中国能源结构以煤炭为主,其他能源为辅。煤炭的高效燃烧和污染物的较低排放对我国的节能减排工作具有十分重要的意义。长期以来,学者对煤炭的燃烧过程进行了大量的研究。但是这些研究绝大多数是在地面有重力的情况下进行,地面研究时常常难以排除重力和浮力对燃烧过程的干扰,许多科学参数不能得到准确的测量,从而影响了我们对煤燃燃烧机理深入、准确的认识。有部分煤燃燃烧实验通过短暂的落塔进行,因其产生微重力时间的限制,实验样品种类和燃烧时间受到限制。无疑,太空这样完美的微重力环境,能为煤燃烧的机理研究提供理想的平台,有助于深入理解煤燃烧过程,提高我国煤炭燃烧效率,更好实现节能减排和减少雾霾。“实践十号”卫星的太空煤燃烧项目为我们提供了研究无重力干扰下煤燃烧过程的途径,本文也是基于此项目工作,针对上天微重力实验进行了相关设计工作和研究。首先,本文对国内外进行的微重力下煤燃烧实验研究进行了概述。在之前学者研究的基础上,针对“实践十号”项目对上天微重力实验系统进行了方案设计、风险分析和设计验证工作。其次,利用数值模拟对微重力实验系统的加热炉保温性能进行了模拟和设计优化,并给出合理建议;通过对加热炉加热过程模拟,确定了上天实验的加热功率,结果表明在可接受最大功率下,提高加热功率可较大幅度的缩短加热时间,同时降低总能耗;对无重力下的煤粉均匀化过程进行了模拟,初步研究了煤粉的无重力均匀化过程,为上天实验现象及均匀化时间的确定提供了依据,模拟表明20分钟左右的均匀化时间有助于得到良好的煤粉颗粒群,从而有助于进行良好的无重力下火焰传播实验。最后,对拟实验样品进行了热重分析,并利用上天设备进行了煤粒样品的地面匹配实验,通过实验我们可以推测在自然对流都几乎没有的微重力环境中,煤粒难以完全燃尽,观测到的可能是部分氧化的现象。同时,还利用北京中科院力学所落塔进行了煤颗粒的燃烧实验。实验表明,微重力对煤粒燃烧影响的两个因素——热量传递和物质输送中,传质是影响燃烧过程的主要因素。