CN111443031A - 用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置，包括环境模拟容器系统、控制系统以及甲烷雨喷淋系统，环境模拟容器系统是在通用环境模拟器的基础上，增加一设置在外置容器中的内置容器，用内置容器来进行土卫六的温度、压力环境模拟，并通过控制系统进行温度控制、压力控制、流量控制及安全状态控制，同时通过甲烷雨喷淋系统实现甲烷雨环境的模拟。本发明可用于开展在1.5X105Pa氮气环境下甲烷雨的观测、材料实验等科学研究。
Description
技术领域
本发明属于土卫六甲烷雨的地面模拟技术领域，具体而言，本发明涉及一种可用于模拟土卫六甲烷雨的装置，该装置可以模拟具有特定大气温度、压力及甲烷雨的环境并适用于进行甲烷雨的地面状态观测及相关的航天器材料实验等。
背景技术
目前，深空探测为我国航天事业的一个方向。其中土星第六颗卫星(简称：土卫六)为深空探测的一个目标，目前对其特性开展相关的研究工作，以作为今后的技术积累。
美国先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号先后近距离飞掠土卫六,但受制于土卫六表面复杂大气环境，无法进行有效成像。美国卡西尼号探测器(2004-2017)近距离飞掠土卫六，获得大量有效数据，才使得相关土卫六表面环境为人们所熟知。美国拟计划于2026年发射蜻蜓号无人探测器对土卫六进行再一次全面探测。
土卫六探测与其他深空探测的一个差别就是其表面的超低温度及大气环境。土卫六表面为1.5X105Pa的大气环境，主要气体成分为氮气(占总成分的98.4％)，土卫六表面温度为-179℃的极低温环境。如果对土卫六开展地面的科学研究，需提前进行地面的环境模拟研究，这就需要对土卫六表面的温度、压力、甲烷雨等进行地面模拟。
目前关于土卫六的地面环境模拟实验及观测装置尚未见于相关文献，全球对土卫六的探测仍是较为前沿的深空探测领域，根据已知的土卫六表面温度、压力环境，我们需在地面设备内对其进行模拟，以此来进行进一步的科学探测研究。因此非常有必要研制一种用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置。本发明可以用于进行土卫六表面低温高压环境的模拟、相关土卫六表面环境状态观测、未来国内探测器单机和组件产品的性能试验等用途。
发明内容
本发明的目的在于提供一套用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置，利用该系统提供的土卫六的温度、压力和甲烷雨环境，开展相关的科学实验研究。
本发明采用了如下的技术方案：
用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置，包括环境模拟容器系统、测量与控制系统以及甲烷雨喷淋系统和管路系统，其中，
环境模拟容器系统是在通用环境模拟器的基础上，增加一设置在外置容器中的内置压力容器，用内置容器来进行土卫六的温度、压力环境模拟，相关环境实验模拟和研究均在内置容器中进行，所述内置容器由真空系统和低温系统组成，真空系统将所述内置容器抽气至6.65X10-3Pa以下，低温系统采用热沉结构，热沉表面喷涂黑漆,其半球向发射率大于0.9,将热沉内通入液氮，使其温度达到100K以下，来模拟宇宙空间内的低温环境；
测量与控制系统主要包含温度控制、压力控制、流量控制及安全状态控制系统，以分别对内置容器表面和内置容器氮气气体温度进行测量和控制；对内置容器的压力进行测量和控制；对甲烷的流量进行控制以及对内置容器的安全状态进行控制；
甲烷雨喷淋系统基本上由甲烷存储装置、甲烷传输管路、换热冷却装置、喷淋器构成，其中换热冷却装置为液氮套筒结构，外部为液氮流过，内部为甲烷运输管路，通过液氮对甲烷进行降温，使其液化，甲烷喷淋过程中，需内置容器整体已处于1.5X105Pa氮气环境，且温度已降至目标温度；开启甲烷存储装置出口阀门，使甲烷气流缓慢进入甲烷传输管路，甲烷传输管路进入换热冷却装置，将气态甲烷冷却为液态甲烷，液态甲烷通过喷淋器喷入内置容器，用来模拟土卫六甲烷雨的真实状态。
其中，温度控制系统主要为通过低温热电偶对内置容器表面温度进行测量及控制、通过悬挂热电偶的方式对内置容器氮气气体温度进行测量及控制，确保整个内置容器温度稳定均匀，处于目标温度状态。
其中，压力控制系统主要通过压力传感器进行压力测量与控制，保证内置容器为1.5X105Pa的大气环境，外置容器为真空状态，压力低于6.65X10-3Pa，内置容器与外置容器之间无对流传热状态。
其中，流量控制系统主要进行甲烷的流量控制，由减压阀与气体调节阀构成，系统通过调节甲烷的进气压力，实现甲烷的流量控制。
其中，安全状态控制主要由设置在内置容器上的应急放空阀门组成，保证内置系统压力不会过高，当超过临界压力值时，对内置容器系统进行紧急泄压，保证整个试验系统的安全。
其中，内置容器放置于环境模拟器的内置冷板结构上，与冷板结构进行接触换热，外表面喷涂黑漆，保证内置容器整体环境处于极低温环境。
其中，内置容器的密封应采用金属密封结构，保证压力状态稳定。
其中，内置容器上开设有观察窗并通过设置在外置容器中的摄影系统进行观察。
本发明可以有效的建立起土卫六的表面实际温度和压力环境，保证系统可以在液氮温度范围(-196℃)内有效运行，通过内置容器和外置容器解决了低温正压容器与容器壁的换热问题；
本发明通过对压力和温度的精准控制，保证实验系统安全，模拟状态真实；
本发明通过利用液氮套筒换热器，将气态甲烷在真空低温环境下进行液化处理，并通过低温喷淋器结构来进行降雨状态的模拟。
附图说明
图1为本发明的用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置的结构示意图。
图2为本发明的用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置的运行过程示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置进行详细说明，这些说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本发明的保护范围。
参见图1，图1显示了用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置的结构示意图。其中，本发明的用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置，用以提供的土卫六环境，开展相关的科学研究实验。其中，该装置包括环境模拟容器系统(外置容器、内置容器和相关抽放气机组)、测量与控制系统、甲烷雨喷淋系统和管路系统组成。环境模拟器容器系统分为外置容器和内置容器，其中外置容器为普通空间环境模拟器，内置容器为承压压力容器，外部容器提供一个冷背景环境，内置容器用于模拟土卫六的真实大气温度和压力环境。其中建议设置冷板结构，在其上安装内置容器，内置容器的外表面喷涂黑漆，这样可以保证内置容器整体环境处于极低温环境，有助于试验温度的向下拉偏。内置容器通过传感器P1来控制抽放气机组，以保持其内部的压力处在1.5X105Pa水平(使用图1中传感器P1来进行测量和控制)，同样，外置容器通过传感器P2来控制抽放气机组，使得外置容器的真空度为低于6.65X10-3Pa(使用图1中传感器P2来进行测量控制)。测量与控制系统由温度测量和控制两部分组成。内置容器内壁粘贴热电偶，同时悬挂热电偶。在内置容器内壁和外壁均黏贴加热片并喷涂黑漆。温度控制和测量靠转接电缆从内置容器引出至外置设备内，再由外置容器通过接插件引出至设备外，进行温度测量和控制，将内置容器温度控制在-179℃。此外，内置容器还通过管路系统与外置容器外的氮气源进行连通，进行模拟试验时，先对内置容器整体进行抽真空，抽除内置容器内空气，然后再对内置容器冲入N2气体到相关压力水平，以模拟土卫六表面大气环境，在降温过程中，通过微量补气进行压力保持和控制。内置容器内部的上方设置有甲烷喷淋系统，甲烷喷淋器通过设置在外置容器中的换热冷却装置进行甲烷的换热，换热冷却装置为液氮套筒结构，外部为液氮流过，内部为甲烷运输管路，通过液氮对甲烷进行降温，使其液化，甲烷喷淋过程中，需内置容器整体已处于1.5X105Pa氮气环境，且温度已降至目标温度；开启甲烷存储装置出口阀门V4和V5，使甲烷气流缓慢进入甲烷传输管路，甲烷传输管路进入换热冷却装置，将气态甲烷冷却为液态甲烷，液态甲烷通过喷淋器喷入内置容器，用来模拟土卫六甲烷雨的真实状态，通过控制器开启喷淋状态，将液氮甲烷喷淋至内置容器内，此时应开启阀门V3，将未液化完全的甲烷气体排出。其中，在外置容器内加入摄影测量系统，观察液滴或试件状态，获取相关的数据资料并通过内置容器上的观察窗口进行摄影测量。
根据实际温度和压力需求，土卫六的温度、压力地面环境模拟试验系统需要在真空容器内进行，主要基于以下考虑：土卫六环境为1.5X105Pa的正压环境，具有对流条件，因此为了避免容器外表面结霜，需在真空容器内配置此系统；土卫六环境温度极低，真空环境利于低温状态的维持，保证试验状态更准确。同时为了保证系统在真空环境下能够维持压力状态，非金属密封圈受温度影响大，故不予采用。
系统运行过程如下：
a)抽气阶段
此阶段进行抽气，目的是使内置容器和环模设备都达到高真空状态。粗抽阶段，阀门V1、V2开启接通内置容器和环境模拟设备，利用环境模拟设备的粗抽系统使内置容器内压力降至10Pa左右，当环境模拟设备开启高真空系统后，阀门保持此状态不变，然后环境模拟设备热沉通液氮，依靠环境模拟设备的高真空度使内置容器内真空度降至高真空度区间。启动低温系统，使外置容器处于低温状态，与内置容器进行换热达到低温状态。
b)充气阶段
关闭V1,开启V2，关闭V3，向内置容器内冲压，充入高纯氮气至1.5X105Pa。冲入系统稳定后，通过P1读取相关的压力值。冲压结束后，系统稳定降温，将气体温度降至目标温度。
3)地面模拟实验运行
根据已设计的模拟系统，可以根据模拟实验系统的流程图(如图2所示)来进行地面模拟实验。流程1-3为实验的准备阶段，来进行相关设备的设计、安装和调试等；流程4-8为地面模拟实验的环境状态建立阶段，该阶段通过环境模拟设备的真空低温系统以及土卫六表面的压力及极低温环境状态；流程9-11为实验阶段，该阶段内进行科学研究实验，在实验过程中，通过本发明中的甲烷喷淋系统维持土卫六表面的甲烷雨状态；流程12为停机阶段，该阶段主要内容是实验完毕后，相关设备的停机、关机与撤收等。
尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。
Claims (8)
1.用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置，包括环境模拟容器系统、控制系统以及甲烷雨喷淋系统，其中，
环境模拟容器系统是在通用环境模拟器的基础上，增加一设置在外置容器中的内置容器，用内置容器来进行土卫六的温度、压力环境模拟，相关环境实验模拟和研究均在内置容器中进行，所述内置容器由真空系统和低温系统组成，真空系统将所述内置容器抽气至6.65X10-3Pa以下，低温系统采用热沉结构，热沉表面喷涂黑漆,其半球向发射率大于0.9,将热沉内通入液氮，使其温度达到100K以下，来模拟宇宙空间内的低温环境；
控制系统主要包含温度控制、压力控制、流量控制及安全状态控制系统，以分别对内置容器表面和内置容器氮气气体温度进行测量和控制；对内置容器的压力进行测量和控制；对甲烷的流量进行控制以及对内置容器的安全状态进行控制；
甲烷雨喷淋系统基本上由甲烷存储装置、甲烷传输管路、换热冷却装置、喷淋器构成，其中换热冷却装置为液氮套筒结构，外部为液氮流过，内部为甲烷运输管路，通过液氮对甲烷进行降温，使其液化，甲烷喷淋过程中，需内置容器整体已处于1.5X105Pa氮气环境，且温度已降至目标温度；开启甲烷存储装置出口阀门，使甲烷气流缓慢进入甲烷传输管路，甲烷传输管路进入换热冷却装置，将气态甲烷冷却为液态甲烷，液态甲烷通过喷淋器喷入内置容器，用来模拟土卫六甲烷雨的真实状态。
2.如权利要求1所述的地面模拟试验装置，其中，温度控制系统主要为通过低温热电偶对内置容器表面温度进行测量及控制、通过悬挂热电偶的方式对内置容器氮气气体温度进行测量及控制，确保整个内置容器温度稳定均匀，处于目标温度状态。
3.如权利要求1所述的地面模拟试验装置，其中，压力控制系统主要通过压力传感器进行压力测量与控制，保证内置容器为1.5X105Pa的大气环境，外置容器为真空状态，压力低于6.65X10-3Pa，内置容器与外置容器之间无对流传热状态。
4.如权利要求1所述的地面模拟试验装置，其中，流量控制系统主要进行甲烷的流量控制，由减压阀与气体调节阀构成，系统通过调节甲烷的进气压力，实现甲烷的流量控制。
5.如权利要求1所述的地面模拟试验装置，其中，安全状态控制主要由设置在内置容器上的应急放空阀门组成，保证内置系统压力不会过高，当超过临界压力值时，对内置容器系统进行紧急泄压，保证整个试验系统的安全。
6.如权利要求1-5任一项所述的地面模拟试验装置，其中，内置容器放置于环境模拟器的内置冷板结构上，与冷板结构进行接触换热，外表面喷涂黑漆，保证内置容器整体环境处于极低温环境。
7.如权利要求1-5任一项所述的地面模拟试验装置，其中，内置容器的密封应采用金属密封结构，保证压力状态稳定。
8.如权利要求1-5任一项所述的地面模拟试验装置，其中，内置容器上开设有观察窗并通过设置在外置容器中的摄影系统进行观察。
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