一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术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。布情况。布情况。

【技术实现步骤摘要】
一种小天体激励采样及气吹送样真空实验验证系统


[0001]本专利技术涉及空间探测地面实验
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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
‑
11
Pa)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。
[0004]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。
[0005]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
‑
11
Pa差别较大导致高真空实验环境模拟失真。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术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。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]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；
[0009]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。
[0010]进一步地，所述真空舱容积A的计算公式如下：
[0011][0012]Q为送样气体流量，P
g
为气体压强，气体激励后环境动态真空度为P
A
，P
A
大于2.5
×
10
‑1Pa。
[0013]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ρ
p
满足
[0014][0015]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。
[0016]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；
[0017]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。
[0018]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；
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]有益效果：
[0023]1、本专利技术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 Image Velocimetry，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。
[0024]2、本专利技术基于颗粒地面
‑
在轨加速度相等的前提条件下选用特定密度轻质颗粒抵本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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，P
g
为气体压强，气体激励后环境动态真空度为P
A
，P
A
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ρ
p
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔旭，高翔宇，王晓光，林云成，满剑锋，杨旭，张熇，曾福明，许映乔，
申请(专利权)人：北京空间飞行器总体设计部，
类型：发明
国别省市：