[发明专利]模拟深部太空星球重力场环境综合试验系统及试验方法

说明书

本发明公开了模拟深部太空星球重力场环境综合试验系统及试验方法，所述装置包括圆柱形试验空间、线圈组、线圈激励电源组、线圈支架、试验系统主箱体、温度监测及报警模块、恒温冷浴以及冷却液回路模块。所述线圈组由13个形状按特定规则确定的线圈组成，按特定组合方式同轴组合并通过线圈支架固定于试验系统主箱体内部；所述试验系统主箱体内部充满冷却液并经冷却液回路模块与恒温冷浴组成循环回路；所述线圈激励电源组包含9个稳压恒流直流电源，按特定规则给线圈组线圈供电；所述温度监测及报警模块实时对线圈组线圈的温度进行监控。本发明采用磁力场模拟重力场，实现了深部太空0‑5g星球重力场及其它特殊体力场环境的长时间模拟。

技术领域

本发明涉及一种深部太空工程领域的试验系统及试验方法，特别是一种模拟深部太空星球重力场环境综合试验系统及试验方法。

背景技术

近些年，随着人口的不断增加和科技的快速发展，地球的人口承载能力、资源储量以及生态环境均受到了严峻的挑战。为了解决这一问题，中国、美国、俄罗斯、欧洲航天局等国家和单位均已启动了针对月球、火星等星球和其它近地小行星的观测和研究，并针对在这些星球和小行星上建立永久的科研基地和人类生活基地、进行矿物资源的开采进行了一系列的论证和前期研究。随着飞行器推进和控制技术的发展、载人航天的不断突破，中国、美国等国已经完成了多次针对月球、火星以及一些近地小行星的探测和地质勘察任务。然而，受限于极端的太空环境和地表环境，外星球基地建设和矿业开采具有极高的难度。其中一个重要的问题就是重力场。前期探测表明，月球重力场和火星重力场均完全不同于地球重力场，月球重力场约为地球重力场的17％，火星重力场约为地球重力场的38％。独特的重力场环境造就了外星球及近地小行星上独特的地质条件、荷载形式以及地层材料性质。在地球重力场条件下经过实践检验的工程建设方法及矿业开采方法将不再适用，因此需要重新进行大量的基础研究。然而，由于现阶段星球及小行星登陆(尤其是载人登陆)成本高昂、机会稀少以及星球及小行星表面极端的试验环境，原位测试以及原位试验研究受到了极大的限制。因此，在地球上针对外星球以及小行星地质材料进行相关的单元试验以及物理模型试验研究，具有重大的科学价值和工程意义。在地球上进行相关研究的首要问题就是要解决星球重力场环境的再现或者模拟，这样才能保证研究结果的合理性和适用性。

目前可用于模拟重力场环境的试验方法主要包括离心模型试验方法、渗水力模型试验方法、落塔实验方法、试验飞机抛物线飞行方法以及磁重力模型试验方法等。然而，离心模型试验方法仅可用于模拟强度超过10g(g为地球重力场加速度)以上的重力场环境，在模拟星球微重力场及小重力场方面无能为力；渗水力模型试验方法由于需要借助高压水流来模拟重力场，与星球及小行星上完全干燥的地质条件不吻合而无法用于该领域重力场的模拟；落塔实验方法以及试验飞机抛物线飞行方法能够较好地模拟星球重力场环境，但其所模拟的重力场环境仅能维持0-30s左右，限制了很多研究的开展。近年来新兴的磁重力模型试验方法理论上能够长时间在静态的试验空间模拟微重力场及小重力场而具有极大的应用前景。然而，目前还未有相关单位或者机构研制出理想的试验装置。例如，专利CN102213658所公开的试验装置仅能够模拟0.94-1.06g的重力场环境；专利CN102841129和CN103247208公开的试验装置尽管能够模拟0.7-1.3g、0-3.0g重力场环境，但是由于其试验系统设计原理的缺陷导致试验系统发热迅速，无法长时间进行试验研究。因此，研制深部太空球星基地建设和矿业开采领域相关研究所需要的模拟重力场环境综合试验系统及试验方法，具有重要的科学价值和实践意义。

发明内容

发明目的：本发明提供一种结构合理、散热良好、控制精确、可用于深部太空球星基地建设和矿业开采领域相关研究所需要的模拟重力场环境综合试验系统及试验方法，该试验系统利用材料在特定形态磁场环境中产生的电磁体力场来叠加或者削弱地球重力场，从而达到模拟外太空星球重力场的目的。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：