本技术介绍了一种新型的低压温控实验舱及其实验技术,专门用于模拟火星环境测试。该技术属于地面模拟火星环境设备技术领域,旨在提升火星环境模拟设备的综合模拟能力,特别是在温度控制方面,以满足火星探测任务的需求。
背景技术
火星,作为地球的邻近行星,拥有超过50亿年的历史,并在人类太空探测和潜在移民中占有重要的地位。然而,火星地表的环境极为崎岖复杂,对地面以及空中探测设备的运作提出了极高的要求。特别是火星的极端温度、低气压和特定的气体成分,这些因素共同构成了对探测设备设计和功能实现的巨大挑战。
传统的火星探测技术如火星车在火星表面的活动受到地形限制显著,而火星无人机等航天设施则因其高机动性和灵活性,提供了克服这些地形挑战的可能。针对这一复杂环境,开发一种能够全面模拟火星环境的地面实验支持设备显得尤为重要。这种设备不仅能够模拟火星的气压和特定气体环境,还能精确控制极端温度条件,使之成为一个综合实验系统。该系统将支持进行电流体动力学实验、等离子体物理学实验以及对火星无人机等小型航天设施的综合性能测试。
近20年,世界各地的研究机构都针对火星环境设计了相应的实验台。在火星无人探索设备研究的初期,模拟仿真是研究者选择的较为主流的方法,但模拟实验能够以一种更为直观的视角去反映无人机的动力学性能,弥补数值仿真方法可能存在的模型不合理性与结果不准确性。
综上所述,在模拟装置方面,根据火星与地表主要环境参数的差异,火星实验台应满足对大气环境、温度模拟。目前美国、日本和中国等国家相继开展了火星无人机实验台的研究与设计。
(1)埃姆斯研究中心塔式实验台:2001年美国埃姆斯研究中心初步论证了利用旋翼式无人机垂直起降特性探测火星表面崎岖地形的可行性。该实验台设立在埃姆斯行星风神实验室的真空环境中,将真空室内气体密度抽到与火星大气一致的水平进行实验,但未进一步整合温度和气体成分模拟,环境仿真的真实性不足。
(2)斯坦福大学杠杆实验台:2003年美国斯坦福大学设计了以杠杆原理为主题的实验台测算无人机旋翼的升力,所处的测试环境为常温常压的地表环境,并未进行针对火星环境的模拟。
(3)东京大学钟摆实验台:2004年日本东京大学对火星无人机的可行性进行了研究。实验装置设置在一个直径为2.40m,高度为2.73m的真空室内,实验过程未体现气体成分与温度的模拟。
(4)马里兰大学塔式实验台:2015年美国马里兰大学对小规模火星无人机的悬停性能进行了测试其实验台建设在一个高度约0.91m的真空室中,实验过程未体现气体成分与温度的模拟。
(5)哈尔滨工业大学杠杆式实验台:哈尔滨工业大学在火星无人机的气动特性测试装置方面取得了大量成果。如在斯坦福大学的杠杆式实验台的基础上,通过平衡板和轴承对于转子产生的升力进行了精确的测量,同时也在东京大学的钟摆式实验台上提出大量改进,但所有成果仅针对火星的压力和CO2
环境进行了测量和模拟,对其他环境模拟应用有限。
(6)“机智号”火星无人机实验台:2021年NASA的火星无人机“机智号”首次实现了在火星的自主飞行。测试环境模拟过程在真空室中,通过填充二氧化碳实现了对火星大气环境的模拟,并通过分析验证了室温条件下的实验结果与实际火星低温条件下的气动力学表现接近。
可见,大部分实验台可以满足对于火星低大气密度的模拟。对于大气成分的模拟,大部分研究机构都选择了空气作为气密室中的气体,而哈尔滨工业大学和美国加州理工学院喷气推进(Jet)实验室则选择了在火星上起绝对主导地位的二氧化碳来进行模拟,无疑使得模拟气体环境更加接近真实火星大气。但是,绝大多数实验台没有做到对于火星低温与高温环境的模拟。
此外大多数现有精密真空设备在模拟火星地表和天空的极端温度条件及其对设备性能的影响上存在不足,比如:
(1)北京卫星环境工程研究所研制的低气压、CO2
大气环境卧式热真空容器是目前国内火星探测器测试研发的重要设备,容器直径为4200mm,长度为5000mm。该设备能够模拟稳定的CO2
氛围和低气压环境,但并不能进行极端温度环境的模拟。
(2)英国卢瑟福-阿尔普顿实验室的STC空间环境模拟器,直径为3m,长度约5.5m。该空间环境模拟器配置卧式容器、气氮调温系统热沉、压控系统、太阳模拟器系统和鼓风系统。热沉温度为-110~150℃,压控系统可将压力维持在700Pa,鼓风系统可控制二氧化碳气流的流速在10m/s左右。该设备曾经用于猎犬2号火星着陆器的试验,但该设备由于空间尺度较大无法获得较低的系统压力。
(3)美国的JPL10-foot空间环境模拟器,曾用于“漫步者者号”、“勇气号”和“机遇号”火星探测器的测试。空间环境模拟器配置控温冷板,用于模拟空间温度。主要指标为大气温度范围为-130~20℃,氮气气体压力为100~1300Pa。后续的“好奇号”火星车在25ft空间环境模拟器中执行热测试,其外部直径为7.5m,高21m,内部试验空间直径为6m,高7.5m,热沉温度为-180~100℃,遗憾的是该模拟器的温度模拟能力并没有达到火星温度的上限。
综上所述,虽然现有的实验台各有特点,但普遍存在未完全模拟火星环境的不足,特别是在温度的模拟方面。
实现思路