Design of a Martian dust storm simulator based on open return wind tunnel
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摘要:
为了研究火星表面尘暴环境对探测器及人类活动的影响，研制了一种基于低密度直流式风洞的火星尘暴环境模拟装置：采用超声速引射器作为风洞动力源，结合具备多工况动态调节能力的大抽气量真空系统，实现了引射气量精准调控，可模拟100～1500 Pa低气压下的5～100 m/s大跨度风速；针对低气压下沙尘浓度难以精确控制的问题，采用振动式喂料、逆向螺旋式喷嘴设计以及大周期滞后串级调节方式，实现了0.1～1 g/m3的沙尘浓度精确控制。该装置可用于研究火星尘暴环境对材料和机构的影响，同时还可用于火星气动力研究。
Abstract:In order to investigate the impact of the Martian surface dust storm environment on probes and human activities, a Martian dust storm simulator based on a low-density open return wind tunnel was developed. A supersonic ejector was used as the power source of the wind tunnel, combined with a high volume pumping system with dynamic regulation capability for multiple working conditions. The accurate control of the injected air volume was achieved, and a simulation for large-span wind speed of 5 m/s to100 m/s under low pressure of 100 Pa to1500 Pa was realized. In response to the difficulty of the accurate controll of the dust concentration under low pressure, vibration feeding, reverse spiral nozzle design, and large period lag cascade regulation method were adopted for adjusting the dust concentration from 0.1 g/m3 to 1 g/m3. The simulator may be applied for studying the influence of Martian dust storm on materials and mechanisms, as well as for research of Martian aerodynamics.
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0. 引言
深空探测是人类未来航天活动的热点发展方向之一。未来的载人登月/火星探测活动，其任务规模将越来越大,任务周期将越来越长。为了保证火星探测任务的顺利完成，须研究火星表面尘暴环境对探测器及人类活动的影响。火星低密度风洞的建设对于临近空间和深空领域的探测，尤其是火星探测任务的实施具有重要意义[1]。20世纪80年代以来，美国、欧洲和日本相继建造了火星风洞，用于火星表面尘暴环境的模拟实验，以及理论分析和数值预测方法的验证。而我国在亚声速低密度风洞领域尚处空白状态。
火星上的平均风速为6～8 m/s，尘暴风速可达100 m/s；其表面温度白天最高可达28 ℃，夜晚降低到-132 ℃；其重力值为地球的40%，表面平均气压仅为700 Pa。因此火星环境模拟的主要技术难点在于要同时满足：1）风速为5～100 m/s；2）低压100～1500 Pa；3）低温为-130～30 ℃；4）周期性沙尘暴[2-4]。
国外的火星风洞主要有美国NASA Ames中心的MARSWIT（Mars Surface WInd Tunnel）、日本东北大学的MWT（Mars Wind Tunnel）、丹麦Aarhus大学的小型火星风洞[5-6]。MARSWIT是一座直流式边界层低密度风洞，采用高压空气引射的驱动方式，其总长13 m，体积为4058 m3，试验段截面尺寸为1.2 m×0.9 m；工作气体为空气和二氧化碳，在工作压力500 Pa时风速可达180 m/s；目前已开展的工作包括火星尘暴环境下太空服耐压评估试验、探测器表面沙尘的聚集和吹除行为等[7-8]。2007年建造的MWT直流式低密度火星风洞采用引射器作为动力源，总长3.49 m，试验段尺寸为0.1 m×0.15 m×0.4 m；工作气体为空气和二氧化碳，工作压力为1～20 kPa，工作气体温度为200～300 K，雷诺数范围104～105，马赫数最高为0.71，湍流度＜0.5%；主要开展火星飞机的低雷诺数翼型试验[9-10]。丹麦Aarhus大学于2000年在火星模拟实验室建造的小型火星风洞采用风扇抽吸作为动力源，其尺寸为ϕ0.4 m×1.5 m（长），可以模拟火星大气压力、温度、气体组分和可见UV光；2009年，在欧盟和欧空局的资助下建造了尺寸更大的火星风洞，同样采用风扇抽吸方式，风扇直径1.8 m，试验段截面尺寸为2 m×1 m，可实现风速1～20 m/s，气流可以通过液氮冷却至-120 ℃或通过电加热器加热[11-12]。上述火星风洞中，MARSWIT和Aarhus大学的风洞可以同时模拟气压、风速和沙尘环境，但是都无法实现700 Pa以下的低气压环境以及沙尘浓度的精确调控。
本文基于低密度直流引射式风洞原理提出一种火星尘暴环境模拟装置的设计，重点研究在小于700 Pa的低气压环境下大跨度风速和沙尘浓度调控的实现手段。
1. 火星风洞设计原理
火星风洞的设计要求在保持容器内稳定的低气压环境下实现大跨度风速和稳定的沙尘浓度场。具体技术指标为：1）低气压100～1500 Pa；2）风速5～100 m/s；3）沙尘粒径1～100 μm；4）沙尘浓度0.1～1 g/m3。
基于此，首先要解决的是风洞动力问题。常规风洞一般采用风扇作为动力源，然而在低气压低密度环境下，风扇无法形成有效的动压，风速很难突破30 m/s，并伴有动密封和低压散热等难题。本设计根据直流引射式风洞原理，采用超声速引射器作为风洞动力源，以形成较高的风速；引射器巨大的进气量要求真空系统具备大抽气量以及多工况动态调节能力，能及时将引射进舱内的气体排出，保持容器内气压稳定在设定值；为了保证多工况下的风速稳定性，需要对引射器进气量进行精准调控。设计的火星尘暴模拟装置由容器系统、风速模拟系统、沙尘系统、样品支撑系统、真空系统和CO2气源系统组成（如图1所示），其中：容器系统为卧式结构，可为风洞提供环境模拟所需的低气压空间；风速模拟系统是火星风洞的核心设备，主要由风洞洞体和超声速引射器等组成；沙尘系统利用高压气体对沙尘进行抽吸和输送，控制试验段的沙尘浓度；样品支撑系统用来实现对样品的支撑、固定，以及力和力矩的测量；真空系统用于维持试验过程中容器内的稳定低压；CO2气源系统提供试验所需的CO2气体。
2. 火星尘暴模拟装置流场模拟
为了校核火星尘暴模拟装置的风洞试验段在工作状态下的流场品质，分析其风速和沙尘分布特性，针对容器内风速场和沙尘场分布进行了计算流体力学（CFD）模拟计算。火星风洞在工作状态下，沙尘流场为气固两相流动。真空容器内为低真空环境，气体特性符合连续性流体假设，数值模拟采用雷诺平均（RANS）算法。沙尘喷洒采用可变形部件模型（DPM）方法进行模拟，连续相为CO2气体，离散相为红黏土颗粒。数值模拟中湍流模型采用k-ε模型，引射器进口采用压力入口条件，沙尘喷嘴进口使用速度入口边界条件，真空容器出口采用压力出口条件。
1）风速场
图2为压力700 Pa、风速50 m/s时的试验段流场分布。可以看到：试验段的压力场分布较为对称；速度场分布受喷嘴管路影响较大，在截面中心线下半部分有低速区；下游速度周向分布较为均匀，压力中心总体在截面中心；边界层厚度约为1 mm。
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图 2 压力700 Pa、风速50 m/s时的火星尘暴模拟装置试验段流场分布Figure 2. Flow field distributions in the Martian dust storm simulator test section under pressure of 700 Pa and wind speed of 50 m/s2）沙尘场
试验中沙尘粒子分布特性用粒子轨迹图显示。压力700 Pa、风速70 m/s时沙尘粒子速度分布如图3所示。需要明确的是，图中的粒子非实际流场中的真实沙尘粒子，而是经过特征提取的粒子微团，其显示出的粒子空间密度和分布位置是基于真实沙尘粒子分布特征的统计结果；特征粒子用速度值染色，即粒子颜色代表粒子速度。由图可见，试验段主流粒子速度约为70 m/s，表明沙尘粒子的风速跟随性较好。
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图 3 压力700 Pa、风速70 m/s时火星尘暴模拟装置试验段沙尘粒子速度分布Figure 3. Dust velocity distributions in the Martian dust storm simulator test section under pressure of 700 Pa and wind speed of 70 m/s3. 火星尘暴模拟装置重要系统介绍
依据上述设计原理及仿真计算，研制了火星尘暴模拟装置，如图4所示。本节详细介绍真中最重要的3个系统。
3.1 风速模拟系统
风速模拟系统包括风洞洞体、超声速引射器、稳定气源、阀门、管路系统及测量仪表。
1）风洞洞体
风洞洞体的气动轮廓设计如图5所示，由收集器、稳定段、收缩段、试验段、第一扩散段、引射器段和第二扩散段组成。其中：试验段部分为放置样品的工作区，横截面尺寸210 mm×210 mm，上下壁面设置扩散角0.5°以改善边界层产生的轴向静压梯度；试验段顶部和侧面预留激光入射窗口，可使用粒子成像速度仪（particle image velocimetry，PIV）进行流场分析。
2）超声速引射器
超声速引射器是风洞的动力源，位于试验段下游，前后分别连接第一扩散段的出口和第二扩散段的入口。引射器由压力室和引射喷嘴等组成（如图6所示）。压力室为引射喷嘴提供稳定的压力，保证所有引射喷嘴出口的气流状态一致。81个引射喷嘴呈9×9矩形分布，经引射喷嘴形成低气压的裹携气体进入试验段，通过调节供气压力可控制试验段的有效风速。
3.2 沙尘系统
沙尘系统由喂料机构、流量秤、喷射器以及螺旋式喷嘴等组成（如图7所示）。压力可调的CO2高压气体裹携着沙尘形成的气-固混合体以一定速度通过输送管道进入风洞内，随后通过螺旋式喷嘴喷出，在来流风场气流的带动和吹散作用下，沙尘颗粒经由布朗运动扩散到气流空间，形成稳定均匀的沙尘场。沙尘系统的核心问题是如何在低气压下实现沙尘浓度的稳定控制。
沙尘浓度取决于沙尘进料量的精确控制和沙尘粒子的风速跟随性，最低要求为0.1 g/m3。沙尘粒径越小，产生静电越大，在沙尘输送及喂料过程中极易产生黏壁现象，导致沙尘的输送量难以精准控制；此外，沙尘输送进舱后，由于受到重力作用，将跟随风速作抛物线沉降运动。因此，为维持试验段内的沙尘浓度稳定，需要对沙尘喷嘴进行特殊设计，使沙尘在试验段内尽量少沉降。另一方面，由于沙尘浓度场具有显著的惯性滞后特性，所以需要改进控制方式以实现沙尘浓度的快速精准调控。为解决上述技术难题，该设备集成了振动式喂料器、逆向螺旋式喷嘴以及大周期滞后串级调节方式。其中，振动式喂料器采用双肢体定向强迫振动，在特定方向做简谐振动。由于振动频率较高，物料被抛起的高度较低，所以在料槽内的物料能够像流水一样均匀且连续地向前流动，同时还能减小静电吸附作用。测试结果表明，沙尘系统的最小输送量为0.55 kg/h，可以满足0.1 g/m3的极低沙尘浓度要求。
3.3 样品支撑系统
样品支撑系统由支撑座、回转台、天平、堵盖等组成，如图8所示。回转台用于改变试验件角度，角度调节范围-180°～180°。堵盖的作用是防止沙尘侵入天平和电机内，确保系统的稳定运行。天平采用五分量杆式应变设计，中段尺寸为ϕ32 mm×80 mm（长）；两端通过法兰分别与模型和支撑杆相连接，其中支撑端法兰直径为50 mm，模型端法兰直径为44 mm。天平结构采用柱梁式，能够测量z向升力、x向阻力、俯仰力矩My、滚转力矩Mx和偏航力矩Mz这5个关键分量。
4. 测试结果分析
分别采用100 μm的SiO2粉体、10 μm的SiO2粉体和1～10 μm的模拟火星壤进行风速和沙尘浓度测试，其中，模拟火星壤为中国科学院地球化学研究所研制的JMSS-1模拟火星壤[11]。
3种典型工况（如表1所示）下的测试结果如图9所示。结果表明：工况1的风速平均值为98 m/s，沙尘浓度平均值为1023 mg/m3；工况2的风速平均值为101 m/s，沙尘浓度平均值为497 mg/m3；工况3的风速平均值105 m/s，沙尘浓度平均值104 mg/m3。这说明3种工况下的风速和沙尘浓度均可以达到预定值，且波动范围符合设计要求。
表 1 火星尘暴装置的典型测试工况Table 1. Typical test conditions of the Martian dust storm simulator工况 气压/Pa 风速/(m·s-1) 沙尘浓度/(g·m-3) 粒径/μm 1 1500 100 1 100 2 700 100 0.5 10 3 100 100 0.1 1～10 5. 结束语
为研究火星尘暴环境对探测器及人类活动的影响，研制了一种基于直流式风洞的火星尘暴模拟装置。针对低气压环境下难以实现较高风速的问题，采用超声速引射器进行引射气量调节，大大提高了引射效率，降低了风速的动态调整响应时间；同时配合大抽气量真空泵组以及基于不同风速工况流量的前馈调节方式，实现了低气压大气量的稳压平衡，解决了提高引射器效率、精准调控引射气量以及多工况动态调节抽气量的技术难题，在极低气压下实现了大跨度风速的模拟。此外，针对低气压下沙尘粒子风速跟随性差的问题，采用振动式喂料原理及逆向螺旋式喷嘴设计，配合大周期滞后串级调节方式，借助来流风场气流的裹携和吹散作用以及沙尘颗粒的布朗运动，构建稳定均匀的沙尘场，实现了低气压下0.1～1 g/m3沙尘浓度的精确动态调节。
为了验证装置的模拟效果，我们进行了数值仿真计算和实地测试。数值仿真结果揭示了不同气压下风速和沙尘的流场分布，与测试结果展现出良好的一致性。测试结果表明，应用该装置可实现对火星表面的尘暴环境的地面模拟，为后续相关研究提供了有力的实验基础保障。
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图 2 压力700 Pa、风速50 m/s时的火星尘暴模拟装置试验段流场分布
Figure 2. Flow field distributions in the Martian dust storm simulator test section under pressure of 700 Pa and wind speed of 50 m/s
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图 3 压力700 Pa、风速70 m/s时火星尘暴模拟装置试验段沙尘粒子速度分布
Figure 3. Dust velocity distributions in the Martian dust storm simulator test section under pressure of 700 Pa and wind speed of 70 m/s
表 1 火星尘暴装置的典型测试工况
Table 1 Typical test conditions of the Martian dust storm simulator
工况 气压/Pa 风速/(m·s-1) 沙尘浓度/(g·m-3) 粒径/μm 1 1500 100 1 100 2 700 100 0.5 10 3 100 100 0.1 1～10 
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