一种用于模拟空间大气环境的装置及模拟方法与流程

本发明属于空间探测设备技术领域，具体涉及一种用于模拟空间大气环境的装置及模拟方法。

背景技术：

对于运行在地面至宇宙空间中的大气测量仪器，其可测量大气压力、大气成分以及大气温度等参数。但是，在使用大气测量仪器前，均需对大气测量仪器进行测量校准，才能确保其功能和性能正常；因此结合仪器的测试测量需求，综合设计了模拟空间大气环境的装置，用于给大气测量仪器测试。

该模拟装置可模拟空间大气环境的压力、成分以及温度，各项指标覆盖地球表面至宇宙空间，可模拟对流层、平流层、中间层、热层以及行星大气层的状态。

现有的模拟空间大气环境装置仅含有压力获得器和压力成分测量器，通过压力获得器和压力成分测量器的连接，模拟空间大气环境，对待校准仪器进行校准，但是，现有的模拟装置仅能模拟单一窄量程的压力变化，无法实现大量程的压力变化。

技术实现要素：

本发明的目的在于，为解决现有技术存在上述缺陷，本发明提出了一种用于模拟空间大气环境的装置，可模拟空间大气环境的空间大气压力、空间大气成分以及空间大气温度，各项指标覆盖地球表面至宇宙空间(空间大气压力模拟范围覆盖1×10^-8～1×10⁵pa(覆盖极高真空、超高真空、低真空、低气压、大气压等全量程)，测得空间大气成分包括：he、n2、ne、o2、ar、co2、kr和xe，空间大气温度为-40℃～+300℃。

本发明提供了一种用于模拟空间大气环境的装置，该装置包括：标准流量成分精密调控子装置、压力成分校测子装置和系统控制器；

标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置相互连接，系统控制器分别与标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置连接，系统控制器分别对标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置进行数据采集和控制，标准流量成分精密调控子装置将多个气样进行混合，生成混合气体，直至达到所需的大气环境，并将对应的混合气体输入至压力成分校测子装置，并进行气体压力和气体成分校准，直至达到待校准仪器所需的校准环境，即模拟空间大气环境，从而对待校准仪器完成校准。

作为上述技术方案的改进之一，所述标准流量成分精密调控子装置包括：多个标准气样源、标准气样流量控制器、第一压力成分测量器、动态标准气样混合室和标准气样压力器；

多个标准气样源与标准气样流量控制器密封连接，标准气样流量控制器和第一压力成分测量器相互密封连接，动态标准气样混合室分别与第一压力成分测量器和标准气样压力器密封连接；

多个标准气样源、标准气样流量控制器、第一压力成分测量器和标准气样压力器均位于控制台面下，标准气样流量控制器位于多个标准气样源之上，第一压力成分测量器位于标准气样流量控制器之上，标准气样压力器位于第一压力成分测量器的一侧；标准气样压力器通过密封件与位于控制台面上的动态标准气样混合室密封连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述标准气样压力器包括：分子泵、第一前级泵和第一机械泵；

分子泵、第一前级泵和第一机械泵彼此串行连接；第一机械泵控制动态标准气样混合室内的混合气体压力在10⁵10^-1pa之间，形成初级真空环境；分子泵和第一前级泵共同控制动态标准气样混合室内的混合气体压力在10^-410^-1pa之间，形成二级真空环境。

作为上述技术方案的改进之一，所述第一压力成分测量器包括并行设置的真空计、第一残余气体分析器和薄膜规；

真空计、第一残余气体分析器和薄膜规分别通过管道与动态标准气样混合室密封连接；压力计安装在动态压力成分标准校测室内；

真空计测量动态标准气样混合室在二级真空环境下的混合气体压力，第一残余气体分析器测量动态标准气样混合室内的残余混合气体的气体成分，薄膜规测量动态标准气样混合室内的在初级真空环境下的混合气体压力。

作为上述技术方案的改进之一，所述压力成分校测子装置包括：动态流导器动态压力成分标准校测室、第二压力成分测量器和压力获得器；

压力获得器位于控制台面之下，并与设置在控制台面上的动态压力成分标准校测室密封连接；动态压力成分标准校测室分别与压力获得器、动态流导器和第二压力成分测量器密封连接；动态流导器通过管道将动态标准气样混合室和动态压力成分标准校测室密封连接。

作为上述技术方案的改进之一，所述压力获得器包括：串联分子泵、第二前级泵和第二机械泵；

串联分子泵、第二前级泵和第二机械泵彼此串行连接；第二机械泵控制动态压力成分标准校测室内的混合气体压力在10⁵10^-1pa之间，形成初级真空环境；串联分子泵和第二前级泵控制动态压力成分标准校测室内的混合气体压力在10^-810^-1pa之间，形成三级真空环境。

作为上述技术方案的改进之一，所述动态流导器包括串行连接的小孔流导和阀门；

阀门安装在动态压力成分标准校测室顶部，小孔流导设置在导入动态压力成分标准校测室的进口处，且小孔流导与外部的管道连接，小孔流导与外部的管道连接，通过阀门的开启或关闭，控制导入动态压力成分标准校测室内的气体流导。

作为上述技术方案的改进之一，所述第二压力成分测量器包括并行设置的压力计和第二残余气体分析器；

压力计和第二残余气体分析器分别与动态压力成分标准校测室密封连接；

压力计测量动态压力成分标准校测室内在10^-810⁵pa范围内的混合气体压力，第二残余气体分析器监测动态压力成分标准校测室内的残余气体成分。

作为上述技术方案的改进之一，所述系统控制器包括：加热控制器、供电控制器、安全保护装置和数据采集器；

所述加热控制器，用于控制动态压力成分标准校测室、串联分子泵、第一前级泵和第二前级泵的加热温度；

所述供电控制器，用于进行电压转换，将380v市电转换成压力成分校测子装置、标准流量成分精密调控子装置所需的电源；

所述安全保护装置，用于对压力计、真空计、第一残余气体分析器和第二残余气体分析器进行过载保护，避免受损；

所述数据采集器，用于采集压力计和真空计的混合气体的气体压力和气体成分，并进行分析和处理，再通过指令控制压力计和真空计。

本发明还提供了一种用于模拟空间大气环境的装置的模拟方法，该方法通过上述装置实现，该方法包括：

多个标准气样源提供不同的气样，标准气样流量控制器控制每个气样的气体流量，将经过控制的不同气样输入至预先抽真空的动态标准气样混合室内进行混合，获得混合气体；

第一压力成分测量器实时测量动态标准气样混合室内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制标准气样压力器，进而控制动态标准气样混合室内的混合气体的气体压力，达到初级真空环境或二级真空环境，并将对应的混合气体输入至动态压力成分标准校测室内；

第二压力成分测量器实时测量动态压力成分标准校测室内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制压力获得器，并通过动态流导器，控制导入预先抽真空的动态压力成分标准校测室内的混合气体的气体流量，达到初级真空环境或三级真空环境，模拟不同真空环境下的大气环境，再对预先放置在动态压力成分标准校测室内的待校准仪器进行校准。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明的装置可模拟大气压力和大气成分，具有模拟要素全、指标参数广等特点，能够模拟不同真空环境下的大气环境，对不同大气测量仪器进行校准，可对大气测量仪器同时进行多要素测试，具有效率高、精度高和适应性强等优点；同时，该装置还可模拟对流层、平流层、中间层、热层以及行星大气层的状态，克服了现有的装置仅能模拟单一要素或者单一量程的缺点，具有模拟要素全、指标参数广等特点，运用广泛。

附图说明

图1是本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的连接关系示意图；

图2是图1的本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的标准流量成分精密调控子装置的结构示意图；

图3是图1的本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的压力成分校测子装置的结构示意图；

图4是本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的结构示意图

图5是图4的本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的动态流导器的结构示意图；

图6是图4的本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的标准气样压力器的结构示意图；

图7是图4的本发明的一种用于模拟空间大气环境的装置的压力获得器的结构示意图。

附图标记：

1、标准气样源2、标准气样流量控制器

3、第一压力成分测量器4、动态标准气样混合室

5、动态流导器6、动态压力成分标准校测室

7、第二压力成分测量器8、压力获得器

9、加热控制器10、供电控制器

11、安全保护装置12、数据采集器

13、控制台面14、密封件

15、管道16、标准气样压力器

17、第一残余气体分析器18、真空计

19、薄膜规20、压力计

21、第二残余气体分析器22、小孔流导

23、阀门24、分子泵

25、第一前级泵26、第一机械泵

27、串联分子泵28、第二前级泵

29、第二机械泵

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供了一种用于模拟空间大气环境的装置，可模拟空间大气环境中的空间大气压力、空间大气成分以及空间大气温度，为空间中相关仪器的测试、校准提供环境条件；空间大气压力模拟范围覆盖1×10^-8～1×10⁵pa(覆盖极高真空、超高真空、低真空、低气压、大气压等全量程)，测得空间大气成分包括：he、n2、ne、o2、ar、co2、kr和xe，空间大气温度为-40℃～+300℃。

如图1和4所示，该装置包括：标准流量成分精密调控子装置、压力成分校测子装置和系统控制器；

标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置相互连接，系统控制器分别与标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置连接，系统控制器分别对标准流量成分精密调控子装置和压力成分校测子装置进行数据采集和控制，标准流量成分精密调控子装置将多个气样进行混合，生成混合气体，直至达到所需的大气环境，并将对应的混合气体输入至压力成分校测子装置，并进行气体压力和气体成分校准，直至达到待校准仪器所需的校准环境，即模拟空间大气环境，从而对待校准仪器完成校准。

其中，如图2和4所示，所述标准流量成分精密调控子装置包括：多个标准气样源1、标准气样流量控制器2、第一压力成分测量器3、动态标准气样混合室4和标准气样压力器16；

多个标准气样源1与标准气样流量控制器2密封连接，标准气样流量控制器2和第一压力成分测量器3相互密封连接，动态标准气样混合室4分别与第一压力成分测量器3和标准气样压力器16密封连接；

多个标准气样源1、标准气样流量控制器2、第一压力成分测量器3和标准气样压力器16均位于控制台面13下，标准气样流量控制器2位于多个标准气样源1之上，第一压力成分测量器3位于标准气样流量控制器2之上，标准气样压力器16位于第一压力成分测量器3的一侧；标准气样压力器16通过密封件14与位于控制台面13上的动态标准气样混合室4密封连接。

其中，在本实施例中，所述密封件14为合金刀口密封圈。

多个标准气样源1提供不同的气样，标准气样流量控制器2控制每个气样的气体流量，将经过控制的不同气样输入至预先抽真空的动态标准气样混合室4内进行混合，获得混合气体；第一压力成分测量器3实时测量动态标准气样混合室4内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制标准气样压力器16，进而控制动态标准气样混合室4内的混合气体的气体压力，达到初级真空环境或二级真空环境，并将对应的混合气体输入至动态压力成分标准校测室6内。

所述标准气样流量控制器2包括串行连接的质量流量计控制器和阀门；

通过阀门的开启或关闭，质量流量计控制器控制每个气样由对应的标准气样源1输入至动态标准气样混合室4中的气体流量。

如图6所示，所述标准气样压力器16包括：分子泵24、第一前级泵25和第一机械泵26；

分子泵24、第一前级泵25和第一机械泵26彼此串行连接；第一机械泵26控制动态标准气样混合室4内的混合气体压力在10⁵10^-1pa之间，形成初级真空环境；分子泵24和第一前级泵25共同控制动态标准气样混合室4内的混合气体压力在10^-410^-1pa之间，形成二级真空环境。

如图4所示，所述第一压力成分测量器3包括并行设置的真空计18、第一残余气体分析器17和薄膜规19；

真空计18、第一残余气体分析器17和薄膜规19分别通过管道15与动态标准气样混合室4密封连接；

真空计18测量动态标准气样混合室4在二级真空环境下的混合气体压力，第一残余气体分析器17测量动态标准气样混合室4内的残余混合气体的气体成分，薄膜规19测量动态标准气样混合室4内的在初级真空环境下的混合气体压力。

如图3和4所示，所述压力成分校测子装置包括：动态流导器5、动态压力成分标准校测室6、第二压力成分测量器7和压力获得器8；

压力获得器8位于控制台面13之下，并与设置在控制台面13上的动态压力成分标准校测室6密封连接；动态压力成分标准校测室6分别与压力获得器8、动态流导器5和第二压力成分测量器7密封连接；动态流导器5通过管道15将动态标准气样混合室4和动态压力成分标准校测室6密封连接；

第二压力成分测量器7实时测量动态压力成分标准校测室6内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制压力获得器8，再通过动态流导器5，控制导入预先抽真空的动态压力成分标准校测室6内的混合气体的气体流量，达到初级真空环境或三级真空环境，模拟不同真空环境下的大气环境，再对预先放置在动态压力成分标准校测室6内的待校准仪器进行校准。

如图7所示，所述压力获得器8包括：串联分子泵27、第二前级泵28和第二机械泵29；

串联分子泵27、第二前级泵28和第二机械泵29彼此串行连接；第二机械泵29控制动态压力成分标准校测室6内的混合气体压力在10⁵10^-1pa之间，形成初级真空环境；串联分子泵27和第二前级泵28控制动态压力成分标准校测室6内的混合气体压力在10^-810^-1pa之间，形成三级真空环境。

如图4和5所示，所述动态流导器5包括串行连接的小孔流导22和阀门23；

阀门23安装在动态压力成分标准校测室6顶部，用于控制导入动态压力成分标准校测室6内的气体流导；小孔流导22设置在导入动态压力成分标准校测室6的进口处，且小孔流导22与外部的管道15连接，通过阀门23的开启或关闭，控制导入动态压力成分标准校测室6内的气体流导。

如图4和5所示，所述第二压力成分测量器7包括并行设置的压力计20和第二残余气体分析器21；

压力计20和第二残余气体分析器21分别与动态压力成分标准校测室6密封连接，压力计20安装在动态压力成分标准校测室6内；

压力计20测量动态压力成分标准校测室6内在10^-810⁵pa范围内的混合气体压力，第二残余气体分析器21监测动态压力成分标准校测室6内的残余气体成分。

所述系统控制器包括：加热控制器9、供电控制器10、安全保护装置11和数据采集器12；

所述加热控制器9，用于控制动态压力成分标准校测室6、串联分子泵27、第一前级泵25和第二前级泵28的加热温度；

所述供电控制器10，用于进行电压转换，将380v市电转换成压力成分校测子装置、标准流量成分精密调控子装置所需的电源；

所述安全保护装置11，用于对压力计20、真空计18和第一残余气体分析器17和第二残余气体分析器21进行过载保护，避免受损；

所述数据采集器12，用于采集压力计20和真空计18的混合气体的气体压力和气体成分，并进行分析和处理，再通过指令控制压力计20和真空计18。

在其他具体实施例中，在动态标准气样混合室4和动态压力成分标准校测室6分别密封连接温度计，用于分别实时监测对应室内的混合气体的气体温度，直至符合待校准的探测仪器所需的大气温度，模拟不同高度上大气的大气温度，对不同大气温度需求的探测仪器进行温度测试和校准。

本发明还提供了一种用于模拟空间大气环境的装置的模拟方法，该方法通过上述装置实现，该方法包括：

多个标准气样源1提供不同的气样，标准气样流量控制器2控制每个气样的气体流量，将经过控制的不同气样输入至预先抽真空的动态标准气样混合室4内进行混合，获得混合气体；

第一压力成分测量器3实时测量动态标准气样混合室4内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制标准气样压力器16，进而控制动态标准气样混合室4内的混合气体的气体压力，达到初级真空环境或二级真空环境，并将对应的混合气体输入至动态压力成分标准校测室6内；

第二压力成分测量器7实时测量动态压力成分标准校测室6内的不同真空环境下混合气体的气体压力和气体成分，数据采集器采集该混合气体的气体压力和气体成分，并控制压力获得器8，并通过动态流导器5，控制导入预先抽真空的动态压力成分标准校测室6内的混合气体的气体流量，达到初级真空环境或三级真空环境，模拟不同真空环境下的大气环境，再对预先放置在动态压力成分标准校测室6内的待校准仪器进行校准。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。