CN109781426A - 一种火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置，该装置包括依次连接的二氧化碳气体生产组件、二氧化碳气体贮箱及二氧化碳气体供应组件，二氧化碳气体生产组件包括二氧化碳液瓶组、汇流排、液体减压阀、加热器、气体减压阀、供应管路；二氧化碳液瓶组包括多个二氧化碳液瓶，所述多个二氧化碳液瓶并联设置；汇流排包括多个入口和一个出口；多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排的多个入口一一对应连通；汇流排的出口通过液体减压阀与加热器的入口相连接；加热器的出口通过供应管路与二氧化碳气体贮箱的入口相连接；气体减压阀设置在供应管路中；该装置能够模拟火星大气环境，解决了火星探测器姿控发动机高模试验的问题。

Description

一种火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置

技术领域

本发明涉及火星探测器姿控发动机试验技术领域，涉及一种大气成份模拟装置。

背景技术

自1964年美国成功发射的飞行器Marine揭开了现代探索火星的序幕以来，美、俄、日、印、欧等国家积极进行火星探测方面的研究，美国作为先进航天强国已多次完成火星表面的探测任务，并取得了一定成就的研究成果。我国在向航天大国逐步发展的道路上，也已取得了“探月工程”及“载人航天工程”等多项研究成果，我国已于2016年正式立项开展火星探测项目研制。

火星探测器进入火星大气环境着陆飞行过程中，由于火星表面存在一定高度的稀薄大气层，稀薄大气会对火星探测器产生一个逆向的阻力，可能对快速移动的姿控发动机点火存在一定的干扰风险，因此需要开展姿控发动机火星大气稀薄来流条件下的高空模拟试验，以验证姿控发动机的性能参数及工作可靠性，从而提高探测器姿控发动机对火星大气环境的适应性。

现有的发动机高空模拟试验系统一般用于液体火箭姿控发动机高空模拟试验，主要包括真空模拟组件、燃气升压降温装置、燃气引射排气装置等基本设施。该高空模拟试验系统只能进行一定飞行高度环境的发动机高模试验研究，试验系统不具备火星稀薄大气环境模拟装置，无法为姿控发动机提供火星大气成份模拟环境，无法进行火星探测器姿控发动机在火星大气环境中点火、短稳态模拟试验。

发明内容

为了进行火星稀薄大气来流条件下姿控发动机高模试验，形成满足要求的火星稀薄大气流场模拟环境，本发明提供一种火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置。

本发明的技术解决方案如下：

本发明的火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置，其特殊之处在于：包括依次连接的二氧化碳气体生产组件、二氧化碳气体贮箱及二氧化碳气体供应组件；

所述二氧化碳气体生产组件包括二氧化碳液瓶组、汇流排、液体减压阀、加热器、气体减压阀、第一管路；

所述二氧化碳液瓶组包括多个二氧化碳液瓶，所述多个二氧化碳液瓶并联设置；

所述汇流排包括多个入口和一个出口；

所述多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排的多个入口一一对应连通；

所述汇流排的出口通过液体减压阀与加热器的入口相连接；

所述加热器的出口通过第一管路与二氧化碳气体贮箱的入口相连接；

所述气体减压阀设置在第一管路中；

所述二氧化碳气体供应组件包括供应主管路、调压阀组、气动截止阀、集气分配腔及多个供应支管路；

所述供应主管路的入口与二氧化碳气体贮箱的出口连接，所述调压阀组及气动截止阀依次设置在供应主管路上；

所述集气分配腔包括一个入口和与气体分支管路一一对应的多个出口；

所述集气分配腔的入口与供应主管路的出口连接，所述集气分配腔的多个出口与多个供应支管路一一对应连接，所述供应支管路上还设置有节流元件。

进一步地，为了便于单个液化二氧化碳瓶气化生产完成后的独立更换，同时不影响其余液化二氧化碳气瓶供的供液气化生产过程；所述多个二氧化碳液瓶均通过各自的输出管与汇流排连接，每个输出管上都设置有截止阀。

进一步地，为了对气化过程中的压力及温度进行监测，以保证生产后的二氧化碳气体压力达到设计要求，同时保证生产过程中不结冰，确保二氧化碳生产过程的顺利进行。本发明的二氧化碳气体生产组件的第一管路上还设置有压力测量仪表及温度测量仪表。

进一步地，为了从二氧化碳气体生产源头上防止多余物进入二氧化碳气体贮箱内，保护二氧化碳气体贮箱内的清洁，同时可防止在二氧化碳气体供应过程中的多余物引入稀薄流场环境中，造成发动机的损伤的风险，所述二氧化碳气体生产组件的第一管路上还设置气体过滤器。

进一步地，所述二氧化碳气体贮箱为柱状立式容器，容积为2m³-5m³，压力为5MPa-10MPa。

进一步地，所述二氧化碳气体供应组件的供应主管路的通径为50-100mm。

进一步地，所述二氧化碳气体贮箱2的上部还设置有压力测量装置21及增压放气组件22。

本发明的有益效果：

1、本发明的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，可为高空模拟试验系统提供一定时间段内的火星大气成份模拟环境，为火星探测器姿控发动机进行火星大气环境工作模拟提供了保障条件，解决现有高模试验系统无法进行火星大气环境模拟的技术难题。

2、本发明的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，结构简单，易于实现，可用于开展火星探测多类姿控发动机在火星稀薄大气来流环境下的点火、短稳态高模试验研究，为我国火星探测器姿控发动机研制提供了重要的技术保障，提升了探月工程高模台试验能力，节约了火星探测姿控发动机研制成本、周期，提高了火星探测姿控发动机试验研制效率；

附图说明

图1是二氧化碳气体物性图；

图2是本发明实施例火星大气成份模拟装置系统图；

其中的附图标记为：

1-二氧化碳气体生产组件、2-二氧化碳气体贮箱、3-二氧化碳气体供应组件、4-真空模拟组件、5-稀薄来流模拟组件、11-二氧化碳液瓶组、12-输出管、13-汇流排、14-液体减压阀、15-加热器、16-压力测量仪表及温度测量仪表、17-气体减压阀、18-气体过滤器、19-第一管路、21-压力测量装置、22-增压放气组件、23-阀门、31-调压阀组、32-气动截止阀、33-集气分配腔、34-供应主管路、35-供应支管路及节流元件。

具体实施方式

根据火星探测器飞行环境分析，火星表面稀薄大气环境模拟装置要能够模拟火星大气压力、火星大气成分及火星大气流速。

为了满足火星表面稀薄大气环境模拟要求，本发明提供一种火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置，以下结合附图1-2对本发明进行详细说明。

火星大气主要成份为二氧化碳气体(约占95.3％)，市面上常见的二氧化碳充装形式包含工业级液化二氧化碳、二氧化碳杜瓦、气态二氧化碳三种规格，二氧化碳纯度均接近火星大气成份比例要求，根据二氧化碳获取难易程度及生产系统建设与生产过程控制难易程度，选取标准工业级液化二氧化碳作为气体生产源，进行二氧化碳的气化生产，标准液化二氧化碳充装规格为40L、3.3MPa～5.5MPa、充装质量12kg～18kg，液化二氧化碳充装量受环境温度影响较大，环境温度较低时充装质量偏少。

二氧化碳的物性变化原理见图1，液态二氧化碳通过加热或减压可以转换为气态。

二氧化碳气化生产中需要进行减压、加热过程，保证气化生产时不至于结冰或冻结形成干冰等状态，常规的生产方式是采用加热型减压器进行气化的，该种方式输出压力为1.6MPa，气体生产较小，无法满足大流量二氧化碳气体的输出需求。

本发明火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置的难点就在于如何实现二氧化碳气体大压力，大流量稳定输出。

基于此，本发明通过采用并联增大流量，然后二氧化碳低温减压、后端进行大功率加热器快速加热，使生产的气态二氧化碳压力可达到3MPa以上，经过管路过滤后贮存于气体贮箱中，实现气态二氧化碳的大流量获取与保存。

如图2所示，本发明的火星大气成分模拟装置由二氧化碳气体生产组件1、二氧化碳气体贮箱2、二氧化碳气体供应组件3等组成。

二氧化碳气体生产组件1：包含标准液化二氧化碳瓶组11、低温软管12、汇流排13、液体减压阀14、加热器15、压力测量仪表及温度测量仪表16、气体减压阀17、第一管路19等；二氧化碳液瓶组11包括多个二氧化碳液瓶，多个二氧化碳液瓶并联设置；汇流排13包括多个入口和一个出口；多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排13的多个入口一一对应连通；汇流排13的出口通过液体减压阀14与加热器15的入口相连接；加热器15的出口通过第一管路19与二氧化碳气体贮箱2的入口相连接；气体减压阀17设置在第一管路19中。第一管路上还设有气体过滤器18。多个二氧化碳液瓶均通过各自的输出管12与汇流排13连接，每个输出管上都设置有截止阀。二氧化碳气体生产组件1的第一管路19上还设置有压力测量仪表及温度测量仪表16。二氧化碳气体生产组件1的第一管路19上还设置气体过滤器18。

二氧化碳气体生产组件原理：先将标准工业级液化二氧化碳减压供应至汇流排13，再由液体减压阀14缓慢将液化二氧化碳供应至管路，通过大功率加热器15实施液态二氧化碳加热气化，使生产后的二氧化碳气体温度大于20℃(液化压力约为3MPa～5MPa)，将二氧化碳气体通过第一管路19贮存于气体贮箱，从而实现了二氧化碳气体的生产与贮存，二氧化碳气体生产及贮存中处于封闭干燥的系统中。

二氧化碳气体生产组件1中液体减压阀14及气体减压阀17的设置非常关键，其中的液体减压阀14为低温减压阀，该阀可以实现液态二氧化碳的流量控制，保证二氧化碳供应流量与加热器加热能力匹配，从而保证气体生产过程中的参数达到设计要求。气体减压阀17是为控制气体进入贮箱。

二氧化碳气体贮箱2：采用设计压力大于5MPa、设计容积大于2m³的气体贮箱，以满足气化后二氧化碳大于3MPa的贮存要求，同时大容积可保证二氧化碳气体存量足够多，为二氧化碳气体供应时间的延长提供保障。二氧化碳气体贮箱2的上部还设置有压力测量装置21及增压放气组件22。

2m³贮箱压力与充气钢瓶数量估算表

二氧化碳气体贮箱2设计压力应大于标准液化二氧化碳的充装压力，保证二氧化碳气体生产过程的安全，同时保证二氧化碳气体充装压力尽可能增大以满足供应压力源要求；二氧化碳气体贮箱2设计容积足够大，可保证充装二氧化碳气体容量足够，在二氧化碳气体降压方式大流量供应过程会造成有限容积的气源压力快速降低，通过增大贮箱容积和二氧化碳气体压力可使供应压力源降低幅度范围软长，提供更长时间的稳态二氧化碳气体供应。

二氧化碳气体供应组件3：气体供应主管路34、调压阀组31、气动截止阀32、集气分配腔33、供应支管路35及节流元件等；气体供应主管路34上还设置有阀门23,；根据火星稀薄大气来流速度模拟要求，计算二氧化碳气体供应流量范围，设置二氧化碳供应系统管路、二氧化碳气体稳压调压阀组31、二氧化碳集气管路及节流元件尺寸，保证二氧化碳气体实现沿管路降压稳态流量稳应；本发明实施例调压阀组31中设置阀前压力大于2.5MPa、阀后输出压力在0.2MPa～0.4MPa工作参数下，保证二氧化碳气体供应流量范围约0.6kg/s～1.2kg/s，调压阀组31可满足一定时间段内(约10s～15s)二氧化碳气体流量参数的稳定，使供应气体进入真空模拟组件4的速度及压力能够满足火星稀薄大气的模拟要求。

二氧化碳气体供应组件原理：采用降压供应方式，保证气态二氧化碳供应过程中沿供应管路中降压供应，通过调压阀组31实现二氧化碳气体的大流量稳态供应，根据真空条件下稀薄来流的流速模拟要求，计算降压供应至真空模拟环境中管路的流阻，设置合适的供应管路尺寸与节流装置，使二氧化碳气体沿供应管路均处于降压工作条件，且来流模拟装置各进气口的流量符合火星大气流速模拟要求。

Claims (7)

1.一种火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，其特征在于：包括依次连接的二氧化碳气体生产组件(1)、二氧化碳气体贮箱(2)及二氧化碳气体供应组件(3)；

所述二氧化碳气体生产组件(1)包括二氧化碳液瓶组(11)、汇流排(13)、液体减压阀(14)、加热器(15)、气体减压阀(17)及第一管路(19)；

所述二氧化碳液瓶组(11)包括多个二氧化碳液瓶，所述多个二氧化碳液瓶并联设置；

所述汇流排(13)包括多个入口和一个出口；

所述多个二氧化碳液瓶的出口与汇流排(13)的多个入口一一对应连通；

所述汇流排(13)的出口通过液体减压阀(14)与加热器(15)的入口相连接；

所述加热器(15)的出口通过第一管路(19)与二氧化碳气体贮箱(2)的入口相连接；

所述气体减压阀(17)设置在第一管路(19)中；

所述二氧化碳气体供应组件(3)包括供应主管路(34)、调压阀组(31)、气动截止阀(32)、集气分配腔(33)及多个气体分路支管路；

所述供应主管路(34)的入口与二氧化碳气体贮箱(2)的出口连接，所述调压阀组(31)及气动截止阀依次设置在供应主管路(34)上；

所述集气分配腔包括一个入口和与气体分支管路一一对应的多个出口；

所述集气分配腔(33)的入口与供应主管路(34)的出口连接，所述集气分配腔的多个出口与多个供应支管路一一对应连接，所述供应支管路上还设置有节流元件。

2.根据权利要求1所述的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，其特征在于：

所述多个二氧化碳液瓶均通过各自的输出管与汇流排(13)连接，每个输出管上都设置有截止阀。

3.根据权利要求2所述的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，其特征在于：

所述二氧化碳气体生产组件(1)的第一管路(19)上还设置有压力测量仪表及温度测量仪表(16)。

4.根据权利要求3所述的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，其特征在于：

所述二氧化碳气体生产组件(1)的第一管路(19)上还设置气体过滤器(18)。

5.根据权利要求1至4任一所述的火星探测器姿控发动机试验用火星大气成份模拟装置，其特征在于：

所述二氧化碳气体贮箱(2)为柱状立式容器，容积为2m³-5m³，压力为5MPa-10MPa。

6.根据权利要求5所述的火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置，其特征在于：

所述二氧化碳气体供应组件(3)的供应主管路(34)的通径为50-100mm。

7.根据权利要求6所述的火星探测器姿控发动机试验火星大气成份模拟装置，其特征在于：

二氧化碳气体贮箱(2)的上部还设置有压力测量装置(21)及增压放气组件(22)。