一种火星尘暴模拟器及其火星尘暴实验方法

本发明涉及火星大气模拟实验，特别是涉及一种火星尘暴模拟器及其火星尘暴实验方法。

背景技术：

1、火星大气环境以及地表物质与地球存在巨大差异：例如火星以二氧化碳为主的火星大气稀薄干燥(含有95.5％的co2、2.7％的n2、1.6％的ar以及其他微量气体，表面平均压强仅为700pa)，强紫外/宇宙射线辐射导致火星大气具有高电离度。同时火星也是具有全球性尘暴的行星，尘暴对火星的影响不可忽视。对尘暴的研究有助于深化火星大气电场(产生机制、电场特征，演化规律)、大气放电现象以及放电引起的火星大气与表面物质的强相互作用的认识。但是目前没有火星实测数据和模拟实验数据，限制了对上述科学问题的深入研究。

2、在没有火星表面原位大气电场测量仪就位探测数据情况下，实验室模拟，特别是贴近火星环境的实验室模拟是解决上述科学问题唯一可行和有效的办法。对火星尘暴大气电场的产生机理、强度特征、演化特征以及电场特征与风速变化、气压、尘暴尘埃矿物颗粒种类等之间的相互关系的深入研究。将增加人们对火星大气环境、环境演化的深入认识。

3、授权公告号为cn107290002b的中国专利公开了一种火星沙尘暴模拟实验装置及实验方法，实验装置包括密闭容器和光电测量装置，密闭容器内设有转动件，密闭容器外部设有驱动件，驱动件的传动杆穿过密闭容器与转动件连接；光电测量装置包括光纤探头以及与光纤探头连接的光电倍增管，光纤探头安装于密闭容器的石英窗片上，光电倍增管位于密闭容器外部。该方案通过在密闭容器内采用转动件的转动实现对火星表面的沙尘暴的模拟，但是转动件与矿物颗粒高强度碰撞给尘暴模拟的真实性带来了干扰，给精确的实现火星尘暴模拟带来了技术上的困难，而且只能通过转动进行模拟，模拟方式单一。

4、再如，申请公布号为cn114104347a的中国专利公开了一种用于模拟火星低压尘暴环境的真空容器装置，它包括筒体和罐外车，筒体底部固定在两个鞍座上，筒体一侧与大门铰接相连，筒体内底部设置有两个导轨，罐外车为框架式结构，罐外车上设置有两个轨道，两个轨道与筒体内两个导轨对接相连，筒体上开设有多个法兰接口，通过法兰接口与真空系统、测控系统、引射器和/或砂尘系统相连。该方案通过利用风洞中布置的风源带动火星尘运动，模拟火星大气压力、密度、温度和火星大气与尘暴流场环境，实现火星表面砂尘环境模拟。但是，只能通过改变风源大小来模拟不同的环境变化，风源处由近致远的变化程度较大，导致最终模拟的精确性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种火星尘暴模拟器及其火星尘暴实验方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过在密闭容器内填充矿物颗粒和二氧化碳气体以模拟火星低气压环境，通过机械运动实验平台带动密闭容器完成不同运动方式，以在密闭容器内模拟不同强度的尘暴，能够以密闭容器整体的运动实现其内部环境的模拟，避免搅拌动作和风源吹动所造成的精确性差的问题，提高火星尘暴模拟的精确性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种火星尘暴模拟器，包括机械运动实验平台和安装在所述机械运动实验平台上的密闭容器，所述机械运动实验平台运动方式包括水平往复震荡、垂直往复震荡和变速旋转，所述密闭容器内在低气压条件下密封充装有矿物颗粒和二氧化碳气体，所述密闭容器连接有监测装置，通过控制所述机械运动实验平台不同的运动方式，在所述密闭容器内模拟不同强度的尘暴，通过所述监测装置获得所述密闭容器内尘暴的实验数据。

4、优选地，所述监测装置包括光纤光谱仪，所述光纤光谱仪用于对所述密闭容器内尘暴放电的光谱进行测量。

5、优选地，所述监测装置包括无线微型摄像机，所述无线微型摄像机用于监测所述密闭容器中矿物颗粒的图像，分析矿物颗粒的运动速度，振荡过程中矿物颗粒的分布情况。

6、优选地，所述监测装置包括大气电场/电导率测量仪，所述大气电场/电导率测量仪用于对所述密闭容器内的电场强度和大气电导率进行在线测量。

7、优选地，所述大气电场/电导率测量仪包括用于与火星大气耦合产生感应电动势的球形电极、用于安装所述球形电极的绝缘支架以及作为参考电极的接地极板，所述球形电极产生的感应电动势与所述接地极板之间的电势差作为模拟感应信号，通过模拟信号调理电路调整所述模拟感应信号得到第一模拟感应信号，通过数字电路将所述第一模拟感应信号转换为数字信号。

8、优选地，三个相同的所述球形电极通过所述绝缘支架分别安装在x轴方向、y轴方向和z轴方向上同时探测尘暴在三维方向上产生的三个感应电动势。

9、优选地，所述密闭容器采用石英玻璃管。

10、本发明还提供一种火星尘暴实验方法，应用前文记载的所述的火星尘暴模拟器，包括以下内容：

11、在密闭容器内充装模拟火星大气和火星代表矿物，并设定到火星低气压条件，形成含有火星大气成分、具有火星大气气压并包含有一定量火星矿物的密闭容器；

12、启动机械运动实验平台，由所述机械运动实验平台带动所述密闭容器进行水平往复震荡、垂直往复震荡或变速旋转，在所述密闭容器内形成不同强度的尘暴；

13、通过监测装置监测所述密闭容器内尘暴的实验数据，对实验数据进行记录和分析；

14、关闭所述机械运动实验平台。

15、优选地，对所述密闭容器内尘暴放电的光谱进行测量，监测所述密闭容器中矿物颗粒的图像，分析矿物颗粒的运动速度，振荡过程中矿物颗粒的分布情况，对所述密闭容器内的电场强度和大气电导率进行在线测量，通过上述方式获得实验数据，对所测实验数据进行总结以分析尘暴发生时的大气电场特征、大气放电形式。

16、优选地，在关闭所述机械运动实验平台后，取出所述密闭容器内的样品进行离线分析，鉴别蚀变产物并分析蚀变产物产率，对放电与火星表面物质强相互作用导致的矿物蚀变情况进行分析。

17、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

18、(1)本发明通过在密闭容器内填充矿物颗粒和二氧化碳气体以模拟火星低气压环境，通过机械运动实验平台带动密闭容器完成不同运动方式，以在密闭容器内模拟不同强度的尘暴，能够以密闭容器整体的运动实现其内部环境的模拟，避免搅拌动作和风源吹动所造成的精确性差的问题，提高火星尘暴模拟的精确性；

19、(2)本发明监测装置包括光纤光谱仪、无线微型摄像机和大气电场/电导率测量仪，能够利用光纤光谱仪对密闭容器内尘暴放电的光谱进行测量，利用无线微型摄像机监测密闭容器中矿物颗粒的图像，分析矿物颗粒的运动速度，振荡过程中矿物颗粒的分布情况，利用大气电场/电导率测量仪对密闭容器内的电场强度和大气电导率进行在线测量，通过对上述方式所获得的实验数据进行总结分析，能够获得尘暴发生时的大气电场特征、大气放电形式；

20、(3)本发明在关闭机械运动实验平台后，取出密闭容器内的样品进行离线分析，能够鉴别蚀变产物并分析蚀变产物产率，对放电与火星表面物质强相互作用导致的矿物蚀变情况进行分析；

21、(4)本发明大气电场/电导率测量仪的球形电极为单极传感器，在火星尘暴条件下工作状态更稳定，同时，将模拟感应信号转化为数字信号后，数字信号的抗干扰能力更强，实现了在火星尘暴条件下对火星大气电场进行测量。