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火星尘暴发生装置是火星尘暴地面模拟系统的关键部件,其气动结构直接影响到尘暴试验流场的品质。本文设计了火星尘暴模拟系统的真空引射驱动工作流程,并提出了尘暴发生装置的气动结构。为了验证不同气动结构对尘暴流场的影响,开发了专用设计分析软件。最后,通过设计算例对比分析了收缩比为1.5和2,以及维氏曲线和五次方曲线等四种组合气动结构的流场。结果显示,当收缩比为1.5,气动曲线为维氏曲线时,流场品质最好。本文研究成果可提高火星尘暴发生装置气动结构设计效率,为火星尘暴模环境拟系统的研制提供支持。

关键词：火星尘暴真空引射气动结构数值模拟

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高速火星尘暴模拟装置气力输送系统设计

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真空科学与技术学报 2020年第4期40卷 327-331页

作者：吕世增张磊韩潇丁文静北京卫星环境工程研究所北京100094

开展火星尘暴环境地面模拟实验来验证火星探测器的性能是至关重要的,因此须建立火星尘暴环境的地面模拟装置。本文在对国外火星尘暴和气动模拟设备及其技术特点分析的基础上,提出了采用二次风输送的高速火星尘暴模拟系统总体方案,进行... 详细信息

开展火星尘暴环境地面模拟实验来验证火星探测器的性能是至关重要的,因此须建立火星尘暴环境的地面模拟装置。本文在对国外火星尘暴和气动模拟设备及其技术特点分析的基础上,提出了采用二次风输送的高速火星尘暴模拟系统总体方案,进行了高速火星尘暴气力输送流程的设计,并给出了沙尘质量流量、输送混合比、输送速度、输送压力、管道直径以及二次风量等气力输送参数的算式。本文研究成果可为我国的高速火星尘暴模拟装置工程设计及实施提供参考。

关键词：火星尘暴模拟装置气力输送系统设计

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火星低气压环境下的尘暴模拟研究

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真空科学与技术学报 2017年第7期37卷 669-673页

作者：吕世增张磊韩潇北京卫星环境工程研究所北京100094

通过地面模拟试验来验证尘暴环境对探测器性能的影响,对我国开展火星探测任务具有重要的意义。本文提出了一种火星尘暴环境模拟系统方案,为便于进行尘暴流场的数值模拟,建立了尘暴热物性参数计算公式,完成了尘暴发生装置气动结构设计及... 详细信息

通过地面模拟试验来验证尘暴环境对探测器性能的影响,对我国开展火星探测任务具有重要的意义。本文提出了一种火星尘暴环境模拟系统方案,为便于进行尘暴流场的数值模拟,建立了尘暴热物性参数计算公式,完成了尘暴发生装置气动结构设计及建模。火星尘暴模拟分析结果显示:在压力为600 Pa,温度为233 K,沙尘体积分数为2.6×10^(-8)时,尘暴速度可达74 m/s;温度对流场品质影响较小;压力增大时,流场均匀性变差、速度梯度增大。本文研究成果可为进一步开展火星尘暴环境模拟系统研制提供技术支持。

关键词：火星尘暴数值模拟流场对比分析

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亚声速火星低压尘暴模拟风洞系统设计

亚声速火星低压尘暴模拟风洞系统设计

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作者：胡松梅哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

探索广袤宇宙是人类不懈追求的理想。哥伦布发现美洲大陆改变了世界格局和历史进程,火星是人类的“新大陆”,直接影响未来世界格局和我国的长远发展。2021年5月“祝融号”火星车顺利着陆,拉开了我国火星探测工程的序幕。然而火星环境极... 详细信息

探索广袤宇宙是人类不懈追求的理想。哥伦布发现美洲大陆改变了世界格局和历史进程,火星是人类的“新大陆”,直接影响未来世界格局和我国的长远发展。2021年5月“祝融号”火星车顺利着陆,拉开了我国火星探测工程的序幕。然而火星环境极端恶劣,火星表面尘暴会对火星车及有效载荷造成极大损伤,甚至毁灭性破坏。低气压风暴和尘暴是火星环境的典型特征,地面实验模拟是解决这一极端环境难题的有效与经济的方法。然而目前国内外都没有能够模拟大尺度火星低压尘暴环境的设备。本文立足于国家深空探测重大工程迫切需求,旨在设计一个有效试验尺寸2m×2m的火星尘暴环境模拟装置,为中国后续火星探测任务提供强有力的实验科研平台。对国内外现有先进风洞进行调研分析,针对风洞类型、风速驱动以及尘暴产生三方面,提出了国际上首个基于超声速引射式的低压亚声速回流型风洞的新方案,并提出了在洞体内部以气体作为动力,用喷管对风尘混合物进行喷射的方法来生成砂尘环境。以能耗最低为基础原则,完成风洞洞体与引射器进行设计。把亚声速火星低压尘暴环境的模拟分为两个部分,一个是低压环境下亚声速的模拟,另一个是低压亚声速环境下尘暴环境的模拟。根据等效性、经济性、覆盖性的原则,对火星环境模拟物理量以及参量范围进行优选。利用CFD仿真分析引射器主要结构参数对引射效率的影响,对引射器结构进行优化设计。针对火星模拟风速的要求,以能耗最低为目标,对回流型风洞的出口位置进行优选。对试验段风速进行仿真验证,发现试验段可以达到5～180m/s的目标风速。对洞体内CO的状态进行分析,排除气体低温凝华以及液化的可能。建立砂尘颗粒受力模型,采用计算与仿真相结合的方式对不同粒径砂尘的运动情况进行分析,通过离散元仿真以砂尘喷射范围和试验段的速度分布为依据,确定了砂尘喷管的具体形状、尺寸、安装位置以及喷射方向。设计火星尘暴验证实验系统,主要由风洞洞体、真空系统、砂尘系统、风速模拟系统、气源系统、测控系统等组成,研制直线型低压风洞原理样机,并开展试验研究,验证低压环境风速可达100m/s,对测量方法以及测量参数进行分析,为后续实验奠定基础。

关键词：亚声速低压风洞火星尘暴引射器离散元

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基于火星遥感影像的“天问一号”着陆区及非极区的尘暴时空分布研究

基于火星遥感影像的“天问一号”着陆区及非极区的尘暴时空分布研...

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作者：姚佩雯山东大学

学位级别：硕士

火星是太阳系中与地球环境最类似的行星,是我国开展深空探测的重点目标。2020年7月23日,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射,计划完成“绕、落、巡”三大目标。此次任务有两个预选着陆区,分别是克里斯平原(预选着陆区1)和... 详细信息

火星是太阳系中与地球环境最类似的行星,是我国开展深空探测的重点目标。2020年7月23日,我国首次火星探测任务“天问一号”探测器成功发射,计划完成“绕、落、巡”三大目标。此次任务有两个预选着陆区,分别是克里斯平原(预选着陆区1)和乌托邦平原南部(预选着陆区2)。火星尘暴是指火星表面尘埃在剧烈的大气运动下形成的尘暴现象,发生在火星的所有季节,是火星最重要的大气活动之一,对探测任务造成的威胁诸多。火星尘暴的时空分布分析能力是我国火星探测任务中需要预先研究并且具有挑战性的关键技术之一,关系到着陆任务能否成功并影响着陆精度,以及探测器后续正常运行状况。本文的研究基于火星大气活动的重复性、季节性和规律性,研究内容包括以下四个方面:(1)利用由火星全球探勘者号携带的火星轨道摄影机和火星勘测轨道卫星携带的火星彩色成像仪拍摄的火星24至火星32年的每日全球地图,识别了以乌托邦平原南部为中心(17°N,107°E)半径为2000 km范围内的尘暴共计882个,并提取了这些尘暴的形状、面积和位置参数;(2)综合尘暴出现的频率、覆盖研究区面积百分比的加权平均和重复出现概率三个因子计算出乌托邦平原南部方圆2000 km范围内尘暴发生时间概率为0-14.13%。尘暴时间概率在全年范围内表现出明显的季节性和不均匀性,北半球春夏季的尘暴时间概率远低于秋冬季。尘暴频繁活动时间窗口有两个,分别为Ls=176-225°和Ls=302-355°;(3)将乌托邦平原南部方圆2000 km范围的区域划分为0.5°×0.5°的规则格网,计算出该区域内的尘暴空间概率(0-11.87%),并发现尘暴空间概率分布受地形、尘暴源区、移动路径三个因素影响;(4)对比“天问一号”预选着陆区1和预选着陆区2内的尘暴活动概率,对预选着陆区内的尘暴活动进行时空安全性评价,选出安全的着陆时间为Ls=20-41°,并选出5个较安全着陆区域;(5)识别火星南北纬60°之间(非极区)面积大于105 km2的尘暴共4661个,对火星非极区的尘暴空间分布和时间概率进行研究,发现尘暴数量随纬度升高而增多,在靠近两极的地区尘暴分布最为密集。在全火星年内,尘暴的活跃期有两个,分别为Ls=150-240°和Ls=300-360°,尘暴时间概率最小的时期是Ls=93-116°。

关键词：火星尘暴 “天问一号” 着陆区遴选时空概率

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