本發(fā)明涉及地面模擬火星環(huán)境設備，具體為一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法。

背景技術：

1、火星，作為地球的鄰近行星，擁有超過50億年的歷史，并在人類太空探測和潛在移民中占有重要的地位。然而，火星地表的環(huán)境極為崎嶇復雜，對地面以及空中探測設備的運作提出了極高的要求。特別是火星的極端溫度、低氣壓和特定的氣體成分，這些因素共同構(gòu)成了對探測設備設計和功能實現(xiàn)的巨大挑戰(zhàn)。

2、傳統(tǒng)的火星探測技術如火星車在火星表面的活動受到地形限制顯著，而火星無人機等航天設施則因其高機動性和靈活性，提供了克服這些地形挑戰(zhàn)的可能。針對這一復雜環(huán)境，開發(fā)一種能夠全面模擬火星環(huán)境的地面實驗支持設備顯得尤為重要。這種設備不僅能夠模擬火星的氣壓和特定氣體環(huán)境，還能精確控制極端溫度條件，使之成為一個綜合實驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)將支持進行電流體動力學實驗、等離子體物理學實驗以及對火星無人機等小型航天設施的綜合性能測試。

3、近20年，世界各地的研究機構(gòu)都針對火星環(huán)境設計了相應的實驗臺。在火星無人探索設備研究的初期，模擬仿真是研究者選擇的較為主流的方法，但模擬實驗能夠以一種更為直觀的視角去反映無人機的動力學性能，彌補數(shù)值仿真方法可能存在的模型不合理性與結(jié)果不準確性。

4、綜上所述，在模擬裝置方面，根據(jù)火星與地表主要環(huán)境參數(shù)的差異，火星實驗臺應滿足對大氣環(huán)境、溫度模擬。目前美國、日本和中國等國家相繼開展了火星無人機實驗臺的研究與設計。

5、(1)埃姆斯研究中心塔式實驗臺：2001年美國埃姆斯研究中心初步論證了利用旋翼式無人機垂直起降特性探測火星表面崎嶇地形的可行性。該實驗臺設立在埃姆斯行星風神實驗室的真空環(huán)境中，將真空室內(nèi)氣體密度抽到與火星大氣一致的水平進行實驗，但未進一步整合溫度和氣體成分模擬，環(huán)境仿真的真實性不足。

6、(2)斯坦福大學杠桿實驗臺：2003年美國斯坦福大學設計了以杠桿原理為主題的實驗臺測算無人機旋翼的升力，所處的測試環(huán)境為常溫常壓的地表環(huán)境，并未進行針對火星環(huán)境的模擬。

7、(3)東京大學鐘擺實驗臺：2004年日本東京大學對火星無人機的可行性進行了研究。實驗裝置設置在一個直徑為2.40m，高度為2.73m的真空室內(nèi)，實驗過程未體現(xiàn)氣體成分與溫度的模擬。

8、(4)馬里蘭大學塔式實驗臺：2015年美國馬里蘭大學對小規(guī)?；鹦菬o人機的懸停性能進行了測試其實驗臺建設在一個高度約0.91m的真空室中，實驗過程未體現(xiàn)氣體成分與溫度的模擬。

9、(5)哈爾濱工業(yè)大學杠桿式實驗臺：哈爾濱工業(yè)大學在火星無人機的氣動特性測試裝置方面取得了大量成果。如在斯坦福大學的杠桿式實驗臺的基礎上，通過平衡板和軸承對于轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的升力進行了精確的測量，同時也在東京大學的鐘擺式實驗臺上提出大量改進，但所有成果僅針對火星的壓力和co2環(huán)境進行了測量和模擬，對其他環(huán)境模擬應用有限。

10、(6)“機智號”火星無人機實驗臺：2021年nasa的火星無人機“機智號”首次實現(xiàn)了在火星的自主飛行。測試環(huán)境模擬過程在真空室中，通過填充二氧化碳實現(xiàn)了對火星大氣環(huán)境的模擬，并通過分析驗證了室溫條件下的實驗結(jié)果與實際火星低溫條件下的氣動力學表現(xiàn)接近。

11、可見，大部分實驗臺可以滿足對于火星低大氣密度的模擬。對于大氣成分的模擬，大部分研究機構(gòu)都選擇了空氣作為氣密室中的氣體，而哈爾濱工業(yè)大學和美國加州理工學院噴氣推進(jet)實驗室則選擇了在火星上起絕對主導地位的二氧化碳來進行模擬，無疑使得模擬氣體環(huán)境更加接近真實火星大氣。但是，絕大多數(shù)實驗臺沒有做到對于火星低溫與高溫環(huán)境的模擬。

12、此外大多數(shù)現(xiàn)有精密真空設備在模擬火星地表和天空的極端溫度條件及其對設備性能的影響上存在不足，比如：

13、(1)北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的低氣壓、co2大氣環(huán)境臥式熱真空容器是目前國內(nèi)火星探測器測試研發(fā)的重要設備，容器直徑為4200mm，長度為5000mm。該設備能夠模擬穩(wěn)定的co2氛圍和低氣壓環(huán)境，但并不能進行極端溫度環(huán)境的模擬。

14、(2)英國盧瑟福-阿爾普頓實驗室的stc空間環(huán)境模擬器，直徑為3m，長度約5.5m。該空間環(huán)境模擬器配置臥式容器、氣氮調(diào)溫系統(tǒng)熱沉、壓控系統(tǒng)、太陽模擬器系統(tǒng)和鼓風系統(tǒng)。熱沉溫度為-110～150℃，壓控系統(tǒng)可將壓力維持在700pa，鼓風系統(tǒng)可控制二氧化碳氣流的流速在10m/s左右。該設備曾經(jīng)用于獵犬2號火星著陸器的試驗，但該設備由于空間尺度較大無法獲得較低的系統(tǒng)壓力。

15、(3)美國的jpl10-foot空間環(huán)境模擬器，曾用于“漫步者者號”、“勇氣號”和“機遇號”火星探測器的測試?？臻g環(huán)境模擬器配置控溫冷板，用于模擬空間溫度。主要指標為大氣溫度范圍為-130～20℃，氮氣氣體壓力為100～1300pa。后續(xù)的“好奇號”火星車在25ft空間環(huán)境模擬器中執(zhí)行熱測試，其外部直徑為7.5m，高21m，內(nèi)部試驗空間直徑為6m，高7.5m，熱沉溫度為-180～100℃，遺憾的是該模擬器的溫度模擬能力并沒有達到火星溫度的上限。

16、綜上所述，雖然現(xiàn)有的實驗臺各有特點，但普遍存在未完全模擬火星環(huán)境的不足，特別是在溫度的模擬方面。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為了解決上述提到的現(xiàn)有實驗臺對火星環(huán)境溫度模擬不足的問題，特此提出了一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法。本發(fā)明能夠充分模擬火星表面溫度、氣體環(huán)境及壓力環(huán)境，填補我國在火星環(huán)境地面模擬實驗裝置的不足，為航空航天、火星探測等領域提供基礎實驗的設備支持。

2、本發(fā)明提出了一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙，其具體包括實驗艙上蓋、實驗艙內(nèi)腔體和實驗艙外腔體，實驗艙外腔體上端設置有實驗艙上蓋；實驗艙內(nèi)腔體設置于實驗艙外腔體內(nèi)部并吊裝在實驗艙上蓋下方；實驗艙上蓋包括上端蓋，上端蓋上設置有制冷膨脹機和內(nèi)腔連接真空擋板閥；內(nèi)腔連接真空擋板閥和實驗艙內(nèi)腔體連通，制冷膨脹機和實驗艙內(nèi)腔體連接；實驗艙外腔體包括外層腔體，外層腔體上設置有外腔連接真空擋板閥、外腔后視真空觀察窗、內(nèi)腔進氣通道和外腔進氣通道，外腔連接真空擋板閥和外腔進氣通道均與外層腔體內(nèi)部連通，內(nèi)腔進氣通道和實驗艙內(nèi)腔體連通；實驗艙內(nèi)腔體包括內(nèi)腔體，內(nèi)腔體上設置有若干冷凝器，冷凝器上設置有加熱器，內(nèi)腔體內(nèi)部設置有銅冷屏，制冷膨脹機、冷凝器和銅冷屏依次連接。

3、更進一步地，所述冷凝器上套設有真空波紋管。

4、更進一步地，所述銅冷屏通過螺栓懸空設置在內(nèi)腔體內(nèi)，銅冷屏上設置有冷屏門。

5、更進一步地，所述銅冷屏和內(nèi)腔體內(nèi)壁之間的間距為3～5mm。

6、更進一步地，所述內(nèi)腔連接真空擋板閥通過真空氣路鋼管和內(nèi)腔體連通，真空氣路鋼管、內(nèi)腔進氣通道和外腔進氣通道上設置有脹力彎結(jié)構(gòu)。

7、更進一步地，所述內(nèi)腔體上設置有實驗內(nèi)腔門、內(nèi)腔俯視真空觀察窗和內(nèi)腔后視真空觀察窗，實驗內(nèi)腔門上設置有內(nèi)腔主視真空觀察窗。

8、更進一步地，所述內(nèi)腔體上端設置有低電壓真空航插和高電壓真空航插。

9、更進一步地，所述外層腔體上設置有實驗艙門，實驗艙門上設置有外腔主視真空觀察窗。

10、更進一步地，所述上端蓋上設置有有高壓電真空航插、低壓電真空航插、俯視真空觀察窗和壓力表，低壓電真空航插和加熱器連接；上端蓋下表面通過若干螺紋吊桿和內(nèi)腔體連接。

11、一種采用上述的用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙的實驗方法，包括以下步驟：

12、將實驗物放入銅冷屏中，對內(nèi)腔體和外層腔體分別抽真空，達到實驗要求的真空度后，充入co2氣體；達到預定壓強后停止充氣；

13、啟動制冷膨脹機開始制冷操作或啟動加熱器開始加熱操作；

14、實驗結(jié)束后，關閉制冷膨脹機或加熱器，待艙體溫度恢復至室溫，氣體進入腔體后再開啟艙門，取出實驗件。

15、本發(fā)明所述的一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法的有益效果為：

16、(1)本發(fā)明所述的一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法，克服了現(xiàn)有實驗臺對火星環(huán)境溫度模擬不足的問題，在腔體真空度方面能夠?qū)崿F(xiàn)超低的真空度，通過分子泵對實驗艙內(nèi)腔體和實驗艙外腔體進行抽真空，實驗艙外腔體極限真空為2.6×10-4pa，實驗艙內(nèi)腔體極限真空為3.4×10-4pa，從大氣壓抽至5.0×10-3pa均小于35min；在溫度控制方面能夠?qū)崿F(xiàn)大跨度的溫度控制，制冷膨脹機通過柔性銅導冷帶將冷量傳遞給冷凝器，冷凝器將冷量傳遞給銅冷屏對試驗區(qū)域降溫，加熱器產(chǎn)生的熱量通過冷凝器傳導至銅冷屏上對實驗區(qū)域升溫，實驗艙內(nèi)腔體內(nèi)溫度范圍下至低溫-150℃上至高溫120℃，且溫度變化速率小于1℃/min；

17、(2)本發(fā)明所述的一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法，支持各種氣體組分的輸入，可靈活針對腔體內(nèi)空間環(huán)境進行氣體組分調(diào)控，如以二氧化碳為主的火星環(huán)境氣體組分；

18、(3)本發(fā)明所述的一種用于火星環(huán)境模擬測試的低壓溫控實驗艙及實驗方法，在不使用溫度控制系統(tǒng)時，可以主動拆卸實驗艙內(nèi)腔體僅使用實驗艙外腔體來進行操作來獲得更大更直觀的實驗操作空間。腔體預留的低壓電真空航插支持腔體內(nèi)部各種傳感器的供電，高壓電真空航插能夠滿足腔內(nèi)的30kv以內(nèi)的強電壓實驗。