CN102829947A - 一种基于空间稀薄流环境的模拟方法 - Google Patents

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陈思员
梅文龙
俞继军
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Abstract

一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，方法依托的设备包括置于同一腔室内的电子回旋共振源、静电加速板和力/热测量台，电子回旋共振源与静电加速板在同一水平线上；静电加速板与力/热测量台在同一垂直线上；(1)对上述腔室进行抽真空处理，待腔室真空度达到本底真空度后向腔室中通入外行星模拟气体，使腔室内真空度达到工作真空度范围；(2)在电子回旋共振源位置施加水平方向的磁场，并向静电加速板方向输入微波，使得腔内的模拟气体生成等离子体；(3)在电子回旋共振源和静电加速板支架施加电势差，生成模拟空间稀薄流环境；(4)力/热测量台上的电子天平和热电耦，通过对力/热参数的原位测量即可实现对模拟稀薄流环境参数的表征。

Description

一种基于空间稀薄流环境的模拟方法
技术领域
本发明涉及一种空间稀薄流环境的模拟方法，属于深空探测技术领域。
背景技术
深空探测是当前航天事业发展的重要方向。为了使巡航状态的探测器绕外行星(如火星、金星)运行，需要对探测器进行刹车操作。常见的刹车方式有两种：推进器刹车和气动刹车。相对于推进器刹车，气动刹车能够节约40％的燃料损耗，是当前深空探测的主要刹车方式。气动刹车的实现程度直接关系到深空探测任务的成败。
在气动刹车过程中，气动产生的空间稀薄流环境会对探测器产生侵蚀效应。该侵蚀效应会降低探测器的使用性能和寿命，甚至影响深空探测任务的实施。已有的近地轨道环境效应研究表明，稀薄流环境侵蚀效应对探测器的影响因子为7-9，即处于会降低探测器的使用寿命到可能导致飞行任务的失败之间。为了保证深空探测任务的顺利实施，有必要开展气动刹车环境效应的系统研究工作。
目前，气动刹车环境效应的主要研究方式为空间飞行实验和理论计算。空间飞行实验的结果可靠性高，但实验费用昂贵。理论计算费用较低，但必须以空间飞行实验数据为参考。由于空间飞行实验后的探测器元件很难回收，现有的空间飞行实验和理论计算研究还不能实现对气动刹车环境效应的定量表征。该状况大大增加了探测器的设计难度，提高了深空探测任务的费用，进而对深空探测事业的发展造成不利影响。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，该方法得到的薄流环境具有模拟参数(如热流、焓值)连续可调，气动力/热参数可原位测量等特点，能够用于对空间稀薄流环境效应的定量研究。
本发明的技术解决方案是：一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，方法依托的设备包括置于同一腔室内的电子回旋共振源、静电加速板和力/热测量台，电子回旋共振源与静电加速板在同一水平线上；静电加速板与力/热测量台在同一垂直线上；静电加速板表面与水平方向呈30-60度夹角；方法步骤如下：
(1)对上述腔室进行抽真空处理，待腔室真空度达到本底真空度后向腔室中通入外行星模拟气体，使腔室内真空度达到工作真空度范围；
(2)在电子回旋共振源位置施加水平方向的磁场，并向静电加速板方向输入微波，使得腔内的模拟气体生成等离子体；
(3)在电子回旋共振源和静电加速板支架施加电势差，使得步骤(2)生成的等离子体向静电加速板移动并发生碰撞，碰撞后的等离子体束流发生中性化，生成模拟空间稀薄流环境；所述的模拟空间稀薄流环境的焓值通过调节步骤(2)中的微波功率来实现，通过调节上述电势差来改变模拟稀薄流环境的热流；
(4)力/热测量台上的电子天平和热电耦，通过对力/热参数的原位测量即可实现对模拟稀薄流环境参数的表征。
所述步骤(2)中的磁场强度为900-1000高斯，微波源频率为2450MHz，功率为200-1000W。
所述步骤(3)中的电势差为0-10V。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用ECR源作为等离子体发生器，通过离子化-加速-反射的方式模拟稀薄流环境，消除了气体膨胀的影响，模拟得到的稀薄流环境均匀性好。
(2)气动刹车是能够节约40％的燃料损耗，是当前深空探测器的主要刹车方式。在刹车过程中，外形行星大气的稀薄流环境会对探测器产生侵蚀效应，即气动刹车环境效应。现有气动刹车效应的研究方式主要为理论计算，该类研究不能提供的气动环境对空间材料侵蚀效应的定量结果，对探测器设计的支撑力度有限。本发明模拟稀薄流环境参数如热流、焓值等，可以通过微波功率和施加在ECR源-静电加速板间的电势进行分别调节，最大限度地满足了空间稀薄流环境效应的定量研究需求。
(3)本发明在力/热测量台位置设有电子微天平和低温热电耦，能够对模拟稀薄流产生的气动力/热效应进行原位测量。
附图说明
图1本发明提供的空间稀薄流环境模拟方法示意图；
图2为力/热测量台结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明。
图1本发明提供的空间稀薄流环境模拟方法示意图。如图1所示，本发明提供一种空间稀薄流环境的模拟及表征方法，所述模拟及表征方法依托的设备包括电子回旋共振(ECR)源1、静电加速板2和力/热测量台3三部分。ECR源1与静电加速板2在同一水平线上；静电加速板2与力/热测量台3在同一垂直线上。静电加速板2表面与水平方向呈30-60度夹角。静电加速板2为高原子序数的金属，例如钼、钽等。
所述的电子回旋共振源1、静电加速板2、力/热测量台3位于同一真空腔内。真空腔的本底真空度达到5×10-4Pa。工作真空度在1.5×10-2到1.0×10-1Pa之间。电子回旋共振源的磁场强度为900-1000高斯，微波频率为2450MHz，功率为200-1000W。
方法步骤如下：
(1)对图1所示的腔室进行抽真空处理，待腔室真空度达到本底真空度5×10-4Pa后，从左侧通气孔向腔室中通入外行星模拟气体(例如CO2、N2等)。通过调节通入气体流量和抽气速率，使腔室内真空度达到工作真空度范围(1.5×10-2到1.0×10-1Pa)。
(2)在ECR源位置施加水平方向的磁场，磁场强度为900-1000高斯。此时从ECR源位置左侧输入2450MHz的微波，通入的模拟气体就会在磁场和微波的耦合作用下电离，生成的等离子体。
(3)ECR源和静电加速板之间施加0-10V的电势差，ECR源产生的等离子体在磁场和电热差的作用下向静电加速板移动并发生碰撞，碰撞后的等离子体束流发生中性化，生成模拟空间稀薄流环境。
(4)在模拟稀薄流的方向上有力/热测量台，力/热测量台有电子天平和热电耦，(电子天平的精度一般要求10-4～10-5g，热电偶测量温度范围＜200℃，测量精度为1℃)，通过对力/热参数的原位测量即可实现对模拟稀薄流环境参数的表征。力/热测量台的结构如图2所示，力/热测量台主体结构为一个带选择口的腔体，腔体形状不限。腔体选择口的位置为沿垂直方向正对静电加速板，选择口的大小为Φ3-10cm。电子天平和热电耦位于选择口的正下方的样品台上，即电子天平和热电耦与试验样品暴露于同一模拟稀薄流环境中，可以实现气动力测量、气动热测量和样品暴露的同时进行，即原位测量。
(5)模拟稀薄流环境的参数调节：通过调节ECR源处输入的微波功率来改变模拟稀薄流环境的焓值，通过调节ECR源和静电加速板之间的电势差来改变模拟稀薄流环境的热流。由于气动力/热参数为原位测量，所以根据电子天平和热电耦的测量结果可以对稀薄流环境的参数进行实时调节。
将电子回族共振源技术与静电加速技术相结合是模拟稀薄流环境的一种新方法。该方法得到的模拟稀薄流环境参数(如热流、焓值)的宽范围连续调节，最大限度地满足了空间稀薄流环境效应的定量研究需求。
为了进一步说明该模拟方法的可靠性，进行了稀薄流环境参数试验测试工作。在通入流量为5cm3/min的O2状态下，将腔室的真空度调至3×10-2Pa。此时，采用频率为2450MHz功率为500W的微波与980高斯的磁场耦合产生等离子体，并通过静电加速-反射得到模拟空间稀薄流环境。力/热测量台(见图2)的测试表明，气动环境产生的压强为10Pa量级，气动热环境导致样品(Kapton)的温度为80℃。该结果与空间飞行试验相符。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，其特征在于：方法依托的设备包括置于同一腔室内的电子回旋共振源、静电加速板和力/热测量台，电子回旋共振源与静电加速板在同一水平线上；静电加速板与力/热测量台在同一垂直线上；静电加速板表面与水平方向呈30-60度夹角；方法步骤如下：
(1)对上述腔室进行抽真空处理，待腔室真空度达到本底真空度后向腔室中通入外行星模拟气体，使腔室内真空度达到工作真空度范围；
(2)在电子回旋共振源位置施加水平方向的磁场，并向静电加速板方向输入微波，使得腔内的模拟气体生成等离子体；
(3)在电子回旋共振源和静电加速板支架施加电势差，使得步骤(2)生成的等离子体向静电加速板移动并发生碰撞，碰撞后的等离子体束流发生中性化，生成模拟空间稀薄流环境；所述的模拟空间稀薄流环境的焓值通过调节步骤(2)中的微波功率来实现，通过调节上述电势差来改变模拟稀薄流环境的热流；
(4)力/热测量台上的电子天平和热电耦，通过对力/热参数的原位测量即可实现对模拟稀薄流环境参数的表征。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)中的磁场强度为900-1000高斯，微波源频率为2450MHz，功率为200-1000W。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间稀薄流环境的模拟方法，其特征在于：所述步骤(3)中的电势差为0-10V。
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