CN112644741A - 一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明设计了一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法：检查所有阀门处于关闭状态；系统上电，检查各设备基本状态情况；真空泵组启动，抽取气体直接排放到空气中，达到指定要求最低压力；打开二氧化碳供气气源，试验段压力到达目标数值，阀门低流量维持调节，真空泵组抽取多余气体到缓冲罐中；开启供气调节阀门，风洞内的风速逐渐增加，直至风速与目标风速一致达到稳定；打开固体供气阀门和螺旋喂料器，通过气量调节阀与传感器、流量秤之间形成的稳定调节关系，达到要求的粉尘浓度值；试验结束后，关闭风洞风速系统调节阀门，关闭砂尘系统和抽真空系统；打开回气阀门，关闭二氧化碳入口截止阀门，待回气完成即可进行模型更换或结束试验。

Description

一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法

技术领域

本发明涉及空间环境模拟技术领域，具体地，涉及一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法。

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，各种不同规模大小的局地或者区域沙尘暴主要分布在两个极盖区的边缘。与地球上的沙尘暴不同之处是，火星每隔一些年数会暴发一次全球性的沙尘暴。全球沙尘暴一般由一个区域沙尘暴开始，然后向大范围扩散，再联合其他区域沙尘暴，最终遍及全球，使整个火星陷入黄沙漫天、不见天日的状态。人类为了长期的探索火星，发明了火星车，火星车将在火星上持续工作，如今美国的机遇号火星车由于砂尘环境已经报废，被厚厚的砂尘掩盖，而火星风洞承担为火星车提供模拟火星环境的任务，实现在地面的环境模拟，从而增加寿命，当然，这只是火星风洞的主要任务之一，它还有研究火星尘暴起因，做耐压试验等任务。

火星常年处于一个低温低压的尘暴环境，火星尘暴的地面模拟是一个多学科交叉的系统科学问题，涉及到流体力学、管道输送、低压容器以及控制工程等学科领域，其难点在于:火星低气压环境下高速尘暴气固两相流体的生成及流态维持。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法，来模拟火星低压低密度砂尘环境。

本发明是通过以下方案实现的：

一种低压低密度的火星尘暴环境模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置、缓冲罐、手动阀、减压阀、4个压力表、文丘里喷射器、流量秤、螺旋喂料器、储料仓、电动球阀、回气阀、调节阀、流量计、风洞洞体、喷嘴、引射器、过滤器、控制阀组、真空泵组、消声器和真空缓冲罐；所述液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置和缓冲罐顺次连接；所述缓冲罐通过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力表和引射器与风洞洞体相连接；所述缓冲罐还通过第一手动阀、减压阀、第四压力表、文丘里喷射器与风洞洞体相连接；所述文丘里喷射器还与流量秤相连接，所述流量秤与螺旋喂料器相连接，所述螺旋喂料器和储料仓相连接；所述风洞洞体的出口与过滤器、控制阀组顺次连接到真空泵组的一端，所述真空泵组的另一端分别连接消声器和第二手动阀相连接，所述第二手动阀和真空缓冲罐相连接。

一种应用于低压低密度火星尘暴环境模拟装置的模拟方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：进行真空泵组检查，检查所有阀门是否均处于关闭状态；

步骤2：模拟装置上电，检查各设备基本运行状态情况；

步骤3：真空泵组启动，抽取气体直接排放到空气中，达到指定要求最低压力；

步骤4：打开二氧化碳供气气源，试验段压力到达目标数值，阀门低流量维持调节，真空泵组抽取多余气体到缓冲罐中；

步骤5：开启供气调节阀门，风洞内的风速逐渐增加，直至风速与目标风速一致，风速系统达到稳定；

步骤6：打开固体供气阀门，打开螺旋喂料器，通过气量调节阀与传感器、流量秤之间形成的稳定调节关系，保证试验段上的粉尘浓度值满足要求，开始试验；

步骤7：试验结束后，关闭风洞风速系统调节阀门，关闭砂尘系统和抽真空系统；

步骤8：打开回气阀门，关闭二氧化碳入口截止阀门，待回气完成即可进行模型更换或结束试验。

进一步地，风洞内的风速模拟采用引射器作动力装置，当工作压力100Pa～1500Pa，采用CO₂为介质时，风速为5～180m/s。

进一步地，通过液态CO₂储罐中释放出低温液态CO₂到气化器进行气化，气化后的CO₂气体经过稳压装置进行压力调节后注入到缓冲罐中，缓冲罐出来的CO₂气体，经过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力和引射器进入风洞洞体内进行试验。

进一步地，所述引射器作为风洞风速模拟装置可以实现雷诺数过低条件下的风速控制，引射器由压力室和引射喷嘴组成；所述压力室连接阀门控制的供气管路，为引射喷嘴提供稳定的压力，保证所有喷嘴出口气流状态保持一致；所述引射喷嘴使通过喷嘴的超音速气流产生低气压和裹挟作用，从风洞入口引射气体，在试验段形成有效的试验风速；

CO₂气体经供气管路由引射器段底部进入压力室，所述引射器段和支座用法兰固定连接；所述引射器引射的CO₂气体由缓冲罐引出，通过管路并经过电动球阀和稳压阀进入调节阀；所述电动球阀是一种关断阀，其作用是控制供气管路的通断；所述稳压阀的作用是将供气压力稳定在指定的值；所述调节阀的作用是对引射器的供气压力进行精确地调节，来实现控制风洞试验段风速的大小；在所述调节阀前安装CO₂和空气气源转换阀，作为空气回气阀，使舱体气压回到正常大气状态，同时也能够兼顾使用空气作为介质来进行的试验。

进一步地，采用气固射流文丘里喷射器播撒砂尘，喷口采用拉瓦尔喷管形状，利用高压的CO₂气体或空气，通过喷射器对模拟火星尘进行抽吸和输送，通过控制高压气体压力来调节喷射速度；鉴于最大和最小尘流量差距悬殊，在流量秤秤体出口安装螺旋喂料器，通过电机控制喂料机构的旋转速度来控制喂料量，从而控制试验段内尘的浓度。

进一步地，试验气流通过风洞出口经过过滤器和控制阀组抽进真空泵组；所述控制阀组的1套控制阀设置成调节阀，其他控制阀分别设置成电动蝶阀；所述调节阀起到对压力细调的作用，所述电动蝶阀可以使真空泵组在低气压下启动；抽出的气体经真空泵组的出口连接到总排气管道排到室外或通过手动阀排真空缓冲罐中。

本发明有益效果

(1)本发明设计了一个基于超音速引射式的回流型风洞系统，来模拟火星低压低密度砂尘环境，超音速引射器效率更高；对比直线型风洞，回流式风洞不需要巨大的环境舱，风洞自身洞体就可以充当环境舱，同时需要更少的真空泵组就可以实现抽真空目的，经济性更高。

(2)本发明实现舱内气氛CO₂或者空气两种选择，舱内气压0～1500Pa,连续可调，风速5～180m/s,连续可调，砂尘粒径1～100μm，浓度范围0.1～1g/m3，连续可调，且使用真空缓冲罐解决试验时舱内压力难以稳定的难题。

附图说明

图1为本发明低压低密度火星尘暴环境模拟装置组成图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法

本发明是通过以下方案实现的：

一种低压低密度的火星尘暴环境模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置、缓冲罐、手动阀、减压阀、4个压力表、文丘里喷射器、流量秤、螺旋喂料器、储料仓、电动球阀、回气阀、调节阀、流量计、风洞洞体、喷嘴、引射器、过滤器、控制阀组、真空泵组、消声器和真空缓冲罐；所述液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置和缓冲罐顺次连接；所述缓冲罐通过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力表和引射器与风洞洞体相连接；所述缓冲罐还通过第一手动阀、减压阀、第四压力表、文丘里喷射器与风洞洞体相连接；所述文丘里喷射器还与流量秤相连接，所述流量秤与螺旋喂料器相连接，所述螺旋喂料器和储料仓相连接；所述风洞洞体的出口与过滤器、控制阀组顺次连接到真空泵组的一端，所述真空泵组的另一端分别连接消声器和第二手动阀相连接，所述第二手动阀和真空缓冲罐相连接。

一种应用于低压低密度火星尘暴环境模拟装置的模拟方法，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：进行真空泵组检查，检查所有阀门是否均处于关闭状态；

步骤2：模拟装置上电，检查各设备基本运行状态情况；

步骤3：真空泵组启动，抽取气体直接排放到空气中，达到指定要求最低压力；

步骤4：打开二氧化碳供气气源，试验段压力到达目标数值，阀门低流量维持调节，真空泵组抽取多余气体到缓冲罐中；

步骤5：开启供气调节阀门，风洞内的风速逐渐增加，直至风速与目标风速一致，风速系统达到稳定；

步骤6：打开固体供气阀门，打开螺旋喂料器，通过气量调节阀与传感器、流量秤之间形成的稳定调节关系，保证试验段上的粉尘浓度值满足要求，开始试验；

步骤7：试验结束后，关闭风洞风速系统调节阀门，关闭砂尘系统和抽真空系统；

步骤8：打开回气阀门，关闭二氧化碳入口截止阀门，待回气完成即可进行模型更换或结束试验。

风洞内的风速模拟采用引射器作动力装置，当工作压力100Pa～1500Pa，采用CO₂为介质时，风速为5～180m/s。

通过液态CO₂储罐中释放出低温液态CO₂到气化器进行气化，气化后的CO₂气体经过稳压装置进行压力调节后注入到缓冲罐中，缓冲罐出来的CO₂气体，经过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力和引射器进入风洞洞体内进行试验。

所述引射器作为风洞风速模拟装置可以实现雷诺数过低条件下的风速控制，引射器由压力室和引射喷嘴组成；所述压力室连接阀门控制的供气管路，为引射喷嘴提供稳定的压力，保证所有喷嘴出口气流状态保持一致；所述引射喷嘴使通过喷嘴的超音速气流产生低气压和裹挟作用，从风洞入口引射气体，在试验段形成有效的试验风速；

CO₂气体经供气管路由引射器段底部进入压力室，所述引射器段和支座用法兰固定连接；所述引射器引射的CO₂气体由缓冲罐引出，通过管路并经过电动球阀和稳压阀进入调节阀；所述电动球阀是一种关断阀，其作用是控制供气管路的通断；所述稳压阀的作用是将供气压力稳定在指定的值；所述调节阀的作用是对引射器的供气压力进行精确地调节，来实现控制风洞试验段风速的大小；在所述调节阀前安装CO₂和空气气源转换阀，作为空气回气阀，使舱体气压回到正常大气状态，同时也能够兼顾使用空气作为介质来进行的试验。

采用气固射流文丘里喷射器播撒砂尘，喷口采用拉瓦尔喷管形状，利用高压的CO₂气体或空气，通过喷射器对模拟火星尘进行抽吸和输送，通过控制高压气体压力来调节喷射速度；鉴于最大和最小尘流量差距悬殊，在流量秤秤体出口安装螺旋喂料器，通过电机控制喂料机构的旋转速度来控制喂料量，从而控制试验段内尘的浓度。

试验气流通过风洞出口经过过滤器和控制阀组抽进真空泵组；所述控制阀组的1套控制阀设置成调节阀，其他控制阀分别设置成电动蝶阀；所述调节阀起到对压力细调的作用，所述电动蝶阀可以使真空泵组在低气压下启动；抽出的气体经真空泵组的出口连接到总排气管道排到室外或通过手动阀排真空缓冲罐中。

以上对本发明所提出的一种低压低密度火星尘暴环境模拟装置及其方法，进行了详细介绍，对本发明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发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种低压低密度的火星尘暴环境模拟装置，其特征在于：所述模拟装置包括液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置、缓冲罐、手动阀、减压阀、4个压力表、文丘里喷射器、流量秤、螺旋喂料器、储料仓、电动球阀、回气阀、调节阀、流量计、风洞洞体、喷嘴、引射器、过滤器、控制阀组、真空泵组、消声器和真空缓冲罐；所述液态二氧化碳储罐、水溶式汽化器、稳压装置和缓冲罐顺次连接；所述缓冲罐通过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力表和引射器与风洞洞体相连接；所述缓冲罐还通过第一手动阀、减压阀、第四压力表、文丘里喷射器与风洞洞体相连接；所述文丘里喷射器还与流量秤相连接，所述流量秤与螺旋喂料器相连接，所述螺旋喂料器和储料仓相连接；所述风洞洞体的出口与过滤器、控制阀组顺次连接到真空泵组的一端，所述真空泵组的另一端分别连接消声器和第二手动阀相连接，所述第二手动阀和真空缓冲罐相连接。

2.一种如权利要求1所述的低压低密度火星尘暴环境模拟装置的模拟方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：进行真空泵组检查，检查所有阀门是否均处于关闭状态；

步骤2：模拟装置上电，检查各设备基本运行状态情况；

步骤3：真空泵组启动，抽取气体直接排放到空气中，达到指定要求最低压力；

步骤4：打开二氧化碳供气气源，试验段压力到达目标数值，阀门低流量维持调节，真空泵组抽取多余气体到缓冲罐中；

步骤5：开启供气调节阀门，风洞内的风速逐渐增加，直至风速与目标风速一致，风速系统达到稳定；

步骤6：打开固体供气阀门，打开螺旋喂料器，通过气量调节阀与传感器、流量秤之间形成的稳定调节关系，保证试验段上的粉尘浓度值满足要求，开始试验；

步骤7：试验结束后，关闭风洞风速系统调节阀门，关闭砂尘系统和抽真空系统；

步骤8：打开回气阀门，关闭二氧化碳入口截止阀门，待回气完成即可进行模型更换或结束试验。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于：风洞内的风速模拟采用引射器作动力装置，当工作压力100Pa～1500Pa，采用CO₂为介质时，风速为5～180m/s。

4.根据权利要求2所述方法，其特征在于：通过液态CO₂储罐中释放出低温液态CO₂到气化器进行气化，气化后的CO₂气体经过稳压装置进行压力调节后注入到缓冲罐中，缓冲罐出来的CO₂气体，经过第一压力表、电动球阀、稳压阀、回气阀、调节阀、第二压力表、流量计、第三压力和引射器进入风洞洞体内进行试验。

5.根据权利要求3所述方法，其特征在于：所述引射器作为风洞风速模拟装置可以实现雷诺数过低条件下的风速控制，引射器由压力室和引射喷嘴组成；所述压力室连接阀门控制的供气管路，为引射喷嘴提供稳定的压力，保证所有喷嘴出口气流状态保持一致；所述引射喷嘴使通过喷嘴的超音速气流产生低气压和裹挟作用，从风洞入口引射气体，在试验段形成有效的试验风速；

CO₂气体经供气管路由引射器段底部进入压力室，所述引射器段和支座用法兰固定连接；所述引射器引射的CO₂气体由缓冲罐引出，通过管路并经过电动球阀和稳压阀进入调节阀；所述电动球阀是一种关断阀，其作用是控制供气管路的通断；所述稳压阀的作用是将供气压力稳定在指定的值；所述调节阀的作用是对引射器的供气压力进行精确地调节，来实现控制风洞试验段风速的大小；在所述调节阀前安装CO₂和空气气源转换阀，作为空气回气阀，使舱体气压回到正常大气状态，同时也能够兼顾使用空气作为介质来进行的试验。

6.根据权利要求2所述方法，其特征在于：采用气固射流文丘里喷射器播撒砂尘，喷口采用拉瓦尔喷管形状，利用高压的CO₂气体或空气，通过喷射器对模拟火星尘进行抽吸和输送，通过控制高压气体压力来调节喷射速度；鉴于最大和最小尘流量差距悬殊，在流量秤秤体出口安装螺旋喂料器，通过电机控制螺旋喂料器的旋转速度来控制喂料量，从而控制试验段内尘的浓度。

7.根据权利要求2所述方法，其特征在于：试验气流通过风洞出口经过过滤器和控制阀组抽进真空泵组；所述控制阀组的1套控制阀设置成调节阀，其他控制阀分别设置成电动蝶阀；所述调节阀起到对压力细调的作用，所述电动蝶阀能够使真空泵组在低气压下启动；抽出的气体经真空泵组的出口连接到总排气管道排到室外或通过手动阀排到真空缓冲罐中。

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