探索广袤宇宙是人类不懈追求的理想。哥伦布发现美洲大陆改变了世界格局和历史进程,火星是人类的“新大陆”,直接影响未来世界格局和我国的长远发展。2021年5月“祝融号”火星车顺利着陆,拉开了我国火星探测工程的序幕。然而火星环境极端恶劣,火星表面尘暴会对火星车及有效载荷造成极大损伤,甚至毁灭性破坏。低气压风暴和尘暴是火星环境的典型特征,地面实验模拟是解决这一极端环境难题的有效与经济的方法。然而目前国内外都没有能够模拟大尺度火星低压尘暴环境的设备。本文立足于国家深空探测重大工程迫切需求,旨在设计一个有效试验尺寸2m×2m的火星尘暴环境模拟装置,为中国后续火星探测任务提供强有力的实验科研平台。对国内外现有先进风洞进行调研分析,针对风洞类型、风速驱动以及尘暴产生三方面,提出了国际上首个基于超声速引射式的低压亚声速回流型风洞的新方案,并提出了在洞体内部以气体作为动力,用喷管对风尘混合物进行喷射的方法来生成砂尘环境。以能耗最低为基础原则,完成风洞洞体与引射器进行设计。把亚声速火星低压尘暴环境的模拟分为两个部分,一个是低压环境下亚声速的模拟,另一个是低压亚声速环境下尘暴环境的模拟。根据等效性、经济性、覆盖性的原则,对火星环境模拟物理量以及参量范围进行优选。利用CFD仿真分析引射器主要结构参数对引射效率的影响,对引射器结构进行优化设计。针对火星模拟风速的要求,以能耗最低为目标,对回流型风洞的出口位置进行优选。对试验段风速进行仿真验证,发现试验段可以达到5～180m/s的目标风速。对洞体内CO2的状态进行分析,排除气体低温凝华以及液化的可能。建立砂尘颗粒受力模型,采用计算与仿真相结合的方式对不同粒径砂尘的运动情况进行分析,通过离散元仿真以砂尘喷射范围和试验段的速度分布为依据,确定了砂尘喷管的具体形状、尺寸、安装位置以及喷射方向。设计火星尘暴验证实验系统,主要由风洞洞体、真空系统、砂尘系统、风速模拟系统、气源系统、测控系统等组成,研制直线型低压风洞原理样机,并开展试验研究,验证低压环境风速可达100m/s,对测量方法以及测量参数进行分析,为后续实验奠定基础。