CN112394761B - 地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统及方法，控温控压系统包括进气管路、出气管路以及连接进气管路和出气管路的可控阀门；进气管路内设有加热设备；加热设备与耦合控制器相连接；可控阀门的输入端连接有第一温度传感器和第一压力传感器，输出端连接有第二温度传感器和第二压力传感器；耦合控制器根据接收到的输入端温度信号、输入端压力信号、输出端温度信号和输出端压力信号调节加热设备的功率以及可控阀门的开度。本发明实现了对地外星球大气环境温度和压力的动态模拟，从而有利于提供航天器从大气层外降落至星球表面或进入星球大气过程的气体环境，满足未来深空探测领域着陆器及漂浮探测器的环境试验需求。

Description

地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法
技术领域
本申请涉及地外星球大气环境动态模拟技术领域，尤其涉及一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法。
背景技术
随着我国深空探测技术发展，对空间环境模拟也提出了新的需求。类地行星中水星、金星，气态巨行星中的木星、土星均有着异于真空环境的环境条件。金星大气环境呈现出以下特点：1.压强随高度降低而增加，金星表面处压力约为92bar；2.温度随高度降低而增加，金星表面处温度约为735K；3.由于存在微量酸性气体，气体整体呈现酸性。木星大气环境特点同样是高压，伽利略号探测器进入木星大气环境过程中承受了约1000K、14bar的温度压力。
现有的模拟系统很难对金星、木星等大气环境进行动态模拟，而对金星、木星等行星进行动态模拟是未来进行深空探测任务的关键之一。金星着陆任务、木星下落任务均需要经历高温高压动态过程。鉴于此，急需一种系统来对地外星球大气环境进行动态模拟。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统及方法。
第一方面，本申请提供一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统，包括进气管路、出气管路以及连接所述进气管路和所述出气管路的可控阀门；所述进气管路内设有加热设备；所述加热设备与耦合控制器相连接；所述可控阀门的输入端连接有第一温度传感器和第一压力传感器，输出端连接有第二温度传感器和第二压力传感器；所述第一温度传感器和所述第一压力传感器分别与所述耦合控制器相连接，用于向所述耦合控制器实时发送输入端温度信号和输入端压力信号；所述第二温度传感器和所述第二压力传感器分别与所述耦合控制器相连接，用于向所述耦合控制器实时发送输出端温度信号和输出端压力信号；所述耦合控制器根据接收到的输入端温度信号、输入端压力信号、输出端温度信号和输出端压力信号调节所述加热设备的功率以及所述可控阀门的开度。
进一步的，所述加热设备为网式加热器。
第二方面，本申请提供一种上述地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法，所述方法包括如下步骤：
S1、获取地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线和目标压力的动态变化曲线；
S2、实时检测可控阀门两端气体环境的温度和压力，并结合目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线，得到加热设备功率的温度压力函数P以及可控阀门开度的温度压力函数S：
Figure GDA0003243410780000021
Figure GDA0003243410780000022
其中，T′和P′分别为目标温度和目标压力；TL和PL分别为可控阀门输出端的温度和压力；TR和PR分别为可控阀门输入端的温度和压力；η和ξ分别为加热设备功率和可控阀门开度的校正系数；R为气体普适常数；V为可控阀门的输出端所连接的容器的体积；Q为可控阀门的最大流量；c为比热容；t为时间；
Figure GDA0003243410780000023
为气体平均摩尔质量；
S3、根据加热设备功率的温度压力函数P以及可控阀门开度的温度压力函数S实时调节加热设备的功率以及可控阀门的开度。
进一步的，获取地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线和目标压力的动态变化曲线，具体包括：
根据地外星球大气环境的标准温度曲线以及标准压力曲线，结合航天器进入大气速度，计算得到地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线。
与现有技术相比，本申请的有益效果：本发明解决了目前地外星球模拟过程中控温控压方法空缺的问题；该地外星球大气环境动态模拟控温控压系统通过在进气管路和出气管路之间设置可控阀门、在进气管路内设置加热设备，耦合控制器通过第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器以及第二压力传感器检测到的可控阀门两端的实时温度和实时压力，来精确计算加热设备所需功率以及可控阀门所需开度，并进一步根据计算结果来对加热设备的功率以及可控阀门的开度进行实时调节，实现对地外星球大气环境温度和压力的动态模拟，从而有利于提供航天器从大气层外降落至星球表面或进入星球大气过程的气体环境，满足未来深空探测领域着陆器及漂浮探测器的环境试验需求。
附图说明
图1为本申请实施例提供的地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的地外星球大气环境动态模拟控温控压方法的流程图。
图中所述文字标注表示为：
1、进气管路；2、出气管路；3、可控阀门；4、加热设备；5、第一温度传感器；6、第一压力传感器；7、耦合控制器；8、第二温度传感器；9、第二压力传感器。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
本实施例提供一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统，用于对地外星球(如金星、土星等)大气环境的温度和压力进行动态模拟。该系统的结构示意图如图1所示，该系统包括进气管路1、出气管路2以及连接所述进气管路1和所述出气管路2的可控阀门3；所述进气管路1内通入的是混合气体，该混合气体是事先根据地外星球大气环境气体组分及含量所配好的；所述进气管路1内设有加热设备4，用于对输入的混合气体进行加热；所述加热设备4与耦合控制器7相连接；所述可控阀门3的输入端连接有第一温度传感器5和第一压力传感器6，输出端连接有第二温度传感器8和第二压力传感器9；所述第一温度传感器5用于检测可控阀门3输入端气体环境的温度，所述第一压力传感器6用于检测可控阀门3输入端气体环境的压力；所述第二温度传感器8用于检测可控阀门3输出端气体环境的温度，所述第二压力传感器9用于检测可控阀门3输出端气体环境的压力；所述第一温度传感器5和所述第一压力传感器6分别与所述耦合控制器7相连接，用于向所述耦合控制器7实时发送输入端温度信号和输入端压力信号；所述第二温度传感器8和所述第二压力传感器9分别与所述耦合控制器7相连接，用于向所述耦合控制器7实时发送输出端温度信号和输出端压力信号；所述耦合控制器7内事先设定有地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线；所述耦合控制器7根据接收到的输入端温度信号、输入端压力信号、输出端温度信号、输出端压力信号、目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线来调节所述加热设备4的功率以及所述可控阀门3的开度，从而实现对地外星球大气环境温度和压力的动态模拟。
进一步的，所述加热设备4为网式加热器。
实施例2
本申请实施例提供一种实施例1中地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法，图2为该方法的流程图，所述方法包括如下步骤：
S1、获取地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线和目标压力的动态变化曲线。具体包括：
根据地外星球大气环境的标准温度曲线以及标准压力曲线，结合航天器再入大气的再入速度，计算得到地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线。
其中，地外星球大气环境的标准温度曲线是温度随高度变化的曲线，标准压力曲线是压力随高度变化的曲线，二者均来自于地外星球的国际参考大气模型，该模型是根据探测器的探测数据形成的；地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线是温度随时间变化的曲线，目标压力的动态变化曲线是压力随时间变化的曲线。
S2、实时检测可控阀门两端气体环境的温度和压力，并结合目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线，得到加热设备功率的温度压力函数P以及可控阀门开度的温度压力函数S：
Figure GDA0003243410780000051
Figure GDA0003243410780000052
其中，T′和P′分别为目标温度和目标压力；TL和PL分别为可控阀门输出端的温度和压力；TR和PR分别为可控阀门输入端的温度和压力；η和ξ分别为加热设备功率和可控阀门开度的校正系数；R为气体普适常数；V为可控阀门的输出端所连接的容器的体积；Q为可控阀门的最大流量；c为比热容；t为时间；
Figure GDA0003243410780000053
为气体平均摩尔质量。
其中，加热设备功率的校正系数η与可控阀门开度的校正系数ξ是通过试验得到的。
S3、根据加热设备功率的温度压力函数P以及可控阀门开度的温度压力函数S实时调节加热设备的功率以及可控阀门的开度。
具体地，通过耦合控制器来对加热设备的功率进行实时调整，来实现对地外星球大气环境温度的动态模拟；通过耦合控制器对可控阀门的开度进行实时调整，来实现对地外星球大气环境压力的动态模拟。
本申请提供的地外星球大气环境动态模拟控温控压系统及方法，通过在进气管路和出气管路之间设置可控阀门、在进气管路内设置加热设备，耦合控制器通过第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器检测到的可控阀门两端的实时温度和实时压力，来精确计算加热设备所需功率以及可控阀门所需开度，并进一步根据计算结果来对加热设备的功率以及可控阀门的开度进行实时调节，实现对地外星球大气环境温度和压力的动态模拟，从而有利于提供航天器从大气层外降落至星球表面或进入星球大气过程的气体环境，满足未来深空探测领域着陆器及漂浮探测器的环境试验需求。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法，其特征在于，所述地外星球大气环境动态模拟控温控压系统包括：进气管路(1)、出气管路(2)以及连接所述进气管路(1)和所述出气管路(2)的可控阀门(3)；所述进气管路(1)内设有加热设备(4)；所述加热设备(4)与耦合控制器(7)相连接；所述可控阀门(3)的输入端连接有第一温度传感器(5)和第一压力传感器(6)，输出端连接有第二温度传感器(8)和第二压力传感器(9)；所述第一温度传感器(5)和所述第一压力传感器(6)分别与所述耦合控制器(7)相连接，用于向所述耦合控制器(7)实时发送输入端温度信号和输入端压力信号；所述第二温度传感器(8)和所述第二压力传感器(9)分别与所述耦合控制器(7)相连接，用于向所述耦合控制器(7)实时发送输出端温度信号和输出端压力信号；所述耦合控制器(7)根据接收到的输入端温度信号、输入端压力信号、输出端温度信号和输出端压力信号调节所述加热设备(4)的功率以及所述可控阀门(3)的开度；所述控温控压方法包括如下步骤：
S1、获取地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线和目标压力的动态变化曲线；
S2、实时检测所述可控阀门两端气体环境的温度和压力，并结合目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线，得到所述加热设备功率的温度压力函数P以及所述可控阀门开度的温度压力函数S：
Figure FDA0003243410770000011
Figure FDA0003243410770000012
其中，T'和P'分别为目标温度和目标压力；TL和PL分别为所述可控阀门输出端的温度和压力；TR和PR分别为所述可控阀门输入端的温度和压力；η和ξ分别为所述加热设备功率和所述可控阀门开度的校正系数；R为气体普适常数；V为所述可控阀门的输出端所连接的容器的体积；Q为所述可控阀门的最大流量；c为比热容；t为时间；
Figure FDA0003243410770000013
为气体平均摩尔质量；
S3、根据所述加热设备功率的温度压力函数P以及所述可控阀门开度的温度压力函数S实时调节所述加热设备的功率以及所述可控阀门的开度。
2.根据权利要求1所述的地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法，其特征在于，获取地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线和目标压力的动态变化曲线，具体包括：
根据地外星球大气环境的标准温度曲线以及标准压力曲线，结合航天器进入大气速度，计算得到地外星球大气环境动态模拟的目标温度的动态变化曲线以及目标压力的动态变化曲线。
3.根据权利要求1所述的地外星球大气环境动态模拟控温控压系统的控温控压方法，其特征在于，所述加热设备(4)为网式加热器。
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