[发明专利]一种通过磁补偿实现微重力液氧的可视化实验装置

说明书

本发明公开了一种通过磁补偿实现微重力液氧的可视化实验装置，包括简易液氧制备装置、液氧存储装置、磁补偿装置、氮气保护系统、影像采集系统；液氧存储装置设置为接收简易液氧制备装置制备得到的液氧；氮气保护系统包括高压氮气瓶、氮气减压阀、氮气PU管、氮气喷嘴，为液氧的观察提供氮气保护；磁补偿装置包括超导线圈、真空腔、液氦温区冷源，用于提供磁场力；影像采集系统包括内窥镜、条形光源和电脑。本发明利用液氧高顺磁特性，通过调节低温超导磁体线圈的电流来精确控制磁场平方梯度，在特定空间范围内实现长时间持续稳定磁补偿等效微重力环境，可用于对微重力液氧的相界面特征、流体特性、传热传质等进行可视化研究。

技术领域

本发明涉及微重力环境液氧中相界面变化特征研究领域，尤其涉及一种通过磁补偿模拟液氧微重力条件的可视化实验装置。

背景技术

随着我国航天事业的不断发展，深空探测、软着陆、变轨道运行、运载火箭二次启动等已成为新一代航天技术发展的热点。低温推进剂的应用成为其中的一个重要内容。液氧作为最合适的氧化剂，其在微重力环境下的贮箱或者管道内的两相状态、流动特性都是相关空间应用和长期在轨贮存技术所必须掌握的基础科学问题。如何获得、创造微重力条件，并开展相关研究成为解决上述问题的关键。直接在空间轨道上进行实验是最理想的方案，但是其成本高昂且机会难得。而在地面上的落塔实验虽能提供较高水平的微重力实验条件，但其可持续时间只有3-5秒，无法满足热平衡实验所需的长时间持续要求。因此，需要寻求一种能够在地面进行、同时按需受控，且成本较低的解决方案。

液氧是一种顺磁性流体，相对于H₂、H₂O等其他流体，其完全补偿重力所需的磁场平方梯度要小得多，饱和温度90K时约为8.15T²/m，是最易于通过磁补偿方法来实现微重力悬浮的对象流体，而同时也正好是低温推进剂的主要组成。目前，有关利用磁悬浮技术的基本关注点在于隔震(专利公开号：CN109537970A)、降噪(专利公开号：CN109519419A)、轨道交通减阻(专利公开号：CN109532899A)、轴系减摩(专利公开号：CN106969033B)以及精准定位(专利公开号：CN109462346A)等方面。而发明专利号为CN108915897A的专利公开了一种通过磁场控制失重/微重力下液氧储罐内液氧流动的方法，该方法通过外部磁场和铁磁性金属泡沫网，使被磁化的金属泡沫网在周围空间中产生梯度磁场，从而利用开尔文力将液氧吸附在金属泡沫网周围。但该装置无法对液氧进行微重力环境中的相界面状况模拟并实现可视化研究，且其内置的铁磁性金属泡沫网会由于固体阻挡及毛细力而影响到液氧液团和气相之间的相界面；同时该装置也不具备液氧制备能力。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种通过磁补偿实现微重力液氧并能够开展诸如相界面特征研究的可视化实验装置。需要对实验空间内部的磁场分布进行特殊设计实现在较大范围内与重力相反的均匀磁场力环境，进而实现对液氧重力的磁补偿和微重力悬浮。同时还需要集成液氧获取、加注、储存，以及可视化监测与记录功能。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何快速简便地获取实验所需的过冷液氧工质，如何在地面上对低温流体进行受控的、可持续的微重力悬浮模拟实验，并将整个过程内发生的液体物理特征可视化信息获取和保存。

为实现上述目的，本发明提供了包括简易液氧制备装置、液氧存储装置、磁补偿装置、氮气保护系统、影像采集系统；所述氮气保护系统包括高压氮气瓶、氮气减压阀、氮气PU管、氮气喷嘴，所述氮气喷嘴设置于所述液氧存储装置下方，并提供氮气保护；所述磁补偿装置包括超导线圈、真空腔、液氦温区冷源，所述真空腔设置为环形结构，所述超导线圈、所述液氦温区冷源设置于所述真空腔环形结构内部，所述真空腔中心设置有上下穿透的室温孔，所述液氧存储装置接收所述简易液氧制备装置制备得到的液氧，并在实验时，放置于所述室温孔内部；所述影像采集系统包括内窥镜、条形光源和电脑，所述内窥镜与所述条形光源设置在所述液氧存储装置两侧，所述电脑与所述内窥镜连接，设置于可视化实验装置外部。