本發(fā)明涉及火星模擬實驗技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種在模擬的火星條件下產(chǎn)生沙塵暴的實驗裝置及實驗方法，用于模擬火星表面的沙塵暴。

背景技術(shù)：

火星和地球環(huán)境差異巨大，研究火星表面的塵暴現(xiàn)象需要在模擬火星環(huán)境下(主要是氣氛、氣壓、礦物成分)搭建實驗裝置。目前我國模擬沙塵暴裝置，都是模擬地球環(huán)境下的塵暴現(xiàn)象，沒有模擬火星條件下沙塵暴裝置的報道，也沒有測量塵暴放電次數(shù)、誘發(fā)電場和激發(fā)火星大氣產(chǎn)生自由基的報道。

火星大氣(含有95.5％的co2、2.7％的n2、1.6％的ar以及其他微量氣體)以co2為主，表面平均壓強僅為700pa，年平均溫度為-60℃。盡管火星氣壓很低，但是火星表面存在比地球更活躍的全球性、區(qū)域性沙塵暴(duststorm)和頻繁的局部塵旋風(fēng)(dustdevil)。礦物顆粒在沙塵暴和塵旋風(fēng)中相互碰撞，誘發(fā)靜電放電現(xiàn)象并激發(fā)火星大氣。塵暴中的放電現(xiàn)象不僅影響這火星近地面電場和磁場，而且產(chǎn)生大量含氧自由基誘發(fā)火星大氣和火星表面元素的演化。另外火星塵暴誘發(fā)的放電現(xiàn)象，也對人類火星探測、載荷/航天員安全產(chǎn)生重要影響。因此亟需設(shè)計一種在模擬的火星條件下實現(xiàn)火星表面沙塵暴的裝置及方法，用來研究其物理特征、放電規(guī)律、誘發(fā)電場和激發(fā)大氣產(chǎn)生的自由基情況，對火星探測具有重要的科學(xué)意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷和不足，提供了一種在模擬火星條件下的沙塵暴模擬實驗裝置及實驗方法，用于模擬火星表面的沙塵暴，并對模擬的塵暴進行放電次數(shù)、電場強度和等離子體光譜特征的測量。

為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種火星沙塵暴模擬實驗裝置，包括：

用于盛放礦物顆粒的密閉容器，所述密閉容器內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)動件，密閉容器外部設(shè)有驅(qū)動件，所述驅(qū)動件的傳動桿穿過密閉容器與轉(zhuǎn)動件連接；

光電測量裝置，所述光電測量裝置包括光纖探頭以及與光纖探頭連接的光電倍增管，光纖探頭安裝于密閉容器的石英窗片上，光電倍增管位于密閉容器外部。

進一步的，還包括靜電測量裝置，包括設(shè)置于密閉容器內(nèi)的靜電計和設(shè)置于密閉容器外部的靜電計控制器，靜電計控制器與靜電計電連接。

優(yōu)選的，靜電計控制器通過設(shè)于密閉容器外壁上的真空法蘭與靜電計電連接，所述靜電計與真空法蘭之間、真空法蘭與靜電計控制器之間均通過靜電計數(shù)據(jù)線連接。

進一步的，還包括波長范圍為200-1100nm的高分辨光譜儀，所述高分辨光譜儀位于所述密閉容器外部，并通過光纖與所述密閉容器連接，用于測量沙塵暴中放電時產(chǎn)生的等離子體光譜特征。

優(yōu)選的，光電倍增管通過光纖與光纖探頭連接。

優(yōu)選的，所述轉(zhuǎn)動件為旋轉(zhuǎn)葉片，所述驅(qū)動件為電機。

進一步的，所述電機安裝于密閉容器的頂部，密閉容器的頂部設(shè)有一通孔，所述電機傳動桿穿過通孔與旋轉(zhuǎn)葉片連接。

進一步的，所述電機傳動桿與所述通孔之間設(shè)置有密封件。

優(yōu)選的，所述密封件為密封膠圈、或密封墊。

為了達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種火星沙塵暴模擬實驗方法，采用上述沙塵暴模擬實驗裝置，其具體實驗步驟如下：

根據(jù)火星表面土壤成分特征選擇沙塵暴中礦物顆粒樣品，向密閉容器中填裝礦物顆粒樣品；

密閉容器調(diào)節(jié)至火星氣氛和火星低氣壓條件下；

啟動驅(qū)動件，由驅(qū)動件帶動轉(zhuǎn)動件旋轉(zhuǎn)攪拌礦物顆粒樣品，形成沙塵暴，通過光電測量裝置測量沙塵暴中的放電次數(shù)，通過靜電測量裝置測量沙塵暴中的電場強度，并通過光譜儀測量沙塵暴中放電時的產(chǎn)生的等離子體光譜特征；

放電次數(shù)、電場強度以及等離子體光譜特征檢測完成后，關(guān)閉驅(qū)動件。

優(yōu)選的，所述火星氣氛為火星表面的含有95.5％的co2氣氛，所述火星氣壓為700pa的低氣壓。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提供的火星沙塵暴模擬實驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠真實模擬火星表面的沙塵暴，設(shè)有光電測量裝置，對沙塵暴中的放電次數(shù)進行測量，能夠用來研究火星表面沙塵暴的放電規(guī)律，為真實模擬、檢測最大程度符合火星實際情況的沙塵暴物理和化學(xué)特性提供環(huán)境模擬條件，利于進一步的火星探測，為火星探測時載荷和航天員的安全提供保障。

(2)本發(fā)明提供的火星沙塵暴模擬實驗裝置還設(shè)有靜電測量裝置和高分辨光譜儀，對沙塵暴中的電場強度和等離子體光譜特征(即：火星大氣受到激發(fā)后產(chǎn)出的光譜發(fā)射譜線)進行測量，進一步為真實模擬、檢測最大程度符合火星實際情況的沙塵暴物理和化學(xué)特性提供了環(huán)境模擬條件，有利于在模擬沙塵暴條件下實現(xiàn)光譜的原位探測分析，對更進一步的火星探測具有重要的科學(xué)意義。

(3)本發(fā)明提供的火星沙塵暴模擬實驗裝置對等離子體光譜特征進行測量，可以根據(jù)等離子體光譜特征指認出沙塵暴中自由基類型，從而獲取自由基誘發(fā)火星大氣和表面元素的演化規(guī)律，為進一步的火星探測提供研究基礎(chǔ)。

(4)本發(fā)明提供的火星沙塵暴模擬實驗方法，步驟簡單，能夠真實模擬、最大程度符合火星實際情況的沙塵暴，并對放電次數(shù)、放電電場和等離子體光譜特征進行在線測量，為進一步的火星探測提供研究基礎(chǔ)。

附圖說明

附圖1為本發(fā)明一實施例中火星沙塵暴模擬實驗裝置的結(jié)構(gòu)圖。

附圖2為本發(fā)明一實施例火星沙塵暴模擬實驗方法的流程圖。

圖中，1、密閉容器，11、旋轉(zhuǎn)葉片，12、石英窗片，13、通孔，21、光纖探頭、22、光電倍增管，23、光纖，3、電機，31、電機傳動桿，41、靜電計，42、靜電計控制器，43、真空法蘭，44、靜電計數(shù)據(jù)線，5、高分辨光譜儀，51、光纖。

具體實施方式

下面，通過示例性的實施方式對本發(fā)明進行具體描述。然而應(yīng)當(dāng)理解，在沒有進一步敘述的情況下，一個實施方式中的元件、結(jié)構(gòu)和特征也可以有益地結(jié)合到其他實施方式中。

在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語“內(nèi)”、“外”、“頂”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。

參見圖1，本發(fā)明一實施例，提供了一種火星沙塵暴模擬實驗裝置，包括密閉容器1和光電測量裝置，所述密閉容器內(nèi)設(shè)有轉(zhuǎn)動件，密閉容器外部設(shè)有驅(qū)動件，所述驅(qū)動件的傳動桿穿過密閉容器與轉(zhuǎn)動件連接；所述光電測量裝置包括光纖探頭21以及與光纖探頭21連接的光電倍增管22，光纖探頭21安裝于密閉容器1的石英窗片12上，光電倍增管22位于密閉容器1外部。

為了實現(xiàn)光纖探頭與光電倍增管之間的光信號傳輸，繼續(xù)參見圖1，光電倍增管22通過光纖23與光纖探頭21連接。進行沙塵暴模擬實驗時，礦物顆粒在沙塵暴和塵旋風(fēng)中相互碰撞，誘發(fā)靜電放電現(xiàn)象，光纖探頭測量沙塵暴中的放電閃光，并通過光纖傳輸至光電倍增管，通過光電倍增管實現(xiàn)放電次數(shù)的計數(shù)。

參見圖1，作為上述實驗裝置的優(yōu)選設(shè)計，所述轉(zhuǎn)動件為旋轉(zhuǎn)葉片11，所述驅(qū)動件為電機3。由于密封容器為完全密封，電機傳動桿需要穿過密封容器才能與旋轉(zhuǎn)葉片連接，為了實現(xiàn)電機傳動桿和旋轉(zhuǎn)葉片之間的有效連接，繼續(xù)參見圖1，對上述實驗裝置進一步設(shè)計，所述電機3安裝于密閉容器1的頂部，密閉容器1的頂部設(shè)有一通孔13，所述電機傳動桿31穿過通孔13與旋轉(zhuǎn)葉片11連接。

在進行沙塵暴模擬時，為了更真實的模擬沙塵暴，密閉容器需要保持密封狀態(tài)，由于密閉容器頂部的通孔與電機傳動桿之間存在一定的空隙，為了保證電機傳動桿與密閉容器之間的密封，對上述實驗裝置進行優(yōu)選設(shè)計，所述電機傳動桿31與所述通孔13之間設(shè)置有密封件，通過密封件實現(xiàn)電機傳動桿31與通孔13之間的密封，此處，所述密封件可以為密封膠圈，也可以為密封墊。

進行沙塵暴模擬時，先向密閉容器中裝入符合火星表面環(huán)境的礦物顆粒，密閉容器調(diào)整到火星表面的含有95.5％的co2氣氛和700pa的低氣壓條件，啟動電機，電機帶動旋轉(zhuǎn)葉片旋轉(zhuǎn)形成沙塵暴，靜電計測量沙塵暴中的電場，并將測量的電場數(shù)據(jù)傳輸給靜電計控制器，實現(xiàn)對模擬沙塵暴中電場的測量；同時，光纖探頭從石英窗片測量沙塵暴中的放電閃光，并將其通過光纖傳輸至光電倍增管，實現(xiàn)對模擬沙塵暴中放電次數(shù)的計數(shù)，根據(jù)放電次數(shù)可以獲知放電規(guī)律，對火星探測提供了研究基礎(chǔ)。

繼續(xù)參見圖1，對上述模擬實驗裝置進一步設(shè)計，該模擬實驗裝置還包括靜電測量裝置，所述靜電測量裝置包括設(shè)置于密閉容器1內(nèi)的靜電計41和設(shè)置于密閉容器1外部的靜電計控制器42，靜電計控制器42與靜電計41電連接。在進行沙塵暴模擬實驗時，礦物顆粒在沙塵暴和塵旋風(fēng)中相互碰撞，誘發(fā)靜電放電現(xiàn)象，放電現(xiàn)象影響電場，此時，通過靜電計測量沙塵暴中的電場強度，并將測量的電場強度數(shù)據(jù)傳輸給靜電計控制器，實現(xiàn)對模擬沙塵暴中電場強度的測量，根據(jù)電場強度可以獲知電場的變化，從而為進一步對火星探測提供研究基礎(chǔ)。

繼續(xù)參見圖1，靜電計測量沙塵暴中的電場強度后，需要將其傳輸至靜電計控制器，為了便于靜電計與靜電計控制器之間的信號傳輸，對上述模擬實驗裝置進行優(yōu)選設(shè)計，靜電計控制器42通過設(shè)于密閉容器1外壁上的第一真空法蘭43與靜電計41電連接，保證在真空密閉的情況下實現(xiàn)對模擬沙塵暴中電場的測量。所述靜電計41與真空法蘭43之間、真空法蘭43與靜電計控制器42之間均通過靜電計數(shù)據(jù)線44連接。

繼續(xù)參見圖1，對上述模擬實驗裝置進一步設(shè)計，該模擬實驗裝置還包括波長范圍為200-1100nm的高分辨光譜儀5，所述高分辨光譜儀5位于所述密閉容器1外部，并通過光纖51與所述密閉容器1連接。由于塵暴中的放電現(xiàn)象會產(chǎn)生大量含氧自由基誘發(fā)火星大氣和表面元素的變化。在進行沙塵暴模擬實驗時，密閉容器中沙塵暴中放電產(chǎn)生的自由基受激發(fā)后產(chǎn)出的光譜發(fā)射譜線通過光纖傳輸至光譜儀，實現(xiàn)對模擬沙塵暴中等離子體光譜特征的測量，根據(jù)等離子體光譜特征指認出沙塵暴中自由基類型，從而獲取自由基誘發(fā)火星大氣和表面元素的演化規(guī)律，為進一步的火星探測提供研究基礎(chǔ)。由于對等離子體光譜特征的測量需要具有靈敏度高的光譜儀，因此本申請選擇光譜儀的波長范圍為200-1100nm，在進行沙塵暴實驗時，可以在上述波長范圍內(nèi)任意選取光譜儀。也就是說，波長范圍在200-1100nm任意一款光譜儀均可完成沙塵暴中等離子體光譜特征的測量。

本發(fā)明上述沙塵暴模擬實驗裝置，在進行沙塵暴模擬實驗時，需要將密閉容器調(diào)整到火星氣氛和火星的低氣壓環(huán)境，調(diào)整到火星表面的含有95.5％的co2氣氛和700pa的低氣壓條件。

參見圖2，本發(fā)明實施例還揭示了一種沙塵暴模擬實驗方法，采用上述實施例中所述沙塵暴模擬實驗裝置，其具體實驗步驟如下：

步驟一：根據(jù)火星表面土壤成分特征選擇沙塵暴中礦物顆粒樣品；向密閉容器中填裝礦物顆粒樣品；

步驟二：密閉容器調(diào)試至火星氣氛和火星氣壓條件下，即火星表面的含有95.5％的co2氣氛和700pa的低氣壓條件；

步驟三：啟動驅(qū)動件，由驅(qū)動件帶動轉(zhuǎn)動件旋轉(zhuǎn)攪拌礦物顆粒樣品，形成沙塵暴，通過光電測量裝置測量沙塵暴中的放電次數(shù)，通過靜電測量裝置測量沙塵暴中的電場強度，并通過光譜儀測量沙塵暴中放電時的產(chǎn)生的等離子體光譜特征；

步驟四：放電次數(shù)、電場強度以及等離子體光譜特征檢測完成后，關(guān)閉驅(qū)動件。

在本發(fā)明上述實驗方法中，通過火星環(huán)境模擬真空模擬火星環(huán)境時，火星環(huán)境的模擬參數(shù)包括氣氛、氣壓和溫濕度。

本發(fā)明上述實驗方法，能夠模擬火星環(huán)境下的沙塵暴，并對沙塵暴中由于礦物顆粒在沙塵暴和塵旋風(fēng)中相互碰撞誘發(fā)的靜電放電現(xiàn)象進行檢測，通過測量放電次數(shù)、放電電場和等離子體光譜特征，真實模擬、最大程度符合火星實際情況的沙塵暴，為進一步的火星探測提供研究基礎(chǔ)。

上述實施例用來解釋本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)，對本發(fā)明做出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護范圍。