力和温度变化。
根据航天员出舱情况确定出气量和排气量。
其中最小呼气数量是指出舱前在舱外停留时间最长、出舱次数最多的一个气瓶气体最小通气数。
一、空气压缩机空气压缩机是由一个或多个带有空气的涡旋而产生的空气压力变化量和可调节的气体流量。
气压缩机的主要作用是使舱内的空气量保持稳定状态，同时利用其内部的压缩空气来减少呼气时的温度变化。
空气压缩机的气瓶用来为舱内各个房间提供所需的气体浓度。
当舱内二氧化碳浓度较高或者由于舱内通风不良需要增加耗氧量的时候都需要空气压缩机将二氧化碳压缩并排出体外。
另外需要注意的是空气压缩机的压力不能太高或太低，否则会造成系统损坏。
此外气压缩机不能频繁使用、避免过热现象发生。
1、供氧方式目前国际空间站上的供氧方式有两种，即自给自足和自产两种。
自给自足方式是指由空间站所在航天站将其所需要的氧气输送到各房间以供宇航员使用。
这种方式是目前国际空间站上应用最多的一种供氧方式，在美国和俄罗斯空间站上使用较多。
自产的形式指在空间站上的某个房间里空气的浓度是处于相对稳定状态的，所以航天员可以使用这种供氧方式来获得所需要的氧气。
自产方式一般只适用于氧气浓度在10%以内的时候使用。
由于这在整个航天飞行过程中非常重要，所以在太空站建立之初就需要不断增加供氧能力和氧气供应量。
航天器性能测试标准
航天器性能测试标准航天器性能测试一直是航天领域中至关重要的一环。
航天器在发射前需要经过全面的性能测试，以确保其在太空环境下的正常运行。
本文将就航天器性能测试标准展开探讨，内容包括普通测试流程、测试参数、测试方法等方面。
1. 性能测试流程航天器的性能测试流程主要分为三个阶段：地面测试、大气环境测试和太空环境测试。
1.1 地面测试地面测试是航天器性能测试的第一个阶段，旨在确保航天器在发射前的工作状态和各项性能指标符合要求。
地面测试主要涉及以下方面内容：(1) 电力系统测试：检测航天器电力系统的输出电压、电流、频率等参数，确保其正常工作。
(2) 通信系统测试：测试航天器的通信设备，包括发射和接收信号的性能，确保其正常通信。
(3) 控制系统测试：验证航天器控制系统的准确性和可靠性，包括各个航天器部件间的协调工作。
(4) 热控系统测试：检测航天器的热控系统，确保其能在各种温度和湿度环境下正常工作。
(5) 生命支持系统测试：测试航天器内的生命支持设备，如氧气供应、废水处理等，确保宇航员的生命安全。
1.2 大气环境测试大气环境测试是航天器性能测试的第二个阶段，主要是为了验证航天器在大气层中的工作状态。
具体测试项目包括：(1) 气动力测试：测试航天器在大气中的阻力、升力等参数，为后续姿态控制提供数据基础。
(2) 热通量测试：测试航天器在大气中的热通量，评估其热控能力。
(3) 振动测试：模拟发射过程中航天器所受到的振动力，确保其在发射时不会发生破坏。
1.3 太空环境测试太空环境测试是航天器性能测试的最后一个阶段，主要是为了验证航天器在真实的太空环境中的各项性能指标。
具体测试项目包括：(1) 微重力测试：测试航天器在失重环境中的各项性能，如燃料供应、姿态控制等。
(2) 射星测试：测试航天器在太空中受到射星时的反应，评估其对射星的探测和测量能力。
(3) 辐射环境测试：测试航天器在太空辐射环境中的抗辐射能力，以及其对航天员的辐射保护能力。
外太空中的微重力环境对人类身体的影响及应对策略
外太空中的微重力环境对人类身体的影响及应对策略随着太空探索的不断发展，人类在外太空中生活和工作的时间也越来越长。
然而，外太空中的微重力环境对人类身体产生了很大的影响。
本文将探讨外太空中微重力环境对身体的影响，并提出相应的应对策略。
一、外太空中微重力环境的影响1. 骨骼系统的影响在微重力环境下，由于身体不再承受地球引力，骨骼系统会发生明显的退化。
由于缺乏负重刺激，骨密度会逐渐减少，导致骨质疏松和骨折的风险增加。
2. 肌肉系统的变化缺乏地球引力的作用，肌肉在太空中容易萎缩和丧失力量。
尤其是身体重要的核心肌群，如腹肌和背肌，会明显减弱，从而影响身体的稳定性和运动能力。
3. 心血管系统的负荷在微重力环境下，心血管系统面临着新的挑战。
由于血液不再受到重力影响，流动性变差，导致体液分布不均，易发生头晕、胸闷等心血管问题。
4. 免疫系统的压力微重力环境下，人体的免疫系统受到一定影响，抵抗能力减弱，容易感染病菌。
这对长期在太空中生活和工作的宇航员来说，是一个巨大的问题。
二、应对策略1. 运动训练在太空任务中，宇航员需要参与特定的运动训练，以维持肌肉和骨骼的功能。
这些训练包括抗阻力性训练、有氧运动和平衡训练等。
通过运动训练，宇航员可以减缓肌肉和骨骼的退化速度。
2. 药物干预科学家们正在开发一些药物，以减轻微重力环境对人体的影响。
例如，研究人员正在研制钙离子增效剂，以增加骨骼的钙沉积；同时，他们还在研究免疫调节剂，以提高人体对抗病菌的能力。
3. 重力辅助设备为了减轻微重力环境对身体的负荷，科学家们还在开发重力辅助设备。
例如，引入特殊的运动机械，模拟地球上的重力环境，让宇航员的骨骼和肌肉得到适当的负荷刺激。
4. 饮食调整科学家们还研究了饮食对人体在微重力环境下的影响。
他们发现，增加蛋白质和维生素D的摄入，可以改善骨骼和肌肉的退化情况。
另外，饮食中的微量元素和抗氧化剂也对免疫系统的功能有所帮助。
5. 心理支持长时间在太空中生活和工作对宇航员的心理健康产生了很大的影响。
“不明觉厉”,天宫二号上的实验
“不明觉厉”，天宫二号上的实验太空中与地面显著不同的环境条件，使得人类一旦将飞行器发射上天，总要想方设法携带一些仪器、材料进行科学实验。
我国的天宫二号也不例外，并且，它要开展的各类实验达到了史无前例的14项，涉及微重力基础物理、空间材料科学、空间生命科学等多个领域，其中两项由航天员直接参与操作，还有一项国际合作。
这让它成为我国史上实验任务最多的太空飞行器。
这些实验包括哪些内容，能对我们的生活产生什么影响？一起来看看其中的几个代表吧。
“小蜜蜂”探寻伽玛暴首先登场的是“小蜜蜂”，这也是此次天宫二号空间实验室上唯一的一项国际合作实验项目。
它的大名叫“天极”（POLAR），全称“伽玛暴偏振探测仪”。
科学家们之所以给它取了这个昵称，是因为这个仪器是由1600根塑料闪烁棒组成一个阵列，犹如1600个小眼组成一只蜜蜂的复眼。
从全名可知，这只“复眼”不是用来看一般的东西，而是用来探测宇宙中最闪耀的爆炸——伽玛暴。
宇航员王亚平在天宫一号内，为地球上的观众们表演了一回太空中的小实验。
伽玛射线是能量最强的电磁波，它的能量比可见光大几十万倍以上。
伽玛射线暴（简称伽玛暴）是来自宇宙空间的伽玛射线短时间突然增强的现象。
虽然伽玛暴的持续时间长者只有数百秒，短者更是不足数十毫秒，但释放的能量几乎抢了整个宇宙的风头，瞬时亮度甚至有可能胜过全宇宙其他天体的总和。
1997年12月14日发生一次伽玛暴，距离地球远达120亿光年，在50秒内所释放出的伽玛射线能量就相当于整个银河系200年的总辐射能量。
这次伽玛暴持续时间在一两秒内，其亮度与除它以外的整个宇宙一样明亮。
因此，人们把这样壮丽的景象，称为恒星最后的“生命之花”。
但这样的“生命之花”对真正的生命却会带来毁灭：伽马射线对生物有极强的杀伤力。
伽玛暴在宇宙中随时随地可能发生，对我们的影响有多大，取决于伽玛暴的距离。
如果发生在100光年内，且正好对准地球，事情就糟糕了。
有人认为，伽玛暴可能是导致地球4.5亿年前的奥陶纪大灭绝事件（第一次生物大灭绝）的原因之一，在那次事件中，85%的海洋生物灭绝。
微重力实验装置原理
微重力实验装置原理
微重力实验装置主要利用微重力环境下物理现象的特殊性质，结合精准控制技术，以更准确地进行科学实验和研究。
微重力环境是指物体在离心机、空间站或高空飞机等环境下所处的物理状态。
在这种环境下，物理现象的表现与地球上不同，例如液体的表面张力、物质运动的惯性效应等都会受到不同程度的影响。
因此，利用微重力实验装置可以在这些特殊条件下进行更直接的研究。
微重力实验装置有多种类型，其中包括传统的落塔和抛物线飞机，以及现代的电磁弹射微重力装置。
电磁弹射微重力装置使用了电磁弹射技术，通过精确控制电磁力，可以在极短时间内将实验对象加速到高速，然后让其在一个特定的轨道上运动，从而模拟出微重力环境。
学校第五届“挑战杯”评审结果公告
岭南师范学院第五届“挑战杯”大学生课外学术科技
作品竞赛评奖结果公布
根据《关于举办第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛的通知》（岭师团委〔2014〕212号）的文件规定，经过个人申报、二级学院初审排序、参赛团队现场答辩、学校学生课外学术科技活动专家评审委员会评定等环节，我校第五届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛评出一等奖8项、二等奖20项、三等奖40项、入围奖60项。
特此公布。
附件：获奖结果一览表
共青团岭南师范学院委员会
2015年9月21日
附件：获奖结果一览表
中单位多圆柱上星形映照子族齐次展开式的
中单位多圆柱上一类次殆星映照第四项齐。
空间微重力环境地面模拟试验方法综述
空间微重力环境地面模拟试验方法综述微重力环境是空间科学研究的重要背景，也是宇航任务的重要组成部分。
构建真实的空间微重力环境需要多种系统技术的支持，但在大气中无法模拟。
模拟试验是弥补不足的一种重要方法，近些年来，地面模拟技术逐渐发展成熟，在空间微重力环境研究中发挥着越来越重要的作用。
本文就地面模拟技术在模拟空间微重力环境中的应用、研究现状及发展趋势作一综述。
一、地面模拟技术地面模拟技术是模拟空间微重力环境的重要手段，它的核心是通过外力的变化调节/去除重力，使模拟物体运动按照空间微重力环境的要求。
常用的模拟技术有弹力器技术、悬浮技术、共振技术、离心技术、重力相位技术等等。
1）弹力器技术弹簧技术是最常用的方法之一，它采用多腿弹簧来布置模拟物体，通过弹簧的多次调节来调整模拟物体的重力。
由于弹簧的受力极易过大，在模拟时需要采取一定的护措施。
2）悬浮技术悬浮技术是一种极其精确的技术，它可以将模拟物体悬浮在空中，然后通过精确的调节来实现微重力模拟。
但执行悬浮技术的过程很困难，需要考虑的问题比较多，适用范围也比较有限。
3)共振技术共振技术是一种模拟物体以振动的形式减小重力的技术，它利用电机振动，将模拟物体悬浮在空中，降低重力，实现微重力模拟。
但共振技术技术也存在运行灵敏度高，精度低的问题。
4）离心技术离心技术是利用模拟物体离心运动来模拟空间微重力环境的技术，它通过利用离心转速和轨道半径调节，使模拟物体在离心轨道的旋转中，不受其质量的影响。
但存在种种技术挑战，需要进一步深入研究。
5）重力相位技术重力相位技术是一种利用重力相位在空间微重力环境中进行精确调节的技术，它基于重力相位原理，将调节物体的重力控制在微重力环境中。
但相位技术也存在过于复杂的问题，技术实现较为困难。
二、空间微重力环境研究现状近年来，随着技术的发展，空间微重力环境的研究已经取得了显著的进步，可以模拟多种空间微重力环境，比如低重力、失重、微重力等。
这些模拟环境为空间任务的实施提供了可靠的依据和参考。
气液两相流与沸腾传热--沸腾传热基础专题研究.
Topic Three 沸腾传热基础（Elements of Boiling Heat Transfer）本讲要点：本讲介绍池内沸腾传热与强迫对流沸腾传热基础。
给出了各种沸腾模式和流动工况下的典型关联式。
重点是针对诸如大池内的单管以及单根竖直圆管等简单几何条件进行介绍。
还介绍了一些世界问题，比如由于成核困难而导致的沸腾曲线的滞后、由于存在不溶性气体而产生的沸腾曲线迁移以及表面和流体污染等等。
还包括了微重力条件下的两相流动和传热问题。
1. Introduction 引言相变传热系数和锅炉与蒸发器设计中的压降因子等涉及到一些最为复杂的热-流体现象。
由于需求以及智力和知识上的挑战，这一领域内的研究在过去的五十至七十年间呈爆炸型增长趋势。
沸腾传热科学与技术所面对的是这样一个局面：总共有超过30,000篇出版物的文献，每年约50本教材和参考书，每年还有约1000篇论文出现。
显然，我们不再可能逐篇咀嚼甚至综述这些信息。
但是，设计者仍必须对传热和压降进行预测，需要掌握预测方法。
所采用的关系也不总是基于理论，但又必须有足够合理的精度。
因此，我们应当对物理现象和机理有一个较好的认识，从而能够合理地采用有关关联式，这一点十分重要。
本讲的重点将放在简单几何条件（如大池内的单管、单根竖直圆管等）下的传热特征介绍。
很多情况下，复杂几何结构（如：水平管束、多根竖直管道等等）下的关联式，都是建立于对简单构型的经验之上。
另外，本讲主要讨论纯净流体，至于混合物的沸腾及污垢等情况，可能的话，我们还会进行介绍。
沸腾过程在传统的恒定热流或恒定壁温的边界条件下响应是不同的。
前一边界条件主要与具有固定热耗散的系统有关，比如，电热锅炉或者核反应堆堆芯等。
这一情形也会发生在诸如电子加速器靶心或计算机芯片等高功率密度设备的液体冷却情况。
而恒壁温则见诸发生相变的两种流体的热交换器等情况。
但是在一些情况中，比如，化石燃料锅炉等，热流实际上也是恒定的。
微重力环境中“气包”运动调控实验设计
微重力环境中“气包”运动调控实验设计王先菊;林挥扬;冯毅锋;邹宇慧;劳媚媚【摘要】利用磁悬浮技术和单片机技术相结合设计了模拟微重力环境的简易装置系统，该系统可实现对液体中“气包”位置的调控、显示跟踪其运动轨迹以及测量其大小等功能，主要包括运动控制、轨迹追踪以及测量分析三大模块。
运动控制模块通过单片机控制机械滑台运动，调节电源电流、改变电磁力大小实现对“气包”运动悬浮控制；轨迹追踪模块和测量模块是由容器四壁各放置多个激光接收对管和收发模块构成，通过“气包”在运动过程中遮挡激光，引起配套的激光接收管电平变化，利用光电转换技术转化为“气包”运动的坐标值，从而实现“气包”位置的跟踪和直径的测量。
本设计思路新颖，成本低廉，操作简单，为模拟微重力环境简易装置提供了一定实验设计思路。
%This experimental design is a simple device to simulate the microgravity environment system by the use of combining the magnetic levitation technology and the single-chip microcomputer technology.This system can r ealize the “Air Bag”in the liquid position control,and the display the motion traj ectory tracking and the size of measuring.It mainly includes the motion controlling,the traj ectory tracking and the analysis of the measurement of three modules.Among of th em,the “Air Bag”motion control module is controlled by single chip microcomputer mechanical sliding table movement,and adj usting the power supply current change electromagnetic force size for the “Air Bag”sport suspension control.Traj ectory tracking and measuring modules are composed of the transceiver modules and the laser receiving multiple pipes placed in the containerwalls.The “Air Bag”keeps out the laser in the movement process,and this can cause a complete set of laser receiving pipe level change,it can translate into “Air Bag”movement of the coordinate values by the photoelectric conversion technology,so as to realize the track of“Air Bag”position and diameter measurement. The design is novel,and has low cost,simple operation,and it can provide a certain experimental design thought for simulating microgravity environment simple device.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2016(033)008【总页数】5页(P28-31,36)【关键词】磁悬浮;模拟微重力;激光接收管;单片机【作者】王先菊;林挥扬;冯毅锋;邹宇慧;劳媚媚【作者单位】华南农业大学电子工程学院，广东广州 510642;华南农业大学电子工程学院，广东广州 510642;华南农业大学电子工程学院，广东广州 510642;华南农业大学电子工程学院，广东广州 510642;华南农业大学公共基础课实验教学中心，广东广州 510642【正文语种】中文【中图分类】O35;TP273微重力是指重力或其他的外力引起的加速度为10-5 g～10-4g,太空环境就是微重力环境。
航天学院硕士生课程简介
02 航天学院序号：课程编号：02M001课程名称：线性系统理论任课教师：周军刘莹莹英文译名：Linear System Theory先修要求：《线性代数》和《矩阵论》中任一门、《复变函数》内容简介：《线性系统理论》是控制类、系统工程类、电类、计算机类、机电类等许多学科专业硕士研究生的一门公共基础理论课，是控制、信息、系统方面系列理论课程的先行课。
《线性系统理论》是最优估计、最优控制、系统辨识、自适应控制等现代控制理论的基础，系统讲述线性系统的运动规律，揭示系统中固有的结构特性，建立系统的结构、参数与性能之间的定性和定量关系，以及为改善系统性能，满足工程指标要求而采取的各类控制器设计方法。
具体的内容包括：线性系统的状态空间描述、状态空间描述与传递函数描述的关系、线性系统的运动分析、能控性、能观性、稳定性理论、线性反馈系统的状态空间综合方法、线性鲁棒性控制基本理论、线性系统的基本代数理论，以及多变量频域设计方法等。
主要参考书：（1）《线性系统理论》阙志宏主编，西安西北工业大学出版社，1995；（2）《现代控制理论引论》周凤歧等，北京国防工业大学出版社，1988；（3）《线性理论》郑大中编著，北京清华大学出版社；（4）《线性系统理论与设计》[美]陈启宗，科学出版社，1988。
序号：课程编号：02M900课程名称：专业英语任课教师：周军英文译名：Professional English先修要求：专业方面的课程内容简介：本课程作为一种基本的专业英语技能，在阅读和学习与本专业的相关的国外文献资料时，发挥着重要的作用。
因此，主要学习和掌握专业外语的基本语法、句法和结构，通过这门课的学习，期望学生能掌握专业英语的特点；扩大专业英语词汇量，尤其关于本专业有关导弹、航天器、无人机等专业知识方面的英语词汇量；提高专业英语（或科技英语）文章的阅读速度；并进行相应专业英语文献的翻译，在此基础上掌握专业英语的写法，为今后从事工程技术和科学研究工作打下稳固的基础。
基于微重力环境下的“气包”控制定位
２ ０ １ ５ 年 第２ ５ 期ｌ 科技创新与应用
基于微 重 力环境 下 的“ 气包 ＂ 控制 定位
颜 秋 林 谢 佳 云 杨 钊 华 叶 智 超 张 福 平
（ 华南师范大学物理与电信工程 学院， 广 东 广州 ５ １ ０ ０ ０ ６ ）
摘 要： 微 重 力环 境 下 的物 体 具有 不一般 的物 理 属 性 并且 微 重 力 环境 为 药 品加 工带 来极 大的 便 利 ， 文 章通 过 磁 悬 浮 方 法模 拟微 重力 环境 下的 气 包悬浮 ， 而通 过机 械 原 理 可 自动 化 控 制 气 包的运 动 ， 并 且 可 以 实 时监 控 气 包的位 置 ， 最后 测 量 出 气 包的速 度 及 直径 。这 对 于有 毒 物品 的 加 工和检 测 具 有极 大 的意 义 。 关键词： 微 重 力环 境 ； 气 包悬浮 ； 气 包运 动 ； 气 包速 度 及 直径 测 量
悬浮技术 悬浮力来源 悬浮材料 声悬浮 声辐射力 介质 加热 悬浮力 悬浮稳定性 稳定性好 稳定性较差 任 何材料 不可用于真空 无加热效应 较弱 任何材料 不可用 于真空 无加热 效应 较 强 材料 预先
线
铁 圈
．
线
芯 圈
． 一 一
电磁
气动悬浮 气动流量
１概 述 １ ． １磁 悬浮 法控 制 “ 气包” 在液 体 中的位 置 从 表 １中可 以看 出 ， 电磁 悬 浮 因 由强 烈 的热 效 应 ， 悬 浮 稳 定 性 好， 且 由于 本 实验 采用 内部 安有 永 磁铁 球 的 小体 积 气 球代 替 真 实 的 “ 气包 ” ， 可利 用 电磁 悬 浮实 现 微重 力 下 “ 气包 ” 运 动 状态 的模 拟 。 表 ｌ各 种 悬浮技 术 的 特 点 比较 ’
再生式环控生保系统水气分离技术研究进展_张文伟
再生式环控生保系统水气分离技术研究进展张文伟，杨春信*（北京航空航天大学航空科学与工程学院，人机与环境工程系，北京100191）摘要：中长期载人航天飞行必须采用环控生保系统实现水和O2的再生，微重力条件下水气两相流体的输运和分离是再生式环控生保系统的关键技术。
本文介绍了微重力条件下基于物理/化学再生法的水气循环再生的一般工作模式和水气分离的物理途径，归纳了水气分离技术研究现状及典型应用，重点论述了水气分离器涉及的关键技术问题，在此基础上，提出了我国中长期载人航天飞行水气分离技术的发展方向。
关键词：环境控制与生命保障系统；再生生命保障系统；微重力；水气分离中图分类号：R852．8文献标识码：A文章编号：1002-0837（2011）06-0444-07Progress of Research on Gas/Liquid Separation Technology of Regenerative Environment Control and Life Support System.ZHANG Wen-wei，YANG Chun-xin.Space Medicine＆Medical Engineering，2011，24（6）：444 450Abstract：Environment control and life support system（ECLSS）is essential to achieve the regeneration of water and oxygen in long-term manned space flight．Transportation and separation of gas/liquid two-phase flow are the key technology for the regenerative life support system under microgravity condition．Physical paths of gas/liquid separation and the gas/liquid recycling regeneration mode based on physical/chemical methods were introduced in this paper．The current situation and typical applications of gas/liquid separation technolo-gy were summed up．Moreover，the key technical problems of gas/liquid separator were focused on and the developing direction of gas/liquid separation technology for Chinese long-term manned space flight were put forward in this paper．Key words：environment control and life support system；regenerative life support system；microgravity；gas/ liquid separationAddress reprint requests to：YANG Chun-xin.Department of Human and Environmental Engineering，School of Aeronautic Science and Technology，Beihang University，Beijing100191，China载人航天飞行中，航天员一昼夜要消耗O20．6kg，饮用水和食品含水2．5kg，干态食物0．6kg。
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基于微重力环境下的“气包”控制定位微重力环境下的物体具有不一般的物理属性并且微重力环境为药品加工带来极大的便利，文章通过磁悬浮方法模拟微重力环境下的气包悬浮，而通过机械原理可自动化控制气包的运动，并且可以实时监控气包的位置，最后测量出气包的速度及直径。
这对于有毒物品的加工和检测具有极大的意义。
标签：微重力环境；气包悬浮；气包运动；气包速度及直径测量1 概述1.1 磁悬浮法控制“气包”在液体中的位置从表1中可以看出，电磁悬浮因由强烈的热效应，悬浮稳定性好，且由于本实验采用内部安有永磁铁球的小体积气球代替真实的“气包”，可利用电磁悬浮实现微重力下“气包”运动状态的模拟。
通过对比和分析以德国为代表的常导电式磁悬浮，以日本为代表的超导电动磁悬浮和中国的永磁悬浮（它利用特殊的永磁材料，不需要任何其他动力支持），本实验将永磁体与可控直流常导电磁铁相结合的悬浮控制方法克服了中国、日本传统的磁悬浮方法的缺陷，我们选择用装有永磁体的小球及带铁芯的通电线圈完成“气包”位置控制实验。
1.2 利用激光对射遮蔽法跟踪气泡的运动轨迹、测量“气包”速度和直径目前提供的位置感应技术一般是发射电磁波、超声波、光等，遇到物体被反射回来被接收器接收，最终通过计算时间和波速可以得到物体和发射器之间的距离。
但一般来讲，物体的表面必须水平，这样才能保证反射波量，提高检测的稳定性。
而本实验中的物体是“气包”即气球，它具有凹凸的表面，很明显用这种方式是不合适的，因为在其表面的漫射很严重，所以本实验选择了激光对射遮蔽的方法进行检测。
其优点是激光的方向性好，不受物体表面凹凸情况的影响，而且动作稳定度高，检测距离长。
2 实验原理与分析2.1 让“气包”达到悬浮状态并控制其运动“气包”由装有永磁体的气球构成，控制永磁体悬浮及控制“气包”悬浮。
本实验用到电磁悬浮技术（electromagnetic levitation）简称EML技术，它的主要原理是利用高频电磁场在金属表面产生的涡流来实现对金属品的悬浮。
当一个线圈通入交变电流以后，就会在线圈周围产生一个磁场。
将一个金属样品放置在这个不均匀的、迅速变换的磁场内时，由于感应作用该高频电磁场会在金属材料表面产生一高频涡流，这一高频涡流也会产生磁场，其方向与线圈产生的磁场方向相反，从而产生一个吸引力。
在合适的空间配制下，可使该力的方向与重力方向相反，通过改变高频源的功率使电磁力与重力相等，即可实现电磁悬浮。
因考虑到电流损耗问题，本实验把金属样品替换为永磁体，采用单电磁-永磁混合悬浮装置，通过改变电磁铁电流的大小，可以调节悬浮物体与电磁铁之间的磁力，从而使电磁力与重力相等，使得“气包”悬浮，如图1所示。
而“气包”的正常悬浮之后，我们将控制“气包”即永磁体在竖直方向上运动，此时，只需要改变设定位置和其相应地磁场力大小即可改变“气包”的悬浮位置。
而横向方面的运动，则采用二维马达控制系统带动电磁铁线圈移动，从而使“气包”随之做二维运动。
但其悬浮方式是不稳定的磁浮，所以需要引入一个反馈装置来保证系统的稳定性。
该反馈装置包含线性霍尔传感器和PID控制器，悬浮系统在该反馈装置的控制下，电磁线圈产生合适的电磁力与永磁体相互吸引，使永磁体稳定地悬浮在设定位置上。
如图2所示，霍尔传感器能够检测永磁体的位置信息，产生电压信号，而控制器对电压信号进行处理，不断地将重物位置与设定位置进行比较而产生控制信号，功率放大器根据控制信号产生所需电流并送完电磁铁，电磁铁产生相应磁力与重力平衡使得永磁体稳定在平衡点附近。
由于通电线圈的存在，其产生的磁场会影响到传感器的检测，故安排传感器于悬浮体之下，远离电磁线圈避免上述影响。
当永磁体受到干扰向下运动时，永磁体与电磁铁的距离增大，霍尔传感器所获得的位置信号增强，其输出电压增大，经过功率放大器处理后，使得电磁铁控制线圈的控制电流增大，电磁吸力增大，永磁体被吸回平衡位置。
反之亦然。
2.1.1 线性霍尔元件电磁铁中的控制电流并不稳定，导致空间磁场也随之不稳定，因而“气包”很难稳定地悬浮在某个位置。
所以，对磁场的实时控制显得极为重要，在此，我们加入了线性霍尔元件。
霍尔元件是根据霍尔效应原理制成的，由霍尔效应的原理可知：霍尔电势Vh的大小取决于霍尔常数Rh（仅与半导体材质有关）、霍尔元件的偏置电流Ic、磁场强度B和半导体材料的厚度。
那么，给定一个霍尔元件，当偏置电流Ic固定时，霍尔电压Vh的大小将完全取决于被测得磁场强度B。
本实验中用到的是线性型霍尔元件，其输出电压与外加磁场强度呈线性关系，在一定的磁感应强度范围内有较好的线性度，超出一定范围时则呈现饱和状态。
利用线性霍尔元件是为了制造磁平衡式电流传感器，也叫补偿式传感器，它的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔元件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率管并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。
这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔元件的输出逐渐减小。
当与初级电流Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔元件起到指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。
被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。
一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出。
经功率放大后，立即就有相应地电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。
从磁场失衡到再次平衡，这是一个动态平衡的过程。
因而通过这个元件，我们可以使“气包”稳定悬浮在水中的某个特定位置而不会不稳定地振荡。
2.1.2 PID微控制器PID（proportional-integral-derivative）控制是在经典控制理论的基础上，通过长期的工程实践总结形成的一种控制方法，其参数物理意义明确，结构改变比较灵活，鲁棒性较强，易于实现，在大多数工业生产过程中控制效果较为显著。
现阶段，PID控制仍然是首选的控制策略之一。
本设计的磁悬浮控制系统也是先尝试用PID控制器来实现控制。
PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制。
在磁悬浮系统中采用先比例，后微分，再积分的反复调整方法。
具体步骤如下：（1）选取最短采样周期，去掉微分和积分环节，由小到大改变比例系数，直到悬浮体发生连续振荡。
（2）逐步增大微分作用，以减少超调，克服振荡，使悬浮体达到稳定悬浮。
（3）逐步增大积分作用，减少静差。
（4）再对采样周期作适当调整。
（5）根据近似准则和三个参数对系统控制过程的响应趋势对各参数进行微调，反复试凑调整。
2.1.3 PWM调制装置PWM调制装置又叫PWM开关型功率放大器，其性能的好坏直接影响到整个磁悬浮球系统的动态性能。
本实验脉宽调制（PWM）开关型功率放大器主要包括脉宽调制器和开关放大器，脉宽调制器是控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的；开关放大器根据反馈电流与给定指令电流比较后的误差信号，在PWM的作用下，得到一定占空比的脉冲，控制功率开关，使得正负输入电压交替地以某个频率加到线圈上，以此改变线圈中的电流。
从上述分析的结果可知，PID信号的输出经PWM转化为稳压电路信号，经过放大之后直接作用于线圈电压，改变线圈电压U0，从而达到迅速地改变线圈输出的电流进而间接控制电磁力的目的，提高悬浮反馈电路的稳定性和精确性。
2.2 跟踪“气包”轨迹、并测量其速度、直径2.2.1 跟踪气包轨迹其想法来源于光幕传感器，如图4所示，是一个用安全光幕检测物体（比如手）进入的测试原理结构示意图。
图中，光幕的一边等间距安装有多个激光发射管，另一边相应的有相同数量同样排列的激光接收管，每一个激光发射管都对应有一个相应的激光接收管，且安装在同一条直线上。
当同一条直线上的激光发射管、激光接收管之间没有障碍物时，激光发射管发出的调制信号（光信号）能顺利到达激光接收管。
激光接收管接收到调制信号后，相应的内部电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，激光发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达激光接收管，这时该激光接收管接收不到调制信号，相应的内部电路输出为高电平。
那么可以利用收不到调制信号输出高电平的特性，来得知有障碍物的存在。
那么就可以用激光发射器和接收器形成类似的三维光幕网格，并建立空间直角坐标系。
每一条线的两端分别放置发射器和接收器，当其中存在“气包”作为障碍物时，信号接收不到，能分别读出其对应的发射器的位置（x，y，z），并通过程序传送到电脑上建立三维图形，即可准确知道气包的位置和其运动轨迹。
2.2.2 测量“气包”的速度和直径在激光接收管接收到调制信号后，相应的内部电路输出低电平，而在有障碍物的情况下，激光发射管发出的调制信号（光信号）不能顺利到达激光接收管，这时该激光接收管接收不到调制信号，相应的内部电路输出为高电平。
当“气包”连续阻挡相邻的两道激光线，其对应的相邻的两个激光接收管的电平信号如图5所示。
当“气包”开始遮挡第一个激光接收管接收信号时，两个计时器开始计时，直到激光接收管恢复到正常的接收状态第一个计时器停止计时得到时间；直到第二个激光接收管被阻挡第二个计时器停止计时得到时间。
两个激光接收管之间的固定距离为，略微大于气球的直径，则可求得“气包”的平均速度为3 实验设计与实验内容3.1 磁悬浮法控制“气包”在液体中的位置实验仪器：我们总体的实验仪器如图6所示，我们的系统运行在一个水槽里，它可以漂浮、移动和控制气球即永磁体的三维运动，其主要实验仪器包含电磁铁线圈及其反馈控制电路、二维马达控制系统。
其中磁悬浮部分的电路设计如图7所示，电路主要包括霍尔感应器、微控制处理器、线圈驱动器和信号调节处理电路。
其中的微控制主要涉及到一个PID控制和PWM脉宽调制。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容，它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。
而PWM脉宽调制，则是根据PID所算出的占空比对脉冲的宽度进行调制，从而改变输出电流的大小而对线圈电流起到一个反馈作用。
3.2 利用激光对射遮蔽法跟踪气泡的运动轨迹、测量“气包”的速度和直径实验仪器：为消除物理实验中其他物体运动对光线强弱的影响，在测量气包速度和直径时，我们采用激光传感器，时钟频率为100赫兹，测量精度为毫秒数量级。
光电计时电路工作原理见图8，电路中主要包括传感器电路、时钟产生电路、计数及显示电路、控制电路和电源电路五部分。
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