CN108061790A - 火星土壤光热取水的地面模拟试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统及试验方法，能够对火星地表温度、气压和光照环境下土壤取水的情况进行地面模拟试验。本发明的试验系统能够进行火星地表温度、气压和光照环境下土壤取水的地面模拟，并开展不同含水量的模拟火星土壤光热取水的地面试验。本发明所述试验系统在取水罩内的模拟火星土壤、取水罩外的模拟火星土壤上均设有温度传感器和湿度传感器，取水罩内外的模拟火星大气中均悬挂有温度传感器、湿度传感器，对试验情况进行监控，以确保试验系统正常运转。本发明的试验系统的试验方法简单、可实现。

Description

火星土壤光热取水的地面模拟试验系统及试验方法

技术领域

本发明涉及空间环境模拟技术领域，具体是火星土壤光热取水的地面试验模拟系统以及火星土壤光热取水的地面模拟试验系统的试验方法。

背景技术

中国火星探测任务是我国深空探测的重要方向，中国火星探测任务已立项开展，未来的载人火星探测对从火星上获取水的技术提出了需求。在火星气压和温度条件下，纯净的水不能以液态方式存在。火星极区附近土壤中存在大量水冰，赤道附近土壤中水含量约为3～8wt.％，而60°纬度约40wt.％以上。从火星土壤中取水对于载人火星探测具有重要意义。因此进行火星土壤取水的地面仿真试验具有非常重要的意义。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统及试验方法，能够对火星地表温度、气压和光照环境下土壤取水的情况进行地面模拟试验。

本发明的火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，包括环境模拟容器、通气管道抽气组件、温控元件、光源模块、模拟火星土壤、模拟火星大气、取水罩、冷凝集水器、拉力传感器以及数据记录仪；

所述环境模拟容器上设有通气口和阀门，阀门用于控制通气口的打开与闭合，其他部分密闭；

所述模拟火星大气分布在环境模拟容器中，所述模拟火星土壤放置在环境模拟容器底部；

所述抽气组件与环境模拟容器的通气口连接，对环境模拟容器内部进行抽气；

所述温控元件设置在环境模拟容器上，对环境模拟容器内部的模拟火星土壤和模拟火星大气给予温度控制；

所述光源模块用于产生光源，所述光源照射在环境模拟容器上；所述光源模块位置、出光角度和出光强度可调节；

所述取水罩设置在模拟火星土壤上，所述取水罩顶部设有开孔，所述冷凝集水器通过开孔嵌入取水罩中，所述冷凝集水器的冷凝端暴露于取水罩内部，另一端置于取水罩外部并通过拉力传感器与环境模拟容器顶部连接，所述拉力传感器输出采集数据到数据记录仪；

所述数据记录仪用于显示并记录传感器数据。

其中，所述试验系统还包括温度传感器以及湿度传感器；

在取水罩内的模拟火星土壤、取水罩外的模拟火星土壤上均设有温度传感器和湿度传感器，取水罩内外的模拟火星大气中均悬挂有温度传感器、湿度传感器；

各温度传感器以及湿度传感器均输出采集数据到数据记录仪。

较佳地，各传感器通过导线与数据记录仪连接，所述导线通过通气口穿出环境模拟容器，连接至数据记录仪。

其中，所述模拟火星大气为CO₂气体。

较佳地，所述光源模块包括氙灯、扩束器以及滤光片组，所述光源为氙灯发出的光线经扩束器以及滤光片组后出射的光，所述滤光片组的吸收特征为真实火星大气或CO₂的吸收特征。

其中，所述环境模拟容器由石英玻璃制成。

较佳地，所述取水罩由透明聚乙烯制成。

较佳地，所述温控元件为半导体制冷片或低温恒温槽。

其中，所述通气口中设有通气管道，通气管道上设有导线口以及抽气/压力监测接口，所述导线通过导线口穿出环境模拟容器，所述抽气组件通过抽气/压力监测接口与通气口连接。

采用本发明所述火星土壤光热取水的地面模拟试验系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将模拟火星土壤的含水量调到特定值，放入环境模拟容器；搭建整个地面模拟试验系统，对模拟火星土壤及模拟火星大气进行初步温控；

步骤2，打开阀门，通过通气口向环境模拟容器中充满CO₂气体；然后用抽气组件对环境模拟容器进行抽气，将环境模拟容器中的气压控制在1mbar—7mbar之间，关闭阀门；

步骤3，参照真实火星表层气温与地温的实测数据之差，控制温控元件实现对模拟火星土壤的温度的控制；

步骤4，打开光源模块，光源照射在环境模拟容器上；根据模拟要求调整光源模块位置、出光角度和出光强度，将光源辐照度控制在493W/m²—717W/m²之间；

步骤5，再次对环境模拟容器进行抽气，待温度和气压重新稳定后停止抽气，关闭阀门；

步骤6，开启冷凝集水器，开始采集并记录所有传感器的数据；

步骤7，试验结束后，关闭环境模拟容器内所有设备，关闭光源模块，对环境模拟容器进行复压处理，完成试验。

有益效果：

本发明的试验系统能够进行火星地表温度、气压和光照环境下土壤取水的地面模拟，并开展不同含水量的模拟火星土壤光热取水的地面试验。

本发明所述试验系统在取水罩内的模拟火星土壤、取水罩外的模拟火星土壤上均设有温度传感器和湿度传感器，取水罩内外的模拟火星大气中均悬挂有温度传感器、湿度传感器，对试验情况进行监控，以确保试验系统正常运转。

本发明的试验系统的试验方法简单、可实现。

附图说明

图1为本发明火星土壤光热取水地面模拟试验系统的整体示意图。

图2为本发明火星土壤光热取水地面模拟试验系统的整体主视图。

其中：1－火星土壤制冷器，2－环境模拟容器下半部，3－模拟火星土壤，4－透明聚乙烯取水罩，5－拉力传感器，6—冷凝集水器，7－第一温度传感器，8－第二温度传感器，9－第一土壤湿度传感器，10－第二土壤湿度传感器，11－模拟火星大气制冷器，12－第一温/湿度传感器，13－第二温/湿度传感器，14－环境模拟容器上半部，15－法兰，16－导线口，17－数据记录仪，18－抽气/压力监测接口，19－氙灯，20－扩束器，21－滤光片组，22－遮光片，23－照度计，24－阀门。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

根据已知的火星参数以及火星含水量参考图，在地面进行火星土壤取水的地面仿真试验，得到在不同的火星地表温度、气压、光照环境以及季节情况下取水条件与取水量的关系，确定在火星上取水可行的季节、取水的位置和维度以及相关取水条件，对于在真实火星上开展取水工作具有重大意义。

本发明提供了一套火星地表温度、气压和光照环境下土壤取水的地面模拟试验系统以及一种利用该系统开展火星土壤取水的相关试验方法，能够模拟火星环境，并开展不同含水量模拟火星土壤光热取水的地面试验。

如图1和图2所示，本发明所述系统包括环境模拟容器、抽气组件、温控元件、光源模块、模拟火星土壤、模拟火星大气、透明聚乙烯取水罩、冷凝集水器、拉力传感器、温度传感器以及湿度传感器。

环境模拟容器由石英玻璃制成，具有良好的紫外-可见透光性。

环境模拟容器上设有通气口，其他部分密闭；其中通气口中设有通气管道，通气管道上设有导线口16、抽气/压力监测接口18以及阀门24；阀门24控制通气管道的打开与闭合。

所述模拟火星大气分布在环境模拟容器中；模拟火星土壤和模拟火星大气均在市场上有销售，由于真实火星大气的主要成分是CO₂，本实施例中的模拟火星大气采用CO₂气体。

所述抽气组件通过抽气/压力监测接口18与环境模拟容器的通气口连接，抽气组件对环境模拟容器内部进行抽气；

所述温控元件设置在环境模拟容器上，对环境模拟容器内部的模拟火星土壤和模拟火星大气给予温度控制；本实施例中温控元件为半导体制冷片，包括火星土壤制冷器1和模拟火星大气制冷器11，如图1所示，在环境模拟容器外部设有火星土壤制冷器1和模拟火星大气制冷器11，对环境模拟容器内部的模拟火星土壤和模拟火星大气给予温度控制，消除环境模拟容器自身的温室效应。温控元件也可以采用其他元件，比如采用低温恒温槽对模拟火星土壤和模拟火星大气进行冷却，以低温恒温槽中附带的管道将环境模拟容器底部缠绕包围，将环境模拟容器内气体以管道引出，用气泵进行循环，管道接入换热器，实现对模拟火星土壤和模拟火星大气的冷却。

所述光源模块用于产生光源，所述光源照射在环境模拟容器上；所述光源模块位置、出光角度和出光强度可调节；

其中，光源模块包括氙灯、扩束器以及滤光片组，光源为氙灯19发出的光线经扩束器20后出射的光，扩束器20扩束后的光斑应覆盖整个环境模拟容器；为更好的模拟真实火星大气，在扩束器20扩束后设置滤光片组21，其中滤光片组21的吸收特征为真实火星大气的吸收特征，使得照射到环境模拟容器上的光源接近于穿过真实火星大气层的光源。由于真实火星大气的主要成分是CO₂，滤光片组的吸收特征能基本模拟真实火星大气中CO₂的吸收特征即可，即滤光片组21的吸收特征为CO₂的吸收特征；所述抽气组件、温控元件以及光源模块分别用于控制环境模拟容器内的气压、温度及光照环境，通过控制实现环境模拟容器内温度在213K—300K之间可控、压力在1mbar—7mbar之间可控以及光源的辐照度在493W/m²—717W/m²之间可控。基于抽气组件、温控元件以及光照控制模块实现对火星环境的模拟，环境模拟容器内环境相当于火星环境。

模拟火星土壤3放置在环境模拟容器底部，模拟火星土壤3的含水量在3wt.％—40wt.％之间可调。透明聚乙烯取水罩4设置在模拟火星土壤3上。透明聚乙烯取水罩4顶部设有开孔，冷凝集水器6通过开孔嵌入透明聚乙烯取水罩4中，冷凝集水器6与透明聚乙烯取水罩4的聚乙烯薄膜紧密贴合，冷凝集水器6冷凝端暴露于透明聚乙烯取水罩4内部，另一端置于透明聚乙烯取水罩4外部并通过拉力传感器6与环境模拟容器顶部连接。

第一温度传感器7和第一土壤湿度传感器9放置在透明聚乙烯取水罩4内的模拟火星土壤3上，第二温度传感器8和第二土壤湿度传感器10放置在透明聚乙烯取水罩4外的模拟火星土壤3上，第一温/湿度传感器12和第二温/湿度传感器13分别悬挂在透明聚乙烯取水罩4内外的模拟火星大气中。

冷凝集水器6收集的水量由拉力传感器5以电信号的形式监测，透明聚乙烯罩4内外温/湿度由第一温/湿度传感器12和第二温/湿度传感器13以电信号的形式监测。

各模块和传感器通过导线与数据记录仪17连接；所述导线通过通气管道上的导线口16穿出环境模拟容器，连接至数据记录仪17；

所述数据记录仪17用于显示并记录各模块和传感器的实时数据；

试验时，根据数据记录仪17显示的实时数据观测试验系统的运转状态，试验完成后，可以对数据记录仪17记录的数据进行分析，研究火星环境参数与火星取水量的关系。通过分析拉力传感器数据，可以获得取水罩取水极限时长，在实际火星取水中，可以根据取水极限时长，在一片土壤取水一定时间后，移动取水罩，进行下一片土壤的取水。

本发明系统可以实现火星地表取水情况的地面等效模拟：通过调节光源模块调节辐照度、光源角度模拟火星不同季节和维度，通过调节模拟火星土壤湿度模拟不同含水量的火星土壤，通过温控元件调节模拟火星土壤和模拟火星大气的温度模拟不同的火星气候，通过抽气组件调节模拟火星大气的压力模拟不同的火星大气压。光源辐射产生的温室效应加热取水罩内部火星土壤，使水分蒸发，冷凝集水器通过冷凝实现对水分的收集，冷凝集水器上收集的水是霜的形式。拉力传感器与冷凝集水器连接，通过拉力传感器测得不同火星大气压及温度条件下冷凝集水器上收集的水量。

对于采用本发明所述系统的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，将模拟火星土壤的含水量调到特定值，放入环境模拟容器；搭建整个地面模拟试验系统，对模拟火星土壤及模拟火星大气进行初步温控；

步骤2，打开阀门，通过通气口向环境模拟容器中充满CO₂气体；然后用抽气组件对环境模拟容器进行抽气，将环境模拟容器中的气压控制在1mbar—7mbar之间，关闭阀门；

步骤3，依据取水罩外的模拟火星土壤上温度传感器的实测温度，参照真实火星表层气温与地温的实测数据之差，控制温控元件实现对模拟火星土壤的温度的控制；

步骤4，打开光源模块，光源照射在环境模拟容器上；根据模拟要求(一般按火星日照情况)调整光源模块位置、出光角度和出光强度，将光源辐照度控制在493W/m²—717W/m²之间；

步骤5，再次对环境模拟容器进行抽气，待温度和气压重新稳定后停止抽气，关闭阀门；

步骤6，打开环境模拟容器内所有设备，开始采集并记录所有传感器的数据；

步骤7，试验结束后，关闭环境模拟容器内所有设备，关闭光源模块，对环境模拟容器进行复压处理，完成试验。

试验过程中，温控元件保持持续工作状态。

列举一个包含本发明系统搭建流程的具体实施例如下，包括如下步骤：

步骤1，将火星土壤制冷器1粘贴在环境模拟容器2外底部，粘贴间隙涂覆低温导热胶；

步骤2，将模拟火星土壤3的含水量调制到3wt.％—40wt.％之间的特定值并铺在环境模拟容器下半部2内；

步骤3，在透明聚乙烯取水罩4顶部开孔，将冷凝集水器6冷凝端嵌入透明聚乙烯取水罩中；保证冷凝集水器6与透明聚乙烯取水罩的聚乙烯薄膜紧密贴合，冷凝集水器6冷凝端暴露于透明聚乙烯取水罩4内部，另一端置于透明聚乙烯取水罩4外部并通过拉力传感器6与环境模拟容器顶部连接；

步骤4，在透明聚乙烯取水罩4内的模拟火星土壤3上放置第一温度传感器7和第一土壤湿度传感器9，在透明聚乙烯取水罩4外的模拟火星土壤3上放置第二温度传感器8和第二土壤湿度传感器10，在透明聚乙烯取水罩4内外的模拟火星大气中分别悬挂第一温/湿度传感器12和第二温/湿度传感器13；

步骤5，在环境模拟容器外壁粘贴模拟火星大气制冷器11，粘贴间隙涂覆低温导热胶；

步骤6，将各传感器通过导线与数据记录仪连接，导线通过导线口16穿出环境模拟容器，连接至数据记录仪17，由数据记录仪17进行数据显示采集和监测；

步骤7，将环境模拟容器上半部14与下半部2用法兰18连接；

步骤8，将光源模块固定在铁架台上，每T小时(根据实验精度要求调整T)调节一次铁架台位置、光源仰角和辐照度，使之符合日照情况；

步骤9，由火星土壤制冷器1控制模拟火星土壤3的温度，由第二温度传感器8监测模拟火星土壤3的表面温度，传递到数据记录仪17，依据数据记录仪17的显示温度，控制火星土壤制冷器1的运行，最终将模拟火星土壤3的温度控制在213K—300K之间，透明聚乙烯取水罩内部温度由第一温度传感器7检测并传给数据记录仪17记录；

步骤10，通过抽气/压力监测接口18将环境模拟容器中充满CO₂气体并抽气，环境模拟容器中的气压可控在1mbar—7mbar之间；

步骤11，由模拟火星大气制冷器11控制环境模拟容器内部空间的气体温度，由第二温/湿度传感器13测定，传递到数据记录仪17，依据数据记录仪17的显示温度，控制模拟火星大气制冷器11的运行，最终将模拟火星土壤3的温度控制在与第二温度传感器8的温度保持一定温度差，该温度差参照真实火星表层气温与地温的实测数据；火星地温即火星土壤温度，真实火星土壤温度在零下70度(213K)左右；

步骤13，打开氙灯19，光线经过扩束器20，再经过滤光片组21后照射环境模拟容器上部14，辐照度由照度计23检测，待氙灯19稳定后将辐照度控制在493W/m²—717W/m²之间，移去遮光片22；

步骤14，由于光源的照射会造成环境模拟容器内部物品吸热，气压和温度会发生改变，所以在开始照射之后还需再次抽气，并需使火星土壤制冷器1和模拟火星大气制冷器11持续工作。待第二温度传感器8和气压重新稳定后停止抽气，关闭阀门24；

步骤15，打开拉力传感器5，开始采集所有传感器的数据，打开冷凝集水器6；

步骤16，试验结束后，关闭环境模拟容器内所有设备，关闭氙灯19，对试验系统进行复压处理。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，包括环境模拟容器、通气管道抽气组件、温控元件、光源模块、模拟火星土壤、模拟火星大气、取水罩、冷凝集水器、拉力传感器以及数据记录仪；

所述环境模拟容器上设有通气口和阀门，阀门用于控制通气口的打开与闭合，其他部分密闭；

所述模拟火星大气分布在环境模拟容器中，所述模拟火星土壤放置在环境模拟容器底部；

所述抽气组件与环境模拟容器的通气口连接，对环境模拟容器内部进行抽气；

所述温控元件设置在环境模拟容器上，对环境模拟容器内部的模拟火星土壤和模拟火星大气给予温度控制；

所述光源模块用于产生光源，所述光源照射在环境模拟容器上；所述光源模块位置、出光角度和出光强度可调节；

所述取水罩设置在模拟火星土壤上，所述取水罩顶部设有开孔，所述冷凝集水器通过开孔嵌入取水罩中，所述冷凝集水器的冷凝端暴露于取水罩内部，另一端置于取水罩外部并通过拉力传感器与环境模拟容器顶部连接，所述拉力传感器输出采集数据到数据记录仪；

所述数据记录仪用于显示并记录传感器数据。

2.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述试验系统还包括温度传感器以及湿度传感器；

在取水罩内的模拟火星土壤、取水罩外的模拟火星土壤上均设有温度传感器和湿度传感器，取水罩内外的模拟火星大气中均悬挂有温度传感器、湿度传感器；

各温度传感器以及湿度传感器均输出采集数据到数据记录仪。

3.如权利要求2所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，所述各传感器通过导线与数据记录仪连接，所述导线通过通气口穿出环境模拟容器，连接至数据记录仪。

4.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述模拟火星大气为CO₂气体。

5.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述光源模块包括氙灯、扩束器以及滤光片组，所述光源为氙灯发出的光线经扩束器以及滤光片组后出射的光，所述滤光片组的吸收特征为真实火星大气或CO₂的吸收特征。

6.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述环境模拟容器由石英玻璃制成。

7.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述取水罩由透明聚乙烯制成。

8.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述温控元件为半导体制冷片或低温恒温槽。

9.如权利要求1所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统，其特征在于，所述通气口中设有通气管道，通气管道上设有导线口以及抽气/压力监测接口，所述导线通过导线口穿出环境模拟容器，所述抽气组件通过抽气/压力监测接口与通气口连接。

10.如权利要求1-9任一权利要求所述的一种火星土壤光热取水的地面模拟试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将模拟火星土壤的含水量调到特定值，放入环境模拟容器；搭建整个地面模拟试验系统，对模拟火星土壤及模拟火星大气进行初步温控；

步骤2，打开阀门，通过通气口向环境模拟容器中充满CO₂气体；然后用抽气组件对环境模拟容器进行抽气，将环境模拟容器中的气压控制在1mbar—7mbar之间，关闭阀门；

步骤3，参照真实火星表层气温与地温的实测数据之差，控制温控元件实现对模拟火星土壤的温度的控制；

步骤4，打开光源模块，光源照射在环境模拟容器上；根据模拟要求调整光源模块位置、出光角度和出光强度，将光源辐照度控制在493W/m²—717W/m²之间；

步骤5，再次对环境模拟容器进行抽气，待温度和气压重新稳定后停止抽气，关闭阀门；

步骤6，开启冷凝集水器，开始采集并记录所有传感器的数据；

步骤7，试验结束后，关闭环境模拟容器内所有设备，关闭光源模块，对环境模拟容器进行复压处理，完成试验。