CN117326106B - 一种连续可调重力环境模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于重力模拟技术领域，尤其涉及一种连续可调重力环境模拟方法及装置，模拟方法包括以下步骤：测试阶段：在正常重力环境下完成实验工况测试；准备阶段：对装置进行调节标定、测试、修正；实验阶段：调整磁场强度和方向，进行零‑微‑超重力实验工况模拟；性能复测阶段：关闭磁场模拟系统，释放剩磁，在正常重力环境下进行复测。本发明可以实现月球、火星及其他行星表面重力环境模拟，为高微重力科学实验设备提供有效高微重力环境模拟，高微重力环境的模拟为流体力学、传热学、材料科学和生物技术科学研究提供新的领域和途径。
Description
技术领域
本发明属于重力模拟技术领域，尤其涉及一种连续可调重力环境模拟方法及装置。
背景技术
随着全球航天技术的不断发展，对微重力环境下的科学实验需求日益增加。以往微重力环境下流体热力状态的实验研究基本上都是通过落塔、飞机抛物线飞行、探空火箭、航天飞机以及国际空间站等方式实现。这些微重力实验平台在微重力持续时间和微重力水平各有所不同。空间站是主要的微重力实验平台，微重力水平达到10-4g～10-6g，是所有微重力实验平台中最好的。探空火箭作为在近地空间进行探测和科学实验的火箭，微重力持续时间几分钟至十几分钟左右，微重力水平可达10-2g～10-3g，实验成本较高。飞机抛物线飞行适合于航天员训练，飞机内部有氧气，飞机在抛物线的顶部，飞机内的人和物体一次自由落体大约20～30秒，微重力水平可达10-2g～10-3g。落塔实验具有微重力时间短，但是可提供的微重力水平较低。
因此，需要设计一种连续可调重力环境模拟方法及装置以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续可调重力环境模拟方法及装置，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种连续可调重力环境模拟方法，包括以下步骤：
测试阶段：在正常重力环境下完成实验工况测试；
准备阶段：对装置进行调节标定、测试、修正；
实验阶段：调整磁场强度和方向，进行零-微-超重力实验工况模拟；
性能复测阶段：关闭磁场模拟系统，释放剩磁，在正常重力环境下进行复测。
优选的，在所述准备阶段，对可视化系统、水平度进行调节，对温度系统、功率系统、磁场强度进行标定，对热响应、电磁兼容性进行测试，对温度系统进行修正。
优选的，在所述实验阶段，磁场力与重力方向相同为超重力模拟工况，磁场力与重力方向相反为微重力模拟工况，磁场力与重力方向相反且相等为零重力模拟工况。
一种连续可调重力环境模拟方法的装置，所述装置用于实施连续可调重力环境模拟方法，所述装置包括稳态强磁场装置，所述稳态强磁场装置内部设置有实验装置，所述实验装置两端设置有温度调节组件，所述稳态强磁场装置外侧设置有影像记录机构和工质填充部，所述影像记录机构与所述实验装置对应设置，所述工质填充部与所述实验装置固定连通，所述实验装置还固定连接有重量测量部，所述重量测量部位于所述稳态强磁场装置外侧，所述稳态强磁场装置内部设置有微重力标定系统。
优选的，所述实验装置包括腔体，所述腔体内部填充有传热工质，所述腔体外侧设置有传热件，所述传热件内侧壁设置有毛细结构，所述腔体与所述传热件连通，所述毛细结构与所述腔体外侧壁之间留有间隙，所述传热件外侧壁设置有若干光纤测温传感器，若干所述光纤测温传感器共同电性连接有温度采集设备，所述温度采集设备位于所述稳态强磁场装置外侧，所述温度调节组件与所述腔体两端固定连接。
优选的，所述温度调节组件包括加热器、冷凝换热器，所述加热器与所述腔体一端固定连接，所述加热器电性连接有程控直流电源，所述冷凝换热器与所述腔体另一端固定连接，所述冷凝换热器固定连通有液冷机组，所述液冷机组与所述程控直流电源均位于所述稳态强磁场装置外侧。
优选的，所述影像记录机构包括两组影像记录部，所述影像记录部与所述腔体端部一一对应，所述影像记录部包括两个可视化反射镜，两个所述可视化反射镜分别位于所述腔体两侧，两个所述可视化反射镜的反射面相对设置，一个所述可视化反射镜位于所述稳态强磁场装置内部，另一个所述可视化反射镜位于所述稳态强磁场装置外侧，所述可视化反射镜的非反射面固定连接有反射镜转动机构，位于所述稳态强磁场装置外侧的所述可视化反射镜的反射面对应设置有摄像头，所述稳态强磁场装置外侧还设置有高频光源，所述高频光源与所述腔体对应设置。
优选的，所述工质填充部包括填充管道，所述填充管道一端位于所述稳态强磁场装置内部且与所述腔体固定连通，所述填充管道另一端位于所述稳态强磁场装置外侧且设置有工质充注阀门和压力传感器。
优选的，所述重量测量部包括重量测量装置，所述重量测量装置位于所述稳态强磁场装置外侧，所述重量测量装置通过柔性固定装置与所述传热件外侧壁固定连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明可以实现月球、火星及其他行星表面重力环境模拟，为高微重力科学实验设备提供有效高微重力环境模拟，高微重力环境的模拟为流体力学、传热学、材料科学和生物技术科学研究提供新的领域和途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为本发明工作原理图；
图2为本发明实验流程图。
其中，1、传热件；2、毛细结构；3、腔体；4、传热工质；5、光纤测温传感器；6、加热器；7、冷凝换热器；8、微重力标定系统；9、实验装置；100、稳态强磁场装置；101、摄像头；102、可视化反射镜；103、高频光源；104、重量测量装置；105、柔性固定装置；106、温度采集设备；107、工质充注阀门；108、压力传感器；109、反射镜转动机构；110、液冷机组；111、程控直流电源；200、测试阶段；201、准备阶段；202、实验阶段；203、性能复测阶段。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-图2，本发明提供一种连续可调重力环境模拟方法，包括以下步骤：
测试阶段：在正常重力环境下完成实验工况测试；确认实验工况设计及实验数据有效性；
准备阶段：对装置进行调节标定、测试、修正；
实验阶段：调整磁场强度和方向，进行零-微-超重力实验工况模拟；再通过各类传感器及影像记录机构评估系统传热性能变化；
性能复测阶段：关闭磁场模拟系统，释放剩磁，在正常重力环境下进行复测；评估实验结果有效性。
进一步优化方案，在准备阶段，对可视化系统、水平度进行调节，对温度系统、功率系统、磁场强度进行标定，对热响应、电磁兼容性进行测试，对温度系统进行修正。
进一步优化方案，在实验阶段，磁场力与重力方向相同为超重力模拟工况，磁场力与重力方向相反为微重力模拟工况，磁场力与重力方向相反且相等为零重力模拟工况。
一种连续可调重力环境模拟方法的装置，装置用于实施连续可调重力环境模拟方法，装置包括稳态强磁场装置100，稳态强磁场装置100内部设置有实验装置9，实验装置9两端设置有温度调节组件，稳态强磁场装置100外侧设置有影像记录机构和工质填充部，影像记录机构与实验装置9对应设置，工质填充部与实验装置9固定连通，实验装置9还固定连接有重量测量部，重量测量部位于稳态强磁场装置100外侧，稳态强磁场装置100内部设置有微重力标定系统8。
稳态强磁场装置100可根据实验需求产生与重力加速度相向或相反稳定均匀的强磁场环境，当磁场强度方向与重力加速度方向相反时通过调整磁场强度可实现零重力(μg)，微重力(如1/6g月球,4/9g火星)环境模拟，当磁场强度方向与重力加速度方向相同时可实现超重力(≥1g)环境模拟。
进一步优化方案，实验装置9包括腔体3，腔体3内部填充有传热工质4，腔体3外侧设置有传热件1，传热件1内侧壁设置有毛细结构2，腔体3与传热件1连通，毛细结构2与腔体3外侧壁之间留有间隙，传热件1外侧壁设置有若干光纤测温传感器5，若干光纤测温传感器5共同电性连接有温度采集设备106，温度采集设备106位于稳态强磁场装置100外侧，温度调节组件与腔体3两端固定连接。
实验装置9可以进行不同尺度基于相变或单相流体传热介质的封闭或开放式的传热学或流体力学测试，腔体3与传热件1为透明且不易磁化非金属材料，传热工质4填充量及系统工作压力可调节。
温度采集设备106采用两种方式，一种为采用光纤光栅测温器件，测温过程不依赖于电信号的传递，不受强磁环境干扰；另一种采用常规热电偶或铂电阻测温方式，由于该测温方式易受强磁环境干扰，使用前应对不同磁场环境下的测温误差进行标定及修正，保障实验系统测温有效性；
进一步优化方案，温度调节组件包括加热器6、冷凝换热器7，加热器6与腔体3一端固定连接，加热器6电性连接有程控直流电源111，冷凝换热器7与腔体3另一端固定连接，冷凝换热器7固定连通有液冷机组110，液冷机组110与程控直流电源111均位于稳态强磁场装置100外侧。
加热器6为不可磁化的非金属基电加热方式，冷凝换热器7为不可磁化的非金属换热方式，可为实验装置提供高低温定温或定热流边界。本发明可以提供两类边界条件模拟，第一类边界条件模拟即定温边界通过非金属换热器进行模拟，第二类边界条件模拟即定热流密度边界采用非接触黑片辐射方式进行模拟。
进一步优化方案，影像记录机构包括两组影像记录部，影像记录部与腔体3端部一一对应，影像记录部包括两个可视化反射镜102，两个可视化反射镜102分别位于腔体3两侧，两个可视化反射镜102的反射面相对设置，一个可视化反射镜102位于稳态强磁场装置100内部，另一个可视化反射镜102位于稳态强磁场装置100外侧，可视化反射镜102的非反射面固定连接有反射镜转动机构109，位于稳态强磁场装置100外侧的可视化反射镜102的反射面对应设置有摄像头101，稳态强磁场装置100外侧还设置有高频光源103，高频光源103与腔体3对应设置。
可视化反射镜102为平行布置的平面镜或凸面镜，利用光的反射及放大原理将实验装置9内部传热工质4流态变化规律实时传至外部摄像头101进行记录和保存，可视化反射镜102通过反射镜转动机构109进行旋转，调整合适角度配合摄像区域进行选择。
进一步优化方案，工质填充部包括填充管道，填充管道一端位于稳态强磁场装置100内部且与腔体3固定连通，填充管道另一端位于稳态强磁场装置100外侧且设置有工质充注阀门107和压力传感器108。
进一步优化方案，重量测量部包括重量测量装置104，重量测量装置104位于稳态强磁场装置100外侧，重量测量装置104通过柔性固定装置105与传热件1外侧壁固定连接。
本发明的工作原理为：稳态强磁场装置100能够在特定区域按实验条件要求产生不同方向连续可调的均匀强磁场环境，弱极性传热工质4受到的地球重力作用可以在任意一点处由磁力完美补偿或增强，进而在地面环境实现长时间，稳定的零-微-超重力环境模拟。
实验装置9由传热件1、毛细结构2、腔体3、传热工质4组成，为便于可视化观察两相工质流动状态，传热件1为具有一定结构强度的透明材料加工成腔体3结构，内部包括用于评估液态工质毛细流动性能变化的毛细结构2，毛细结构2包括并不限于各类三角形槽道、矩形槽道、梯形槽道或Ω形槽道等，各类槽道应与腔体3之间留有用于传热工质4进出的狭缝结构。腔体3主要用于气相工质正向流动(热端至冷端)，腔体3截面尺寸满足相应传热能力下气相工质体积流动需求，气体流速低于当地声速限制，且腔体3内表面保持光滑，尽量减小气体流动阻力。传热工质4包括并不限于去离子水(H2O)、高纯液氨(NH3)以及各种弱极性高品质传热介质，同时传热工质4与传热件1和毛细结构2之间具有良好的相容性。
实验装置9制备过程先将传热件1、毛细结构2、腔体3进行超声清洗烘干，确保内部无多余物堵塞微通道及其他污染物，并进行氦质谱检漏，漏率小于1×10-8pa﹒m3/s，检漏完成后通过工质充注阀门107进行抽真空处理，然后根据需要充注一定量(称重记录)传热工质4。
实验装置9整体安装于(水平或竖直状态)稳态强磁场装置100内部均匀磁场发生区，通过柔性固定装置105与重量测量装置104进行连接，通过重量测量装置104进行系统重量变化评估，同时调节实验装置9处于水平或竖直状态。实验装置9表面按蒸发段至冷凝段依次设置若干光纤测温传感器5并传输至稳态强磁场装置100外部温度采集设备106进行显示和储存，若采用常规模拟电信号温度测量装置(热电偶或铂电阻)，因其测温信号会受到磁场干扰，实验前需要对温度系统进行标定，修正测温系统误差。
实验装置9两端各连接用于热边界模拟的加热器6和冷凝换热器7，加热器6用于实验装置9热源加热功率模拟，采用非金属材料(如碳纤维，陶瓷)等进行功率模拟，以免金属发热材料受到磁场影响感应电势差，影响程控直流电源111设备安全以及功率模拟的准确性。另一端冷凝换热器7采用非金属材料加工的换热器结构，内部流动按设定温度控制冷却介质，液冷机组110为实验装置9冷凝段提供定温或定热流热边界条件，冷却介质温度根据需要通过液冷机组110进行精密调节。
稳态强磁场装置100内部设计微重力标定系统8，即在透明材质抽真空的非金属腔体内部充注一小段与传热工质4相同成分的液柱，微重力标定系统8与磁场方向平行布置，当磁场力逐步增强，液柱所受磁场力当与重力平衡时，该液柱逐步上移，呈悬浮状态。通过微重力标定系统8可更加直观观察到系统内部磁场强度变化，便于评估实验效果。
影像记录机构主要由摄像头101和可视化反射镜102组成，其中摄像头101处于稳态强磁场装置100外部，避免受强磁环境干扰，实验装置9内部气液相变及流动特性图像通过可视化反射镜102发射，折射，放大处理传送至外部摄像头101，其中，可视化反射镜102为平面镜或凸面镜通过反射镜转动机构109进行角度调节，进而实现强磁环境下实验装置9的可视化功能。为增强可视化效果，在稳态强磁场装置100上部设置高频光源103对实验装置9内部进行照明。
实验装置9还设计有工质充注阀门107和压力传感器108，可对实验装置9内部传热工质4填充量进行调节，压力传感器108可对系统内部压力进行实时测量并记录。
本发明实验流程主要分为四个阶段，即测试阶段200、准备阶段201、实验阶段202和性能复测阶段203。
测试阶段200为开始实验前进行无磁场作用下全部实验工况进行测试，其他测试条件均与实验工况相同；准备阶段201为实验装置9进入稳态强磁场装置100开始实验前进行的一系列操作，包括温度系统标定、功率系统标定、可视化系统调试、水平度调节、热响应测试、磁场强度标定及测量、实验系统电磁兼容性测试等过程；准备阶段201操作后即可进行实验阶段202，操作内容包括按计算结果调整稳态强磁场装置100内磁强强度及方向，获得所需磁场强度及分布规律，确保磁场保持不变的进行各种实验工况传热性能测试并与无磁场环境进行对比，通过光纤测温传感器5和压力传感器108对实验系统传热性能进行分析，评估及量化，获取相应实验数据，对实验结果有效性进行评估，调整摄像头101拍摄角度，获得更加清晰直接的气液相变及流动特性可视化图像。性能复测阶段203对实验后系统功能和性能进行测试比对，保证实验数据有效性，撤收各类实验装置，完成全部实验内容。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，提供一种连续可调重力环境模拟装置，所述装置包括稳态强磁场装置（100），所述稳态强磁场装置（100）内部设置有实验装置（9），所述实验装置（9）两端设置有温度调节组件，所述稳态强磁场装置（100）外侧设置有影像记录机构和工质填充部，所述影像记录机构与所述实验装置（9）对应设置，所述工质填充部与所述实验装置（9）固定连通，所述实验装置（9）还固定连接有重量测量部，所述重量测量部位于所述稳态强磁场装置（100）外侧，所述稳态强磁场装置（100）内部设置有微重力标定系统（8）；
所述实验装置（9）包括腔体（3），所述腔体（3）内部填充有传热工质（4），所述腔体（3）外侧设置有传热件（1），所述传热件（1）内侧壁设置有毛细结构（2），所述腔体（3）与所述传热件（1）连通，所述毛细结构（2）与所述腔体（3）外侧壁之间留有间隙，所述传热件（1）外侧壁设置有若干光纤测温传感器（5），若干所述光纤测温传感器（5）共同电性连接有温度采集设备（106），所述温度采集设备（106）位于所述稳态强磁场装置（100）外侧，所述温度调节组件与所述腔体（3）两端固定连接；
包括以下步骤：
测试阶段：在正常重力环境下完成实验工况测试；
准备阶段：对连续可调重力环境装置进行调节标定、测试、修正；
实验阶段：调整磁场强度和方向，进行零-微-超重力实验工况模拟；磁场力与重力方向相同为超重力模拟工况，磁场力与重力方向相反为微重力模拟工况，磁场力与重力方向相反且相等为零重力模拟工况；
性能复测阶段：关闭磁场模拟系统，释放剩磁，在正常重力环境下进行复测。
2.根据权利要求1所述的一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，所述温度调节组件包括加热器（6）、冷凝换热器（7），所述加热器（6）与所述腔体（3）一端固定连接，所述加热器（6）电性连接有程控直流电源（111），所述冷凝换热器（7）与所述腔体（3）另一端固定连接，所述冷凝换热器（7）固定连通有液冷机组（110），所述液冷机组（110）与所述程控直流电源（111）均位于所述稳态强磁场装置（100）外侧。
3.根据权利要求1所述的一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，所述影像记录机构包括两组影像记录部，所述影像记录部与所述腔体（3）端部一一对应，所述影像记录部包括两个可视化反射镜（102），两个所述可视化反射镜（102）分别位于所述腔体（3）两侧，两个所述可视化反射镜（102）的反射面相对设置，一个所述可视化反射镜（102）位于所述稳态强磁场装置（100）内部，另一个所述可视化反射镜（102）位于所述稳态强磁场装置（100）外侧，所述可视化反射镜（102）的非反射面固定连接有反射镜转动机构（109），位于所述稳态强磁场装置（100）外侧的所述可视化反射镜（102）的反射面对应设置有摄像头（101），所述稳态强磁场装置（100）外侧还设置有高频光源（103），所述高频光源（103）与所述腔体（3）对应设置。
4.根据权利要求1所述的一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，所述工质填充部包括填充管道，所述填充管道一端位于所述稳态强磁场装置（100）内部且与所述腔体（3）固定连通，所述填充管道另一端位于所述稳态强磁场装置（100）外侧且设置有工质充注阀门（107）和压力传感器（108）。
5.根据权利要求1所述的一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，所述重量测量部包括重量测量装置（104），所述重量测量装置（104）位于所述稳态强磁场装置（100）外侧，所述重量测量装置（104）通过柔性固定装置（105）与所述传热件（1）外侧壁固定连接。
6.根据权利要求3所述的一种连续可调重力环境模拟方法，其特征在于，在所述准备阶段，对可视化系统、水平度进行调节，对温度系统、功率系统、磁场强度进行标定，对热响应、电磁兼容性进行测试，对温度系统进行修正。
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