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工程边缘

骨骼骨骼DEM微重力牛骨

设计实验性胶囊环境,评估空间骨密度的影响

Koen Beyers沃克代尔

FOTON-M3在轨航天器。照片由欧洲航天局提供

T佛兰芒太空团价值2亿美元,30公188bet手机官网司制造基地致力于开发和商业化比利时的科学技术与空间。voxdale bvba是该集群的成员,并从其在安特卫普的办事处为各种行业提供其他工程服务。他们正在进行的一个更有趣的太空项目是有可能进行为期三年的载人到邻近行星的旅行,比如火星,解决宇航员在微重力条件下长时间太空飞行时骨骼变脆甚至骨质疏松的问题。

从本质上讲,他们的Freqbone实验涉及到12块活牛骨(在飞行过程中不断“喂养”以保持骨头的存活),在一颗在失重条件下绕地球轨道运行的卫星内进行为期12天的振动实验,并暴露于由于它以一天15次的速度绕地球轨道运行而产生的周期性太阳荷载。28,000公里/小时。

为了更深入地了解这一现象,“Freqbone”生物反应器项目由Jos Vander Sloten构想,鲁汶天主教大学的Gerrit van Lenthe和Geert Carmelit,生物力学和工程设计部,在比利时,并部署在欧洲航天局(ESA)的近地轨道任务中。从本质上讲,他们的Freqbone实验涉及到12块活牛骨(在飞行过程中不断“喂养”以保持骨头的存活),在一颗在失重条件下绕地球轨道运行的卫星内进行为期12天的振动实验,并暴露于由于它以一天15次的速度绕地球轨道运行而产生的周期性太阳荷载。28,000公里/小时。

在1960年代苏联联盟号火箭和太空舱成功发射后,1985年前苏联首次引进了福田无人可回收航天器系列,并进行了首次飞行。它被设想为一个微重力平台,物理学家和材料科学家补充非常相似的生物素胶囊,旨在生命科学研究。近年来,越来越多的生物和非微重力实验转移到福田,当生物工程停止时。

俄罗斯FOTON-M3航天器设计用于在短任务寿命(通常长达两周)内进行空间实验。俄罗斯航天局,Roskosmos负责航天器,而欧空局负责其有效载荷和实验。完成了Freqbone项目,并对俄罗斯Foton-M3火箭ESA进行了实验测试。事实上,这是ESA在火箭有效载荷舱进行的14次实验之一,其中包括流体物理实验,生物学,蛋白质晶体生长,陨石学,辐射剂量测定和外生物学。FOTON-M3在轨航天器。照片由欧洲航天局提供

众所周知,机械载荷是获得足够的骨强度所必需的;然而,具体细节仍不清楚。因此,Freqbone太空飞行实验旨在研究机械应力和应变如何影响骨重塑过程。微重力是如何影响这一点的。2007年11月,Freqbone在Foton-M3任务上成功飞行。共有12个牛小梁骨标本在微重力下停留了14天。其中一半受高频刺激,低振幅载荷;另一半在微重力下保持卸载。该项目的具体目的是分析这些样本,目的是将骨样本中的局部机械环境与骨吸收和骨沉积区域联系起来。

每一天,作为实验的一部分,一半的牛骨受到10分钟长的振动(高频,低振幅机械刺激)和在整个任务中监控的效果。实际上,小梁骨核心在专用的加载和灌注生物反应器中进行测试。在微重力条件下,在加载和灌注样品与未加载(仅灌注)样品中比较机械刺激的效果。科学家们想看看在轨道上受到辐射和微重力照射时,振动和非振动的骨头发生了什么。由Marc Dielissen在Qinetiq空间(Qinetiq的子公司)设计并建立了实际频率飞行硬件和一个基于Leuven团队要求的地面控制实验模型。Freqbone钻机的设计必须适合非常紧密的物理尺寸,在卫星有效载荷舱内运行的重量和鲁棒性限制。

为了使Freqbone项目获得成功,弗兰德斯的Qinetiq航空航天工程师必须设计一个重量低于10千克的盒子,其内部温度正好为37.2°C加上或减去0.1°C。他们转向voxdale帮助他们设计管道和试验室的热流体,在重复的低地球轨道期间,实验需要保持在一个均匀的温度。对实验的真正挑战是在过渡时期,当卫星进入地球的阴影时,它暴露在充分的阳光下,然后完全黑暗。这25秒的转变被证明是对燃烧室的热冲击最关键的,设计这些太阳能加热效应是设备设计中最困难的部分。

图1。频率风机系统CFD压力分布预测

图2。预测CFD速度等值线切片

图3。频率风机系统的预测CFD流流线

voxdale转向ptc creo cad嵌入式CFD软件,金宝愽备用网址FloEFD为了满足设计要求,快速、有效地对博纳查姆风机系统的多种设计方案进行评估。频率风扇系统管道的推荐设计,散热片,6个珀耳帖风机和2个机械风机以及内部传导材料被适当制造,以补偿有效载荷舱15天轨道期间预期的内部温度波动,特别是零到全太阳辐射周期。在执行任务期间,Freqbone实验非常成功,一旦FOTON-M3太空舱返回地球,生物科学家就能够将装载和卸载的牛骨中的骨骼结构演变与地球上的骨骼结构进行比较。获得了有价值的见解,这些见解将被用于未来的远距离和行星间载人航天飞行。

更多信息:

  1. 佛兰芒空间集群:www.vrind.be/en/
  2. 比利时空间网站:www.begiuminspace.be/nieuws/ruimtevartbedrijven/verhaert-spaceontwikkeld-drie-instructen-voor-fotonm3-missie
  3. FOTON-M3任务:www.eoportal.org/directory/pre fotonm3mission2andowlsperimement。HTML
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