[发明专利]用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置

说明书

本发明公开了一种用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置，包括环境模拟容器系统、控制系统以及甲烷雨喷淋系统，环境模拟容器系统是在通用环境模拟器的基础上，增加一设置在外置容器中的内置容器，用内置容器来进行土卫六的温度、压力环境模拟，并通过控制系统进行温度控制、压力控制、流量控制及安全状态控制，同时通过甲烷雨喷淋系统实现甲烷雨环境的模拟。本发明可用于开展在1.5X10⁵Pa氮气环境下甲烷雨的观测、材料实验等科学研究。

技术领域

本发明属于土卫六甲烷雨的地面模拟技术领域，具体而言，本发明涉及一种可用于模拟土卫六甲烷雨的装置，该装置可以模拟具有特定大气温度、压力及甲烷雨的环境并适用于进行甲烷雨的地面状态观测及相关的航天器材料实验等。

背景技术

目前，深空探测为我国航天事业的一个方向。其中土星第六颗卫星(简称：土卫六)为深空探测的一个目标，目前对其特性开展相关的研究工作，以作为今后的技术积累。

美国先驱者11号、旅行者1号、旅行者2号先后近距离飞掠土卫六,但受制于土卫六表面复杂大气环境，无法进行有效成像。美国卡西尼号探测器(2004-2017)近距离飞掠土卫六，获得大量有效数据，才使得相关土卫六表面环境为人们所熟知。美国拟计划于2026年发射蜻蜓号无人探测器对土卫六进行再一次全面探测。

土卫六探测与其他深空探测的一个差别就是其表面的超低温度及大气环境。土卫六表面为1.5X10⁵Pa的大气环境，主要气体成分为氮气(占总成分的98.4％)，土卫六表面温度为-179℃的极低温环境。如果对土卫六开展地面的科学研究，需提前进行地面的环境模拟研究，这就需要对土卫六表面的温度、压力、甲烷雨等进行地面模拟。

目前关于土卫六的地面环境模拟实验及观测装置尚未见于相关文献，全球对土卫六的探测仍是较为前沿的深空探测领域，根据已知的土卫六表面温度、压力环境，我们需在地面设备内对其进行模拟，以此来进行进一步的科学探测研究。因此非常有必要研制一种用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置。本发明可以用于进行土卫六表面低温高压环境的模拟、相关土卫六表面环境状态观测、未来国内探测器单机和组件产品的性能试验等用途。

发明内容

本发明的目的在于提供一套用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟实验装置，利用该系统提供的土卫六的温度、压力和甲烷雨环境，开展相关的科学实验研究。

本发明采用了如下的技术方案：

用于研究土卫六甲烷雨的地面模拟试验装置，包括环境模拟容器系统、测量与控制系统以及甲烷雨喷淋系统和管路系统，其中，

环境模拟容器系统是在通用环境模拟器的基础上，增加一设置在外置容器中的内置压力容器，用内置容器来进行土卫六的温度、压力环境模拟，相关环境实验模拟和研究均在内置容器中进行，所述内置容器由真空系统和低温系统组成，真空系统将所述内置容器抽气至6.65X10^-3Pa以下，低温系统采用热沉结构，热沉表面喷涂黑漆,其半球向发射率大于0.9,将热沉内通入液氮，使其温度达到100K以下，来模拟宇宙空间内的低温环境；

测量与控制系统主要包含温度控制、压力控制、流量控制及安全状态控制系统，以分别对内置容器表面和内置容器氮气气体温度进行测量和控制；对内置容器的压力进行测量和控制；对甲烷的流量进行控制以及对内置容器的安全状态进行控制；

甲烷雨喷淋系统基本上由甲烷存储装置、甲烷传输管路、换热冷却装置、喷淋器构成，其中换热冷却装置为液氮套筒结构，外部为液氮流过，内部为甲烷运输管路，通过液氮对甲烷进行降温，使其液化，甲烷喷淋过程中，需内置容器整体已处于1.5X10⁵Pa氮气环境，且温度已降至目标温度；开启甲烷存储装置出口阀门，使甲烷气流缓慢进入甲烷传输管路，甲烷传输管路进入换热冷却装置，将气态甲烷冷却为液态甲烷，液态甲烷通过喷淋器喷入内置容器，用来模拟土卫六甲烷雨的真实状态。