CN108195607A - 一种火星表面环境模拟试验装置及方法 - Google Patents

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赵燕
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韩磊
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孟宁飞
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Abstract

本发明属于航天设备测试技术领域，涉及到一种火星表面环境模拟试验装置及方法。本发明火星表面环境模拟试验装置真实地模拟火星表面的低压、低温和二氧化碳环境，对待测产品进行性能测试，避免产品进入火星出现不适应造成巨额损失。火星表面环境模拟试验装置，包括真空罐体、抽真空系统、真空测量系统、温度调节系统和二氧化碳注入系统；抽真空系统、真空测量系统和温度调节系统分别与真空罐体连接；真空罐体内设有热沉；温度调节系统包括加热系统和降温系统；抽真空系统用于降低或升高真空罐体内的压力；真空测量系统用于测量真空罐体内部压力；降温系统用于对真空罐体内部进行降温，加热系统位于真空罐体内，用于对被测产品进行加热。

Description

一种火星表面环境模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于航天设备测试技术领域，涉及到一种火星表面环境模拟试验装置及方法。
背景技术
火星是太阳系八大行星之一，是太阳系由内往外数的第四颗行星，地球距离火星的距离约为5500万千米，火星基本上是沙漠行星，地表沙丘、砾石遍布且没有稳定的液态水体，火星上以二氧化碳为主的大气既稀薄又寒冷，沙尘悬浮其中，每年常有尘暴发生。火星两极皆有水冰与干冰组成的极冠会随着季节消长。在人类的实际探索中发现火星对于人类探索有以下意义：1)火星是地球上人类可以探索的最近行星；2)大约40亿年以前,火星与地球气候相似，也有河流、湖泊甚至可能还有海洋,未知的原因使得火星变成今天这个模样，探索使火星气候变化的原因，对保护地球的气候条件具有重大意义；3)火星有一个巨大的臭氧洞,太阳紫外线没遮拦地照射到火星上，火星研究有助于了解地球臭氧层一旦消失对地球的极端后果；4)在火星上寻找历史上曾经有过的生命化石，这是行星探测中最激动人心的目的之一,如果找到，就意味着只要条件许可生命就能在宇宙中行星上崛起。
基于以上原因，火星探测变得尤为重要。
但是，火星表面的气候恶劣，火星大气层的主要成分是二氧化碳，其次是氮、氩，此外还有少量的氧和水蒸气。火星大气层与地球大气层都有氮存在，这是火星与地球最大的相似之处。火星大气的密度不到地球大气的百分之一，表面大气压500～700帕。火星的轨道是椭圆形。因此，在接受太阳照射的地方，近日点和远日点之间的温差将近160℃。这对火星的气候产生巨大的影响。火星上的平均温度大约为-55℃，但是却具有从冬天的-133℃到夏日白天的27℃的跨度。因此火星探测在温度和压力方面相较于目前发射的航天器主要有以下不同：1)航天器所在轨道的压力一般低于10-4Pa，而火星表面的压力高达500Pa～700Pa；2)火星表面温度低至-133℃，在这样低的温度模拟500Pa～700Pa的压力变得异常困难。因为在500Pa～700Pa的环境下，如果温度较低会产生结霜，对火星探测器形成致命伤害，低气压试验箱的最低温度只能达到-70℃，对于-133℃的低温是无能为力的。
我国目前还没有开展火星表面温度、压力的综合模拟研究工作。
发明内容
本发明的目的在于提出一种火星表面环境模拟试验装置，该试验装置可以模拟火星表面的温度、压力环境，对要进入火星的产品进行测试。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种火星表面环境模拟试验装置，其特殊之处在于，
包括：真空罐体、抽真空系统、真空测量系统、温度调节系统和二氧化碳注入系统；
抽真空系统、真空测量系统和温度调节系统分别与真空罐体连接；真空罐体内设有热沉；
温度调节系统包括加热系统和降温系统；
抽真空系统用于降低或升高真空罐体内的压力；真空测量系统用于测量真空罐体内部压力；降温系统用于对真空罐体内部进行降温，加热系统位于真空罐体内，用于对被测产品进行加热；
降温系统包括液氮管路，液氮管路穿过真空罐体；液氮管路的一端为液氮进口，另一端为液氮出口；液氮进口和液氮入口均与热沉连接。
以上为本发明的基本结构，基于该基本结构，本发明还做出以下优化改进：
进一步地，上述二氧化碳注入系统包括二氧化碳注入口、二氧化碳质量流量计；二氧化碳注入口与二氧化碳质量流量计连接，二氧化碳质量流量计与真空罐体连接。
进一步地，上述二氧化碳注入系统还包括缓冲平衡板和二氧化碳喷射板；二氧化碳喷射板位于缓冲平衡板的下方；缓冲平衡板上表面设有多条纵横交错的流道，多条流道纵横交错后在缓冲平衡板上形成多个凸起，凸起上设有贯穿缓冲平衡板的通道；缓冲平衡板用于使注入的二氧化碳达到浓度和压力均匀、稳定；二氧化碳喷射板上设有多个注入孔；二氧化碳喷射板用于使二氧化碳均匀、稳定喷射进真空罐体内。
进一步地，上述加热系统包括红外加热笼和程控电源。
进一步地，上述真空抽气系统包括机械干泵、插板阀和真空球阀；插板阀与真空罐体连接，机械干泵通过真空球阀与插板阀连接。
进一步地，上述真空测量系统包括真空绝压压力变送器和薄膜真空规。
进一步地，上述薄膜真空规的数量为三个，分别位于真空罐体的上方、左方和右方。
另外，本发明还提出一种上述火星表面环境模拟试验方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)试验前准备，检查装置电力、冷却循环水、压缩空气是否正常；
2)将待测产品放置在真空罐体内载物平台上，然后再给待测产品扣上红外加热笼；
3)关闭插板阀和真空球阀，启动机械干泵，然后打开插板阀，逐步打开真空球阀，真空罐体内压力开始下降，使用真空绝压压力变送器采集真空罐内的压力；
4)当真空罐体内的压力低于1000帕时，使用薄膜真空规采集真空罐体内部压力；
5)当薄膜真空规采集真空罐体内压力同时在500帕～700帕的压力值时，将真空球阀开度逐渐减小，通过二氧化碳注入口和二氧化碳质量流量计向真空罐体内注入二氧化碳，二氧化碳经过缓冲平衡槽和二氧化碳喷射板向真空罐内喷射二氧化碳，以此模拟火星表面的二氧化碳气体环境；
6)利用机械干泵抽除真空罐体内充入二氧化碳，当抽气速率和充气速率相等时，真空罐压力达到动态平衡；
7)从液氮入口通入液氮，在热沉中循环后从液氮出口排出，液氮温度可以达到-173℃，试验产品温度会逐渐降低，开启红外加热笼对产品加热，控制程控电源温度设置在-133℃，热沉冷背景使参试产品降温，红外加热笼对产品加热，两者相互作用使参试产品稳定在-133℃；
8)按照试验要求规定的时间完成试验后，热沉温度恢复至常温，试验产品温度也恢复至常温，关闭二氧化碳质量流量计，关闭插板阀和真空球阀，关闭机械干泵，真空罐体复压，打开仓门，取出试验产品。
本发明的优点：
1、本发明真实地模拟火星表面的低压、低温和二氧化碳环境，对待测产品进行性能测试，避免产品进入火星出现不适应造成巨额损失；
2、本发明在真空罐体上方，左侧、右侧同时采集压力，提高数据准确性；
3、本发明设计的缓冲平衡板使二氧化碳气体浓度更加均匀，且气体从二氧化碳喷射板从顶部大面积喷射，使试验产品浸渍在二氧化碳气体的包围中，准确模拟探测器在火星上的二氧化碳气体环境；
4、本发明采用动态平衡原理使真空罐体内的二氧化碳压力维持稳定，避免不必要的压力波动。
附图说明
图1为本发明模拟试验装置的整体结构图；
图2为本发明缓冲平衡板的结构图；
图3为图2的A-A方向剖视图；
图4为本发明二氧化碳喷射板的结构图。
其中，1-真空罐体；2-液氮管路；3-二氧化碳质量流量计；4-缓冲平衡板；5-二氧化碳喷射板；6-红外加热笼；7-机械干泵；8-插板阀；9-真空球阀；10-真空绝压压力变送器；11-薄膜真空规；12-载物平台；13-热沉。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-图4，一种火星表面环境模拟试验装置，包括真空罐体1、抽真空系统、真空测量系统、温度调节系统和二氧化碳注入系统。
真空罐体1上设有仓门，用于取放待测产品；真空罐体1内还设有载物平台12，待测产品放在载物平台12上；真空罐体1还设有热沉13。抽真空系统、真空测量系统和温度调节系统分别与真空罐体1连接；温度调节系统包括加热系统和降温系统；抽真空系统用于降低或升高真空罐体1内的压力；真空测量系统用于测量真空罐体1内部压力；降温系统用于对真空罐体1内部进行降温；降温系统包括液氮管路2，液氮管路2穿过真空罐体1；液氮管路2的一端为液氮进口，另一端为液氮出口；液氮进口和液氮入口均与热沉13连接；加热系统包括红外加热笼6，位于真空罐体1内，用于对被测产品进行加热。
二氧化碳注入系统包括二氧化碳注入口、二氧化碳质量流量计3；二氧化碳注入口与二氧化碳质量流量计3连接，二氧化碳质量流量计3与真空罐体1的上部连接。
参见图2-图4，二氧化碳注入系统还包括缓冲平衡板4和二氧化碳喷射板5；二氧化碳喷射板5位于缓冲平衡板4的下方；二氧化碳从二氧化碳质量流量计3流出后，先进入缓冲平衡板4，再从二氧化碳喷射板5均匀注入真空罐体1内。缓冲平衡板4上表面设有多条纵横交错的流道，多条流道纵横交错后在缓冲平衡板4上形成多个凸起，凸起上设有贯穿缓冲平衡板4的通道；缓冲平衡板4用于使注入的二氧化碳达到浓度和压力均匀、稳定；二氧化碳喷射板5上设有多个注入孔；二氧化碳喷射板5用于使二氧化碳均匀、稳定喷射进真空罐体1内。
抽真空系统包括机械干泵7、插板阀8和真空球阀9；插板阀8与真空罐体1连接，机械干泵7通过真空球阀9与插板阀8连接。
真空测量系统包括真空绝压压力变送器10和薄膜真空规11，真空绝压压力变送器10位于真空罐体1上方，薄膜真空规11的数量为三个，三个薄膜真空规11分别位于真空罐体1的上方、左方和右方。
一种火星表面环境模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)试验前准备，检查装置电力、用于给机械干泵7降温的冷却循环水、供阀门气缸动作的压缩空气是否正常；
2)将待测产品放置在真空罐体1内载物平台12上，然后再给待测产品扣上红外加热笼6；
3)关闭插板阀8和真空球阀9，启动机械干泵7，然后打开插板阀8，逐步打开真空球阀9，真空罐体1内压力开始下降，使用真空绝压压力变送器10采集真空罐内的压力；
4)当真空罐体1内的压力低于1000帕时，使用薄膜真空规11采集真空罐体1内部压力；
5)当薄膜真空规11采集真空罐体1内压力同时在500帕～700帕的压力值时，将真空球阀9开度逐渐减小，通过二氧化碳注入口和二氧化碳质量流量计3向真空罐体1内注入二氧化碳；
6)利用机械干泵7抽除真空罐体1内充入二氧化碳，当抽气速率和充气速率相等时，真空罐体1内压力达到动态平衡；
7)打开手动阀门，液氮从液氮储槽中通过液氮入口管道通入热沉13，在热沉13中循环后从液氮出口管道排出，液氮温度可以达到-173℃，试验产品温度会逐渐降低，开启红外加热笼6对产品加热，控制程控电源温度设置在-133℃，热沉13冷背景使参试产品降温，红外加热笼6对产品加热，两者相互作用使参试产品稳定在-133℃；
8)按照试验要求规定的时间完成试验后，热沉13温度恢复至常温，试验产品温度也恢复至常温，关闭二氧化碳质量流量计3，关闭插板阀8和真空球阀9，关闭机械干泵7，真空罐体1复压，打开仓门，取出试验产品。

Claims (8)

1.一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：
包括真空罐体(1)、抽真空系统、真空测量系统、温度调节系统和二氧化碳注入系统；
所述抽真空系统、真空测量系统和温度调节系统分别与真空罐体(1)连接；真空罐体(1)内设有热沉(13)；
所述温度调节系统包括加热系统和降温系统；
所述抽真空系统用于降低或升高真空罐体(1)内的压力；真空测量系统用于测量真空罐体(1)内部压力；降温系统用于对真空罐体(1)内部进行降温；加热系统位于真空罐体(1)内，用于对被测产品进行加热；
所述降温系统包括液氮管路(2)；液氮管路(2)的一端为液氮进口，另一端为液氮出口；液氮进口和液氮入口均与热沉(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：所述二氧化碳注入系统包括二氧化碳注入口、二氧化碳质量流量计(3)；二氧化碳注入口与二氧化碳质量流量计(3)连接，二氧化碳质量流量计(3)与真空罐体(1)连接。
3.根据权利要求2所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：
所述二氧化碳注入系统还包括缓冲平衡板(4)和二氧化碳喷射板(5)；二氧化碳喷射板(5)位于缓冲平衡板(4)的下方；
缓冲平衡板(4)上表面设有多条纵横交错的流道，多条流道纵横交错后在缓冲平衡板(4)上形成多个凸起，凸起上设有贯穿缓冲平衡板(4)的通道；缓冲平衡板(4)用于使注入的二氧化碳达到浓度和压力均匀、稳定；
二氧化碳喷射板(5)上设有多个注入孔；二氧化碳喷射板(5)用于使二氧化碳均匀、稳定喷射进真空罐体(1)内。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：所述加热系统包括红外加热笼(6)。
5.根据权利要求4所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：所述抽真空系统包括机械干泵(7)、插板阀(8)和真空球阀(9)；插板阀(8)与真空罐体(1)连接，机械干泵(7)通过真空球阀(9)与插板阀(8)连接。
6.根据权利要求5所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：所述真空测量系统包括真空绝压压力变送器(10)和薄膜真空规(11)。
7.根据权利要求6所述的一种火星表面环境模拟试验装置，其特征在于：所述薄膜真空规(11)的数量为三个，分别位于真空罐体(1)的上方、左方和右方。
8.一种火星表面环境模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)试验前准备，检查装置电力、用于给机械干泵(7)降温的冷却循环水、供阀门气缸动作的压缩空气是否正常；
2)将待测产品放置在真空罐体(1)内的载物平台(12)上，然后再给待测产品扣上红外加热笼(6)；
3)关闭插板阀(8)和真空球阀(9)，启动机械干泵(7)，然后打开插板阀(8)，逐步打开真空球阀(9)，真空罐体(1)内压力开始下降，使用真空绝压压力变送器(10)采集真空罐体(1)内的压力；
4)当真空罐体(1)内的压力低于1000帕时，使用薄膜真空规(11)采集真空罐体(1)内部压力；
5)当薄膜真空规(11)采集真空罐体(1)内压力同时在500帕～700帕的压力值时，将真空球阀(9)开度逐渐减小，通过二氧化碳注入口和二氧化碳质量流量计(3)向真空罐体(1)内注入二氧化碳，二氧化碳经过缓冲平衡槽和二氧化碳喷射板(5)向真空罐内喷射二氧化碳，以此模拟火星表面的二氧化碳气体环境；
6)利用机械干泵(7)抽除真空罐体(1)内充入二氧化碳，当抽气速率和充气速率相等时，真空罐体(1)内压力达到动态平衡；
7)从液氮入口通入液氮，在热沉(13)中循环后从液氮出口排出，试验产品温度会逐渐降低，开启红外加热笼(6)对产品加热，控制程控电源温度设置在-133℃，热沉(13)冷背景使参试产品降温，红外加热笼(6)对产品加热，两者相互作用使参试产品稳定在-133℃；
8)按照试验要求规定的时间完成试验后，热沉(13)温度恢复至常温，试验产品温度也恢复至常温，关闭二氧化碳质量流量计(3)，关闭插板阀(8)和真空球阀(9)，关闭机械干泵(7)，真空罐体(1)复压，打开仓门，取出试验产品。
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