用于模拟火星表面旋流和尘暴环境效应的模拟装置

技术领域

本发明涉及一种模拟装置，属于航空航天领域。

背景技术

深空探测是人类未来航天活动的热点发展发向之一；火星是太阳系中与地球性质最为接近的行星，被认为是太阳系八大行星中唯一可能存在生命的星球，也是除月球之外载人深空探测的首选目标，人类对于火星的探索从未停止；从上世纪60年代起，美国、俄罗斯、欧洲、日本及印度先后展开了火星探测任务。

为了满足火星环境的实验研究、验证理论分析和数值预测方法，20世纪80年代以来，美国、欧洲、日本相继建设了火星风洞，模拟火星表面大气环境，开展火星风和风蚀过程等研究工作；国内在亚声速低密度风洞领域尚属空白状态，火星尘暴环境模拟装置的研究和建设对于中国火星探测任务具有重要意义。

火星大气成分95.3％二氧化碳、2.7％氮气、1.6％氩气及少量其它气体成分。表面平均气压仅为700Pa，重力值为地球的40％；火星地表非常粗糙，在火星昼夜交替的过程中，由于温度的升降变化而导致火星风的发生；当风速超过一定规模并保持一定的时间时，就形成了火星尘暴；不同区域的风速存在较大差异，白天平均风速为6-8m/s，尘暴时风速可以达到100m/s；虽然现有一些火星环境模拟器能够模拟火星尘暴环境，但这些火星模拟器所模拟的火星尘暴环境效果较差，与实际所需模拟的火星尘暴环境相差较大。

发明内容

本发明为解决现有火星模拟器所模拟的火星尘暴环境效果较差，与实际所需模拟的火星尘暴环境相差较大的问题，进而提出用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括压力罐、二自由度转台、引射器、粉尘吸收组件、粉尘喷射系统和液氮注入组件；二自由度转台和引射器并排设置在压力罐内，所述粉尘吸收组件与压力罐的抽真空口连接，所述粉尘喷射系统压力罐下部左侧入口连接，所述液氮注入组件与压力罐下部右侧入口连接。

进一步的，所述粉尘吸收组件包括粉尘吸收器和真空泵组；粉尘吸收器通过管路与真空泵组连通，粉尘吸收器与压力罐的抽真空口连通。

进一步的，所述粉尘吸收组件还包括控制阀组，控制阀组安装在粉尘吸收器与真空泵组之间的管路上。

进一步的，所述粉尘喷射系统包括文丘里喷射器、供料组件、第一稳压罐、二氧化碳气体罐、汽化器和液体二氧化碳储罐；文丘里喷射器的气体进口与第一稳压罐的出口连接，第一稳压罐的进口与二氧化碳气体罐的出口连接，二氧化碳气体罐的进口通过汽化器与液体二氧化碳储罐的出口连接，所述供料组件的出料口与文丘里喷射器的进料口连接，文丘里喷射器的喷口与压力罐连通。

进一步的，所述供料组件包括储料仓、螺旋喂料器和流量秤；储料仓的出口与螺旋喂料器的进口连接，螺旋喂料器的出口与文丘里喷射器的进料口连接，流量秤设置在螺旋喂料器的出口与文丘里喷射器的进料口之间。

进一步的，所述粉尘喷射系统还包括第一压力表、第二压力表、第三压力表和第四压力表；第一压力表安装在第一稳压罐的出口与文丘里喷射器的气体进口连接的管路上，第二压力表安装在第一稳压罐的进口与二氧化碳气体罐的出口连接的管路上，第三压力表安装在二氧化碳气体罐与汽化器之间连接的管路上，第四压力表安装在汽化器与液体二氧化碳储罐之间连接的管路上。

进一步的，所述粉尘喷射系统还包括减压阀、第一手动阀和第二手动阀；减压阀和第一手动阀安装在第一稳压罐的出口与文丘里喷射器的气体进口连接的管路上，第二手动阀安装在汽化器与液体二氧化碳储罐之间连接的管路上。

进一步的，所述液氮注入组件包括第二稳压罐、过冷器和液氮储罐；第二稳压罐的出口与压力罐的液氮入口连接，第二稳压罐的进口通过过冷器与液氮储罐的出口连接。

进一步的，第五压力表和第三手动阀；第五压力表和第三手动阀安装在过冷器与液氮储罐之间连接的管路上。

进一步的，压力罐上还设有多个观察窗。

本发明的有益效果是：本发明通过多孔引射产生高速气流，随后高速气流与低速气体混合产生旋转气流，同时采用沙尘喷射装置，用以模拟火星尘暴中粉尘浓度，在两者基础之上创造一个地面火星表面环境模拟装置；本发明能够对火星尘暴环境进行精准的模拟，使其与火星实际尘暴环境相似度接近99％，方便研究人员对火星表面进行更深入的研究，也为后续各种火星登陆设备提供试验条件。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是压力罐内的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置包括压力罐1、二自由度转台2、引射器3、粉尘吸收组件、粉尘喷射系统和液氮注入组件；二自由度转台2和引射器3并排设置在压力罐1内，所述粉尘吸收组件与压力罐1的抽真空口连接，所述粉尘喷射系统压力罐1下部左侧入口连接，所述液氮注入组件与压力罐1下部右侧入口连接。

本实施方式中引射器3的数量为四个，如图2所示，四个引射器3沿圆周方向均布设置在二自由度转台2的四周。

压力罐1是立式圆柱形压力罐，内直径

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述粉尘吸收组件包括粉尘吸收器4和真空泵组5；粉尘吸收器4通过管路与真空泵组5连通，粉尘吸收器4与压力罐1的抽真空口连通。

粉尘吸收组件的工作步骤为：

步骤一、真空泵组5以大于3400m

步骤二、真空泵组5继续工作，实现压力罐1内气压5Pa工作环境，保压1h，期间压力变化不超过2Pa；

步骤三、真空泵组5退出工作，压力罐1在2h内恢复大气压，噪声低于85dB；

真空泵组5规量程不小于10

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述粉尘吸收组件还包括控制阀组6，控制阀组6安装在粉尘吸收器4与真空泵组5之间的管路上。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述粉尘喷射系统包括文丘里喷射器7、供料组件、第一稳压罐8、二氧化碳气体罐9、汽化器10和液体二氧化碳储罐11；文丘里喷射器7的气体进口与第一稳压罐8的出口连接，第一稳压罐8的进口与二氧化碳气体罐9的出口连接，二氧化碳气体罐9的进口通过汽化器10与液体二氧化碳储罐11的出口连接，所述供料组件的出料口与文丘里喷射器7的进料口连接，文丘里喷射器7的喷口与压力罐1连通。

文丘里喷射器7采用压缩气作为动力源，压缩气的输送速度为15-30m/s，混合比选1：2；

液态二氧化碳注入的过程为：

步骤一、汽化器10以800m

步骤二、电加热器以100m

步骤三、二氧化碳气体罐9对来流气体进行缓冲，控制流量均匀；

液态二氧化碳有效容积≥10m

二氧化碳气体罐9的有效容积≥5m

其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述供料组件包括储料仓12、螺旋喂料器13和流量秤14；储料仓12的出口与螺旋喂料器13的进口连接，螺旋喂料器13的出口与文丘里喷射器7的进料口连接，流量秤14设置在螺旋喂料器13的出口与文丘里喷射器7的进料口之间。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述粉尘喷射系统还包括第一压力表15、第二压力表16、第三压力表17和第四压力表18；第一压力表15安装在第一稳压罐8的出口与文丘里喷射器7的气体进口连接的管路上，第二压力表16安装在第一稳压罐8的进口与二氧化碳气体罐9的出口连接的管路上，第三压力表17安装在二氧化碳气体罐9与汽化器10之间连接的管路上，第四压力表18安装在汽化器10与液体二氧化碳储罐11之间连接的管路上。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述粉尘喷射系统还包括减压阀19、第一手动阀20和第二手动阀21；减压阀19和第一手动阀20安装在第一稳压罐8的出口与文丘里喷射器7的气体进口连接的管路上，第二手动阀21安装在汽化器10与液体二氧化碳储罐11之间连接的管路上。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的所述液氮注入组件包括第二稳压罐22、过冷器23和液氮储罐24；第二稳压罐22的出口与压力罐1的液氮入口连接，第二稳压罐22的进口通过过冷器23与液氮储罐24的出口连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的第五压力表25和第三手动阀26；第五压力表25和第三手动阀26安装在过冷器23与液氮储罐24之间连接的管路上。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于模拟火星地表涡流和尘暴环境效应的模拟装置的压力罐1上还设有多个观察窗27。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

工作原理

本发明的工作步骤如下：

步骤一：粉尘吸收组件的真空泵组5以大于3400m

步骤二：引射器3开始工作，通过多孔引射装置向压力罐1内注入高速气流，使舱内气体产生旋流

步骤三：真空泵组5继续工作，实现压力罐1内气压100Pa工作环境，保压1h，期间压力变化不超过2Pa；

步骤四：粉尘喷射系统开始工作，向罐内注入一定浓度的粉尘；

步骤五：液氮注入组件开始工作，向舱内注入低浓度液氮，实现压力罐1内气体调节；

步骤六：引射器退出工作，气流降速；

步骤七：粉尘喷射系统退出工作，压力罐1内粉尘浓度下降；

步骤八：液氮注入组件退出工作，压力罐1内气温恢复常温；

步骤九：真空泵组5退出工作，压力罐1在2h内恢复大气压，噪声低于85dB。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。