CN116772916A - 一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，将PIV流速测量系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量送样管道内示踪粒子的流速进行流场特性实验验证；将高速摄影系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量模拟星壤颗粒的流速进行颗粒物特性实验验证；信号采集系统用于同步测量送样管道待测管段所有测点的气体压强及实时监测真空舱内真空度；控制系统用于控制各系统工作时序。本发明能够进行地面重力真空环境下的气体激励采样与气吹送样验证，并测量出流场的流速与分布情况。
Description
技术领域
本发明涉及空间探测地面实验技术领域，具体涉及一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统。
背景技术
在高真空、微重力空间探测环境下，气体定向激励是一种高效可靠的样品收集方式，整个系统涉及的供气组件、送样喷管、输送管道与样品封装容器等装置。星壤采集过程中，气流从高压进入真空环境急速膨胀后以超高声速的速度携带星壤颗粒沿细长送样管道流动，星壤到达样品封装容器通过过滤方式完成气固分离。采样全过程中输送路径内气体流场结构复杂，存在激波与激波作用、激波与边界层干扰等现象，需通过地面实验系统模拟高真空微重力环境验证样品采集装置的流场输送特性与颗粒运动特征。
针对小天体表面采样与送样过程的地面验证实验系统，主要难点是模拟目标小天体高真空(～10-11Pa)和弱引力(～10-5g)的采样环境。目前，常用的模拟真空环境的方法主要采用不同尺寸规模和抽真空泵能力的真空系统来实现，前者限定了实验过程中的动态真空度，后者决定了实验前环境的初始真空度。微重力模拟方法包括落塔方法、失重飞机、轻质星壤、水浮法、气浮法、悬吊法等，前三种手段主要模拟动态过程，后三种主要用于模拟静态的重力平衡。
国内外调研结果表明落塔与失重飞机更适宜模拟空间微重力环境，两者的残余力加速度小，可实现样品运动的微重力模拟。其中，日本隼鸟2号任务采用德国不莱梅大学的ZARM落塔开展了弹击采样验证实验与棘刺捞取验证实验，实验过程中采用了真空箱系统同时模拟了真空环境，采样对象为玻璃珠(粒径从几百微米至1mm、1～4mm)，观测采用了透明外壳与高速摄像，并与地面实验进行对比，实验结果表明微重力对采样有利，获取采样量约是地球重力下实验结果的10倍。美国欧西里斯任务为模拟小行星微重力环境，共进行了4个阶段的失重飞机实验，前两个阶段飞行主要对气体激励的原理进行验证，后两个阶段主要对产品确定状态后的采样能力验证，实验没有模拟真空环境，采样对象为粒径较小的级配星壤，观测采用了高速摄像，并与地面实验进行对比，失重条件下取得采样量至少是地面重力条件下的样品的4～5倍。
上述两种环境实验能在5～10s短时间获得较好的微重力条件，但实验时间较短成本较高，同时由于落塔和失重飞机空间的限制携带的真空系统体积较小导致两个情况：1)初始真空度仅能达到～10Pa；2)动态真空度在吹气情况下很快就达kPa的量级，上述两点说明了实验过程中距离目标小天体～10-11Pa差别较大导致高真空实验环境模拟失真。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，能够进行地面重力真空环境下的气体激励采样与气吹送样验证，并测量出流场的流速与分布情况。
本发明采用的技术方案如下：
一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，包括真空舱、送样管道、供气系统Ⅰ、供气系统Ⅱ、示踪粒子发生器、控制系统、PIV流速测量系统、高速摄影系统和信号采集系统；
所述供气系统Ⅰ与示踪粒子发生器串联，所述供气系统Ⅰ的送气端口设置在送样管道入口和送样管道中部，用于提供示踪粒子并激励模拟星壤颗粒；所述供气系统Ⅱ的送气端口设置在送样管道起始段、中段，用于吹除附着于管道内壁的示踪粒子；所述送样管道、示踪粒子发生器均位于真空舱内部；所述PIV流速测量系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量送样管道内的示踪粒子的流速进行流场特性实验验证；所述高速摄影系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量模拟星壤颗粒的流速进行颗粒物特性实验验证；所述信号采集系统用于同步测量送样管道待测管段所有测点的气体压强以及实时监测真空舱内真空度；所述控制系统用于控制供气系统、吹除系统、PIV流速测量系统、高速摄影系统的工作时序。
进一步地，所述真空舱容积A的计算公式如下：
Q为送样气体流量，Pg为气体压强，气体激励后环境动态真空度为PA，PA大于2.5×10-1Pa。
进一步地，实际采样过程与地面试验单个颗粒加速度相同时，所述模拟星壤颗粒的密度ρp满足
F为模拟星壤颗粒在气流中所受气动力，m为地面试验单个颗粒质量，m0为与在轨星壤密度一致的同体积颗粒质量，d为模拟星壤颗粒粒径。
进一步地，所述供气系统Ⅰ包括氮气缓冲罐、减压阀、流量计、电磁阀、穿舱法兰、压力传感器、采样喷管、送样喷管以及管路；
氮气缓冲罐通过管路供气，管路通过穿舱法兰伸入真空舱内，并与示踪粒子发生器串联，穿舱法兰设置在真空舱上，示踪粒子发生器通过管路分别与采样喷管、送样喷管连接，采样喷管位于送样管道入口，送样喷管位于送样管道中部；所述减压阀、流量计设置在氮气缓冲罐与穿舱法兰之间的管路上；在示踪粒子发生器前面、后面以及采样喷管前面的管路上分别设置电磁阀；所述压力传感器设置在送样管道入口的管路上，确保入口压力。
进一步地，所述PIV流速测量系统包括激光器、舱内导光臂、舱外导光臂、透射反射镜组、石英玻璃法兰及片光模块；
所述舱内导光臂、舱外导光臂内均设有透射反射镜组，所述激光器、舱外导光臂设置在真空舱外，舱内导光臂设置在真空舱内，石英玻璃法兰固定在真空舱上，所述激光器发射的光束依次经过舱外导光臂、舱内导光臂的反射后聚焦到片光模块上，由片光模块分光反射到送样管道待测管段的两个待测区域。
进一步地，所述高速摄影系统包括图像处理平台、两台高速摄影仪及配套LED光源，两台高速摄影仪位于真空舱内，分别对应送样管道待测管段的两个待测区域，高速摄影仪采集到的数据传输给真空舱外部的图像处理平台，图像处理平台通过同步器与激光器的连接。
进一步地，所述送样管道待测管段的待测区域段采用石英玻璃。
有益效果：
1、本发明提出了基于地面大型真空舱采用模拟星壤颗粒进行地面重力真空环境下的气体激励采样与气吹送样验证，同时采用非接触式粒子图像测速法(Particle ImageVelocimetry，简称PIV)，利用微米级示踪粒子混入气体输送颗粒流场中，间接可视化测量出流场的流速与分布情况，实现高真空下气吹流场的可视化动态监测，解决传统测量方式对流场干扰强、测量范围窄、精度差和时间分辨率低的问题，开展1.0e-3Pa、1.0e-1Pa......500Pa不同背压气吹采样影响实验，实现流速精度优于10％、时间分辨率可达100ms的流场特性采集。
2、本发明基于颗粒地面-在轨加速度相等的前提条件下选用特定密度轻质颗粒抵消地面重力影响，获取颗粒在流场中运动特征，能够等效地验证真空微重力环境下小天体气体激励采样与气吹送样技术的在轨应用状况。
3、本发明采用低密度材料的模拟星壤颗粒进行地面重力真空环境下气吹采送样验证，实现了同一实验系统下验证高真空与微重力环境条件综合作用下对气体采样的影响，克服了重力、颗粒间碰撞、颗粒与壁面的碰撞等地面试验的影响。
4、考虑到示踪粒子发生器本身具有缓冲罐的特性会引起气路压强不稳定，且实验过程中示踪粒子数目会随着供气系统管路的增长而减小，因此，为提供满足要求的入口条件并保证测量质量，本发明将示踪粒子发生器放置于真空舱内以减小示踪粒子发生器到采样喷管的距离，同时使用三电磁阀方案，即在示踪粒子发生器前、后以及主喷管前三个位置分别设置电磁阀，通过时序控制减弱发生器对气路压强的影响；其次，在送样管道入口的管路上设置压力传感器，进行压强测量，确保为实验提供满足要求的入口压力。
附图说明
图1为本发明小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统组成示意图。
图2为本发明PIV流速测量系统结构示意图。
图3为本发明采样全链路流场特性测量实验测点坐标系示意图。
图4为本发明采样全链路颗粒物特性测量实验测点坐标系示意图。
图5为本发明验证流程图。
其中，1-氮气缓冲罐Ⅰ、2-氮气缓冲罐Ⅱ、3-减压阀Ⅰ、4-溅射薄膜压力传感器Ⅰ、5-溅射薄膜压力传感器Ⅱ、6-气动软管Ⅰ、7-流量计Ⅰ、8-流量计Ⅱ、9-二级减压阀、10-三通快插、11-示踪粒子发生器、12-示踪粒子吹出用电磁阀、13-手阀、14-示踪粒子气路手阀、15-卡套接头和转球头接头、16-气路穿舱法兰、17-粒子发生器前电磁阀、18-粒子发生器后电磁阀、19-二位三通电磁阀、20-气动软管Ⅱ、21-溅射薄膜压力传感器Ⅲ、22-采样喷管、23-微差压变送器、24-送样管道、25-片光模块、26-舱内导光臂、28-石英玻璃法兰、29-舱外导光臂、30-激光器、31-同步器、32-图像处理平台、33-相机电路穿舱法兰、34-高速摄影仪、35-真空舱、36-线缆穿舱法兰、37-控制系统、38-送样喷管。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，包括真空舱35、供气系统与测量系统三大部分，系统构成示意图附图1所示。具体地，供气系统用于在不同背压下向送样管道24入口处提供稳定压强气源，供气系统包括供气系统Ⅰ、供气系统Ⅱ、示踪粒子发生器11；测量系统包括控制系统37、PIV流速测量系统、高速摄影系统和信号采集系统。
供气系统Ⅰ与示踪粒子发生器11串联，供气系统Ⅰ的送气端口设置在送样管道24入口和送样管道24中部，用于提供示踪粒子并激励真空舱35内的模拟星壤颗粒；供气系统Ⅱ的送气端口设置在送样管道24起始段、中段，用于吹除附着于管道内壁的示踪粒子；送样管道24、示踪粒子发生器11均位于真空舱35内部。
供气系统Ⅰ包括氮气缓冲罐Ⅰ1、减压阀组、流量计Ⅰ7、电磁阀组、气路穿舱法兰16、压力传感器组、采样喷管22、送样喷管38以及管路；管路采用气动软管，包括气动软管Ⅰ6、气动软管Ⅱ20。
氮气缓冲罐Ⅰ1(氮气瓶及稳压罐)通过气动软管Ⅰ6供气，选择缓冲罐作为气源，以此提高系统的稳定性，气动软管Ⅰ6通过气路穿舱法兰16伸入真空舱35内，并与示踪粒子发生器11串联，管路与气路穿舱法兰16通过卡套接头和转球头接头15连接，气路穿舱法兰16设置在真空舱35上，示踪粒子发生器11分别通过气动软管Ⅰ6、气动软管Ⅱ20与采样喷管22、送样喷管38连接，气动软管Ⅱ20另一端与气动软管Ⅰ6末端连通，采样喷管22位于送样管道24入口，送样喷管38位于送样管道24中部；减压阀组、流量计Ⅰ7设置在氮气缓冲罐Ⅰ1与气路穿舱法兰16之间的管路上，流量计Ⅰ7之后的管路上还设有示踪粒子气路手阀14，本实施例中，减压阀组包括减压阀Ⅰ3、二级减压阀9，减压阀Ⅰ3设置在氮气缓冲罐Ⅰ1与流量计Ⅰ7之间的管路上，二级减压阀9设置在流量计Ⅰ7与示踪粒子气路手阀14之间的管路上。在示踪粒子发生器11前面、后面以及采样喷管22前面的管路上分别设置电磁阀，分别为：粒子发生器前电磁阀17、粒子发生器后电磁阀18、二位三通电磁阀19；压力传感器组包括溅射薄膜压力传感器Ⅰ4、溅射薄膜压力传感器Ⅲ21，溅射薄膜压力传感器Ⅰ4设置在减压阀Ⅰ3与流量计Ⅰ7之间的管路上，溅射薄膜压力传感器Ⅲ21设置在送样管道24入口的管路上进行压强测量，确保为实验提供满足要求的入口压力，并通过设置在送样管道24起始端的微差压变送器23来测量送样流场中存在的压差变化。
供气系统Ⅱ包括氮气缓冲罐Ⅱ2、减压阀Ⅰ3、流量计Ⅱ8、气路穿舱法兰16、溅射薄膜压力传感器Ⅱ5、示踪粒子吹出用电磁阀12、手阀13、以及管路；管路采用气动软管Ⅰ6。
氮气缓冲罐Ⅱ2通过气动软管Ⅰ6供气，选择缓冲罐作为气源，以此提高系统的稳定性，气动软管Ⅰ6通过气路穿舱法兰16伸入真空舱35内，气动软管Ⅰ6通过三通快插10分为两路连接到送样管道24起始段、中段，且这两路管路上均设有示踪粒子吹出用电磁阀12。减压阀Ⅰ3、流量计Ⅱ8设置在氮气缓冲罐Ⅱ2与气路穿舱法兰16之间的管路上，溅射薄膜压力传感器Ⅱ5设置在2减压阀Ⅰ3、流量计Ⅱ8之间的管路上，流量计Ⅱ8之后的管路上还设有手阀13。
PIV流速测量系统设置在送样管道24待测管段外部，通过测量送样管道24内的示踪粒子的流速进行流场特性实验验证。
如图2所示，PIV流速测量系统包括激光器30、舱内导光臂26、舱外导光臂29、透射反射镜组、石英玻璃法兰28及片光模块25；激光器30采用Vlite-200激光器，舱内导光臂26、舱外导光臂29内均设有透射反射镜组，激光器30、舱外导光臂29设置在真空舱35外，舱内导光臂26设置在真空舱35内，石英玻璃法兰28固定在真空舱35上，激光器30发射的光束依次经过舱外导光臂29、舱内导光臂26的反射后聚焦到片光模块25上，由片光模块25分光反射到送样管道24待测管段的两个待测区域，片光模块25应用球面镜的聚焦反射技术。利用同一台激光器30为两个待测区域提供背景光源，实现了PIV对两个测量区域气体速度的同步测量。
高速摄影系统设置在送样管道24待测管段外部，通过测量模拟星壤颗粒的流速进行颗粒物特性实验验证。
高速摄影系统包括图像处理平台32、相机电路穿舱法兰33、两台高速摄影仪34及配套LED光源，两台高速摄影仪34位于真空舱35内，分别对应送样管道24待测管段的两个待测区域，配套LED光源设置在两台高速摄影仪34对面进行照明，高速摄影仪34采集到的数据传输给真空舱35外部的图像处理平台32，高速摄影仪34的数据线通过相机电路穿舱法兰33与图像处理平台32连接。高速摄影仪34采用FlowSense EO 6M-25相机，位于相机真空保护罩内。图像处理平台32通过同步器31与激光器30的连接。
送样管道24采用分段测量，测量哪段时，将PIV流速测量系统和高速摄影系统对应设置在该管段外侧。本实施中每个待测管段均设两个测点即待测区域，待测区域段采用石英玻璃。
信号采集系统用于同步测量送样管道24待测管段所有测点的气体压强以及实时监测真空舱35内真空度；采用压强传感器和真空规。在送样管道24的起始段、中段、末段关键位置分别打孔并安装压强传感器测量管壁压强。
如图3所示，选用全尺寸送样管道模型进行气体流场特性测量，送样管道24划分为I、II和III三段，并在送样管道24外设置P1～P12共12个静压测点进行管内气体静压测量，即在静压测点设置压强传感器。设置A、B和E共三个区域进行管内流速测量。每个工况需进行两次实验，一次同时测量A、B区域，另一次测量E区域，两次实验除PIV测量位置存在区别外(即测量哪个区域设置在该区域管段外)气路系统保持一致。
如图4所示，进行气体激励全链路颗粒运动特性测量时，通过数据对比以确认实验状态与流场特性测量实验保持一致，设置S1、S2和S3共三个区域采用高速摄影仪34进行管内颗粒物特性测量，除示踪粒子发生器11中无示踪粒子外，气路系统与图1所示保持一致。
控制系统37用于控制供气系统、吹除系统、PIV流速测量系统、高速摄影系统的工作时序。控制系统37设置在真空舱35外，通过线缆穿舱法兰36与舱内电连。
真空舱35模拟目标小天体的真空环境，主要体现在实验中初始真空度P0和动态真空度PA。基于小天体气体采样气固耦合数值模拟和实验测试结果，当动态真空度大于2.5×10-1Pa时气体喷嘴流场才能和绝对真空环境下一致。其中真空实验动态真空度取决于真空舱35容积的大小，容积越大真空度对送样气体流量越不敏感。气吹采样过程中，假设送样气体流量为Q(L/min)，气体压强为Pg(MPa)，气体激励后环境动态真空度为PA(Pa/s)，真空舱容积为A(m3)的计算方式如式(1)所示：
为保证在地面实验中模拟星壤颗粒受气体作用的加速度与微重力状态下加速度一致，需要选取合适密度的材质制备模拟星壤颗粒。实际采样过程为真空微重力环境，可以认为星壤颗粒仅受气流作用，地面模拟真空试验模拟星壤颗粒除受到气流作用外，重力的影响也不可忽视。根据牛顿第二定律，实际采样过程与地面试验单个模拟星壤颗粒加速度相同时，满足以下关系式(2)：
其中，F为颗粒在气流中所受气动力，m为地面试验单个模拟星壤颗粒质量，m0为与在轨星壤密度一致的同体积模拟星壤颗粒质量。经过代换可得地面模拟试验颗粒密度ρp为式(3)所示。实际实验过程中，考虑颗粒间碰撞、颗粒与壁面的碰撞，d为模拟星壤颗粒粒径，一般取1-20mm，试验中ρp取值应该小于理论计算值。
本实验通过大型真空舱模拟目标小天体高真空环境，将实验布置于真空舱35内，验证不同背压对气吹采样转样的影响并记录实验过程数据，实验流程如图5所示，包括以下步骤：
a、实验前测试设备状态检查。要求检查送样管道24的气密性；检查流量计、压强传感器和电磁阀的有效性；检查喷管与送样管道24的相对位置；检查高速摄影仪34、LED光源和管段待测区域的相对位置。
b、连接信号采集电缆，接好测量电路，用万用表检查导通性，并接入采集仪器看空载下信号的正确性。
c、根据供气系统、压强传感器、PIV流速测量系统或高速摄影系统、信号采集系统的时序要求，完成控制系统37的时序控制设置。先进行流场特性实验验证，再进行颗粒物特性实验验证。
d、依据实验细则在标准大气压环境下实施实验，验证试验过程中微差压变送器23和高速摄影仪34对送样流场测量结果的有效性。
e、进行真空舱35关舱检查，检查通过后启动真空抽气系统进行抽真空，达到一定要求的真空度。若真空度不达标则继续进行抽真空。
f、依据实验细则，根据分工及口令表实施实验，并通过数据记录表记录实验参数和结果。若试验过程中真空环境与供气参数等出现异常，需排查故障解决问题后，重新实施该工况返回至抽真空步骤。
g、储存电子版数据。
h、结束实验，开舱准备下一阶段实验。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，包括真空舱、送样管道、供气系统Ⅰ、供气系统Ⅱ、示踪粒子发生器、控制系统、PIV流速测量系统、高速摄影系统和信号采集系统；
所述供气系统Ⅰ与示踪粒子发生器串联，所述供气系统Ⅰ的送气端口设置在送样管道入口和送样管道中部，用于提供示踪粒子并激励模拟星壤颗粒；所述供气系统Ⅱ的送气端口设置在送样管道起始段、中段，用于吹除附着于管道内壁的示踪粒子；所述送样管道、示踪粒子发生器均位于真空舱内部；所述PIV流速测量系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量送样管道内的示踪粒子的流速进行流场特性实验验证；所述高速摄影系统设置在送样管道待测管段外部，通过测量模拟星壤颗粒的流速进行颗粒物特性实验验证；所述信号采集系统用于同步测量送样管道待测管段所有测点的气体压强以及实时监测真空舱内真空度；所述控制系统用于控制供气系统、吹除系统、PIV流速测量系统、高速摄影系统的工作时序。
2.如权利要求1所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，所述真空舱容积A的计算公式如下：
Q为送样气体流量，Pg为气体压强，气体激励后环境动态真空度为PA，PA大于2.5×10- 1Pa。
3.如权利要求1所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，实际采样过程与地面试验单个颗粒加速度相同时，所述模拟星壤颗粒的密度ρp满足
F为模拟星壤颗粒在气流中所受气动力，m为地面试验单个颗粒质量，m0为与在轨星壤密度一致的同体积颗粒质量，d为模拟星壤颗粒粒径。
4.如权利要求1所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，所述供气系统Ⅰ包括氮气缓冲罐、减压阀、流量计、电磁阀、穿舱法兰、压力传感器、采样喷管、送样喷管以及管路；
氮气缓冲罐通过管路供气，管路通过穿舱法兰伸入真空舱内，并与示踪粒子发生器串联，穿舱法兰设置在真空舱上，示踪粒子发生器通过管路分别与采样喷管、送样喷管连接，采样喷管位于送样管道入口，送样喷管位于送样管道中部；所述减压阀、流量计设置在氮气缓冲罐与穿舱法兰之间的管路上；在示踪粒子发生器前面、后面以及采样喷管前面的管路上分别设置电磁阀；所述压力传感器设置在送样管道入口的管路上，确保入口压力。
5.如权利要求1-4任意一项所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，所述PIV流速测量系统包括激光器、舱内导光臂、舱外导光臂、透射反射镜组、石英玻璃法兰及片光模块；
所述舱内导光臂、舱外导光臂内均设有透射反射镜组，所述激光器、舱外导光臂设置在真空舱外，舱内导光臂设置在真空舱内，石英玻璃法兰固定在真空舱上，所述激光器发射的光束依次经过舱外导光臂、舱内导光臂的反射后聚焦到片光模块上，由片光模块分光反射到送样管道待测管段的两个待测区域。
6.如权利要求5所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，所述高速摄影系统包括图像处理平台、两台高速摄影仪及配套LED光源，两台高速摄影仪位于真空舱内，分别对应送样管道待测管段的两个待测区域，高速摄影仪采集到的数据传输给真空舱外部的图像处理平台，图像处理平台通过同步器与激光器的连接。
7.如权利要求6所述的小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统，其特征在于，所述送样管道待测管段的待测区域段采用石英玻璃。
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| CN202310311590.9A CN116772916A (zh) | 2023-03-28 | 2023-03-28 | 一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117165912A (zh) * | 2023-09-11 | 2023-12-05 | 浙江积嘉光电有限公司 | 磁控溅射腔室数据监测的方法及系统 |
| CN117590021A (zh) * | 2023-10-27 | 2024-02-23 | 北京东方计量测试研究所 | 基于失重飞机真空舱的粒子图像测速系统 |
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2023
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