CN103786907A - 一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、真空泵组。真空罐采用上下两段构成，上段固定于底面，下段安装在可移动升降平台；通过可移动升降平台实现上段与下段间的对接。真空罐通过真空罐组进行抽真空；真空罐顶部安装有钻具，且钻具与真空罐不同轴；真空罐内部同轴设置有月壤筒；月壤筒通过月壤筒转动机构驱动，实现在真空罐内的转动。通过上述结构，每抽一次真空，可进行多次钻削试验，节约了大量的时间和资源；同时，真空罐设计为上下两段结构，通过可移动升降平台调节位置，实现对接，便于模拟月壤的制备和装卸等，具有操作方便、快捷的优点。

Description

一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐

技术领域

本发明属于空间探测技术领域，具体来说，是一种可模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐。

背景技术

能源短缺和资源匮乏已经成为阻碍现代人类社会发展的紧要问题，人们不断的寻找新能源以满足生产和生活的需要，但是地球本身的资源是有限的，向太空获取资源是人类发展的必然趋势。月球是环绕地球的一个卫星，它是地球唯一的一颗天然卫星，也是离地球最近的天体。月球蕴藏有丰富的铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢等元素，月壤中还含有丰富的He-3，利用氘和He-3进行的氦聚变可作为核电站的能源，因此月球上的资源对于地球未来能源的获取具有重大的意义。

近年来，世界各国先后对月球进行了多方面的探索。美国在1967年代发射了“阿波罗11号”，开始了人类首次登月的太空征程，并成功收集了月壤样品返回地球；前苏联也发射了“luna”系列的探月航天器，实现了月球上自动取样并返回地球；1994年美国发射的“克莱门汀”计划和1988年发射的“月球勘探者”计划对月球进行了全方位的探测工作；我国也实施启动了“嫦娥工程”探月计划，探月计划分为“绕”、“落”、“回”三个战略发展阶段，目前已实现了“绕”和“落”这两个目标，探月三期要将实现对月球样品的自动采集与返回，在探月任务中明确提出了要探测月球物质成分、探测月壤特性的要求，探月三期已列入国家中长期科技发展规划重大专项。

为了实现月壤的自动采集，我国已设计并研制了多种月壤采样器，其中钻取式采样器是最常使用的采样器形式，它既可以采集松散的表层样品，也可以进行深层采样，经过特殊的设计还可以进行坚硬的岩石的采样，使得可以采集的样品种类较多。而钻具是钻取式采样器的核心部件，它的工作性能直接影响整个采样效果。由于月球具有微重力、强辐射、高真空的特殊环境，为了使采样器能在月球苛刻的环境下安全、可靠地运行，需设计一种模拟月球真空环境的真空设备，用于采样器钻具的钻削试验，验证钻具的可靠性。目前，国内外还没有专门针对月球环境设计的真空设备，成熟的真空技术能使真空罐达到月球的真空度，但是由于真空罐中要盛装模拟月壤，抽真空过程中还要保证模拟月壤的密实度和真空度的均匀性，还要实现每抽一次真空，进行多次钻削试验，因此需设计一种专门针对月球真空环境，可以完成多次钻削试验的真空罐。

发明内容

本发明的目的是针对月球微重力、强辐射和高真空的特殊环境，提出一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、真空泵组。

所述真空罐由真空罐上段与真空罐下段构成。其中，真空罐上段与地面间相对固定；真空罐下段安装在可移动升降平台上；通过升降平台实现真空罐下段与真空罐上段间的对接与分离。所述真空罐上段顶端通过法兰固定安装有上端盖，上端盖上开有钻具安装孔，用来安装钻具；且钻具安装孔与真空罐不同心。真空罐通过真空泵组进行抽真空，真空泵组同样安装在可移动升降平台上。

所述月壤筒用来盛装模拟月壤，同轴设置于真空罐下段内部。月壤筒通过月壤筒转动机构实现在真空罐内的定位，以及旋转驱动。所述月壤筒转动机构包括吊装盘、齿轮盘、驱动电机与传动齿轮。其中，吊装盘与齿轮盘均同轴空套在月壤筒上；吊装盘与月壤筒外壁间存在间隙，吊装在真空罐下段上。齿轮盘与月壤筒间固定。吊装盘顶面与齿轮盘底面间通过滚珠实现周向上的动摩擦连接。驱动电机，驱动电机的输出端端部同轴固定安装有传动齿轮，传动齿轮与齿轮盘啮合；通过驱动电机带动传动齿轮与齿轮盘间传动。

通过上述结构，可保证钻具钻削试验在模拟月球真空环境下进行，且通过驱动电极驱动齿轮盘带动月壤筒转动，使一次钻削试验可实现多次钻取，大大节约了钻削试验的时间。

本发明的优点在于：

1、本发明内筒可旋转真空罐，因此每抽一次真空，可进行多次钻削试验，节约了大量的时间和资源；且旋转机构位于月壤筒的上端，可防止转动过程带来的晃动，使真空罐工作更加稳定可靠。

2、本发明内筒可旋转真空罐，设计为上下两段结构，真空罐下段可随移动升降平台移动，月壤筒与真空罐独立分开，便于模拟月壤的制备和装卸等，具有操作方便、快捷的优点；

3、本发明内筒可旋转真空罐，可根据钻具的长度、真空罐的真空度进行参数化设计，通用性强；

4、本发明内筒可旋转真空罐，结构简单，成本低，且便于维护。

附图说明

图1为本发明内筒可旋转真空罐整体结构示意图；

图2为本发明内筒可旋转真空罐中月壤筒结构示意图；

图3为本发明内筒可旋转真空罐中月壤筒旋转机构示意图。

图中：

1-真空罐                   2-月壤筒                   3-月壤筒转动机构

4-真空泵组                 5-冷肼                     101真空罐上段

102-真空罐下段             103-固定架                 104-支撑台架

105-升降平台               106-滚轮                   107-导轨

108-测距传感器             109-钻具                   110-钻头

111-螺旋段                 112-光轴段                 113-动密封接头A

114-热沉罩                 115-下端盖                 201-吊耳

202-透气孔                 203-内胆                   204-封口法兰

205-泄压口                 301-吊装盘                 302-齿轮盘

303-驱动电机               304-传动齿轮               305-滚珠

306-定位轴承               307-动密封接头B

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明内筒可旋转真空罐，包括真空罐1、月壤筒2、月壤筒转动机构3、真空泵组4，如图1所示。

所述真空罐1竖直设置，为由圆筒状真空罐上段101与圆筒状真空罐下段102构成的立式圆筒形两段式结构，满足便于拆卸，试验操作方便的要求。其中，真空罐上段101中部通过法兰固定安装在固定架103上；真空罐上段101通过固定架103固定安装在地面上，实现真空罐上段101与地面间的相对固定。真空罐下段102通过支撑台架104固定安装在升降平台105上；升降平台105底面上安装有滚轮106，构成可移动的升降平台105。由此，通过升降平台105，调节真空罐下段102的空间位置，实现真空罐下段101与真空罐上段102间的同轴对接与分离，且保证了整个对接与分离过程中真空罐上段101的静止不动。上述真空罐上段101与真空罐下段102对接后，通过螺栓将真空罐上段101底端与真空罐下段顶端102设计的连接法兰固连形成整体真空罐1；且真空罐上段101底端与真空罐下段102顶端间安装有O型密封圈，实现真空罐上段101与真空罐下段102对接接缝处的密封。为了便于真空罐上段101与真空罐下段102间的对接，本发明中在真空罐下段102顶端法兰上设计有锥形定位销钉，真空罐上段101底端法兰上开有销钉定位孔；由此，当真空罐下段102通过升降平台105与真空罐上段101对接时，通过锥形定位销钉配合销钉定位孔进行对准；定位销上段设计为锥形结构，可使得对准过程具有一定的调整误差。上述升降平台105底部的滚轮106设置在导轨107上，通过导轨107进行滚轮106的滚动进行导向，进而实现对升降平台105的移动进行导向，使升降平台105可沿导轨107设置方向移动，增加了升降平台105在对接时移动的稳定性。同时，在导轨107上安装有测距传感器108，通过测距传感器108实时检测自身与升降平台105间的距离信号，发送至外部控制设备，直至距离信号与设定阈值相等时，则由控制设备控制升降平台105停止移动，此时控制升降平台105上升即可完成真空罐上段101与真空罐下段102间的对接，大大方便了真空罐上段101与真空罐下段102间的对接过程。上述升降平台105的沿导轨的运动，通过直线电机进行驱动。

上述真空罐上段101顶端通过法兰固定安装有上端盖108，且上端盖108与真空罐上段101顶端间还安装有O型密封圈，实现真空罐上段101顶端的密封。上端盖108上开有钻具安装孔，用来安装进行模拟月球真空环境钻削试验的钻具109。在进行模拟月球真空环境钻削试验时，钻具109的钻头110与螺旋段111需要在真空罐1中的真空环境内，是整个钻具101的工作部分，直接进行钻削试验；而驱动钻具109的钻进试验驱动平台在真空罐外。因此本发明中将钻具109设计为分段式结构，一段为螺旋段111，另一段为光轴段112，螺旋段111与光轴段112的一端相互嵌合，保证螺旋段111与光轴段112的同轴度，并通过端部的对接法兰相互固定，拆装方便，性能可靠。光轴段112通过动密封接头A113实现与上端盖108的钻具安装孔间的动密封，保证钻进试验过程中真空罐1的密封性。所述动密封接头113采用磁流体密封接头，磁流体密封接头外侧具有冷却水套，用来使磁流体保持在工作温度，消除真空罐1内的高温对磁流体密封效果的影响，是一种适用于高真空、高速度的动密封装置，工作稳定可靠。所述螺旋段111另一端为钻头110；光轴段112的另一端与外部钻进试验驱动平台，由此可见通过光轴段112在实现动密封的同时，连接真空罐1外部的钻具驱动机构和位于真空罐1内部的螺旋段111，传递驱动钻具109旋转和钻进的扭矩和钻压力。上述上端盖108上的钻具安装孔与真空罐1不同心，由此在钻具109安装后，钻具109的轴线和真空罐1的轴线不重合。

所述月壤筒2用来盛装模拟月壤，与真空罐1相互独立，同轴设置于真空罐下段102内部。如图2所示，月壤筒2上端周向上具有定位法兰，定位法兰上安装有吊耳201，用于月壤筒2在更换模拟月壤的过程中天车的起吊。月壤筒2筒壁上开有透气孔202，使月壤筒2内部模拟月壤和真空罐上段101真空度更均匀。月壤筒2内壁上安装有空隙小于模拟月壤颗粒的不锈钢网，作为内胆203；在透气孔202处采用点焊技术将内胆203与月壤筒2内壁焊接；通过内胆203可减小模拟月壤填充、压实和钻进试验的过程中，模拟月壤颗粒不漏。本发明中为使钻削试验后换模拟月壤方便，将月壤筒2底部设计为收缩口，开口处铰接有封口法兰204，通过封口法兰204将收缩口密封；将封口法兰204打开后，可进行月壤卸载。本发明中在月壤筒2侧壁上收缩口位置周向上开有泄压口205，泄压口205处安装端盖，通过端盖将泄压口密封，且在试验结束后打开泄压口205的端盖，可预先对月壤筒2进行泄压，避免封口法兰204打开过程中由于压力过大，使封口法兰204与月壤筒2间的铰接结构在封口法兰204打开的过程中由于受力不均而损坏。

上述结构月壤筒2通过月壤筒转动机构3实现在真空罐1内的定位，以及旋转驱动。所述月壤筒转动机构3包括吊装盘301、齿轮盘302、驱动电机303与传动齿轮304，如图3所示。其中，吊装盘301与齿轮盘302均同轴空套在月壤筒2上；吊装盘301与月壤筒2外壁间存在间隙，且吊装盘301通过立柱吊装在真空罐下段102顶端的连接法兰上。齿轮盘302通过定位销与月壤筒2顶端周向上设计的定位法兰相连，使月壤筒2与齿轮盘302间不会产生相对运动。吊装盘301顶面与齿轮盘302底面间周向上安装有滚珠305，通过滚珠305实现齿轮盘302与吊装盘301间周向上的动摩擦连接，使齿轮盘302可在吊装盘301上自由转动，进而实现月壤筒2的自由转动。上述吊装盘301的周向上还均匀安装有定位轴承306，与定位轴承306内圈配合的轴通过螺纹连接安装在吊装盘301上，定位轴承306外圈与齿轮盘302侧壁接触配合，由此通过定位轴承306在不影响齿轮盘302正常转动的前提下，实现齿轮盘302的横向移动限位，由此保证月壤筒2与真空罐1间的旋转同心度。上述齿轮盘302的转动动力通过驱动电机303提供；所述驱动电机303选用带变频输出的直流电机或是由脉冲信号控制的脉冲电机，该电机转速可调，精度较高。驱动电机303通过电机支架固定安装在支撑台架104上，驱动电机303输出轴端部穿过真空罐下段102侧壁，位于真空罐下段102内部；驱动电机303输出轴与真空罐下段102侧壁间通过动密封接头B307实现旋转动密封；动密封接头B307同样采用磁流体接头。由此，驱动电机303产生的扭矩可通过输出轴传入真空罐下段102内。驱动电机303的输出端端部同轴固定安装有传动齿轮304，传动齿轮304与齿轮盘302外围周向上的轮齿啮合；进而通过驱动电机303带动传动齿轮304与齿轮盘302间传动，使月壤筒2随着齿轮盘302一同转动。由此，在进行钻具钻削试验过程中，通过月壤筒2的旋转，保证一次钻削试验可实现多次钻取，大大节约了钻削试验的时间。本发明中在真空罐下段102内部还安装有热沉罩114，套在月壤筒2外部，有助于钻削试验的散热。同时考虑到真空罐下段102在抽真空过程中可能有月壤漏入真空罐1内，因此，本发明中真空罐下段102设计为开口，且安装有下端盖115，便于清扫漏入真空罐1内的月壤，如图1所示。

所述真空泵组4用来为真空罐1内部进行抽真空操作，真空泵组4可根据要求的真空度，选择不同的型号。本发明中真空泵组4通过冷肼5与真空罐1相连，具体为：真空泵组4的真空管道与冷肼5一端口通过冷肼封口法兰连接，冷肼5另一端口通过冷肼封口法兰与抽气管道一端连通，抽气管道的另一端通过抽气法兰与真空罐下段102底部间密封连接，保证模拟月壤在抽真空过程中的密实度。由此，通过冷肼5可防止真空罐1内的细小粉尘通过真空抽气孔进入真空管道，损坏真空泵组4，同时避免试验过程中的热量对真空泵组4造成影响。考虑到真空罐1密封的可靠性，真空抽气接头不能常拆卸，因此，真空泵组4固定安装于升降平台105上，实现真空泵组4与同真空罐下段102一同移动。

本发明中真空罐1还通过管路连接氮气气瓶，通过阀门控制氮气气瓶内的流量；由此，在钻削试验结束后，打开阀门向真空罐1内部充入氮气，使得真空罐1内压强恢复至常压。

通过本发明内筒可旋转真空罐进行钻具钻取试验时，通过下述过程实现：

a、将真空罐上段101安装固定在固定架103上，将钻具109通过磁流体密封接头1安装在真空罐上段101顶部钻具安装孔处，并调整钻具109的位置，使钻具109的光轴段112通过动密封接头A113与钻具安装孔间动密封。同时，将真空泵组4安装在升降平台105上，使真空泵组4通过真空管道与冷肼5一端连接，并将冷肼5另一端通过抽气管道与真空罐下段102连接。

b、在月壤筒2中填装模拟月壤，为了保证模拟月壤的密实度，分多次装入体积松散的模拟月壤，每次装入后通过振动电机压实。随后，用天车通过月壤筒2顶部的吊耳201将月壤筒2装入真空罐下段102中，并与月壤筒转动机构3中的齿轮盘302固定。

c、通过直线电机，驱动升降平台105，连同真空罐下段102、真空泵组4和月壤筒2沿着导轨107直线运动到真空罐上段101正下方，通过测距传感器108，使真空罐下段102和真空罐上段101间精确定位。随后，升起升降平台105，将整个真空罐下段102向上移动，通过真空罐下段102顶端的定位销钉和真空罐上段101底端的销钉定位孔间配合，实现真空罐下段102与真空罐上段101间的对接，然后通过锁紧螺栓压紧O型橡胶密封圈实现密封；至此完成真空罐上段101与真空罐下段102间的对接密封。

d、真空泵组4开始工作，完成对真空罐1抽真空；通过真空泵组4使真空罐1达到设定的真空度后，钻具驱动机构驱动钻具109完成旋转和钻进运动，对模拟月壤进行钻削试验。当钻具109完成第一次钻削试验时，钻具驱动机构驱动钻具向上提升至初始位置；此时，月壤筒旋转机构3启动，驱动电机303通过齿轮盘302驱动月壤筒2转动一定的角度，由于钻具109和月壤筒2不同轴，因此月壤筒2旋转后可将钻头110对准未经钻削的模拟月壤上，再次通过钻具驱动机构驱动钻具109进行第二次钻削试验，并根据需要，按照此顺序完成钻具109的多次钻削试验；钻削试验完成后，钻具109始终保持在初始位置。

最后，钻削试验结束后，先往真空罐1内部充入氮气，使得真空罐1内压强恢复至常压，松开真空罐上段101与真空罐下段102上连接法兰的锁紧螺栓，并使真空罐下段102在升降平台105作用下下移，然后将真空罐下段102推出真空罐上段101正下方。接着用天车将月壤筒2吊出真空罐下段102，打开月壤筒2底部封口法兰204卸出月壤。至此，完成了钻具109在模拟月球环境真空罐的钻削工作。

Claims (10)

1.一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、真空泵组；

所述真空罐由真空罐上段与真空罐下段构成；其中，真空罐上段与地面间相对固定；真空罐下段安装在可移动升降平台上；通过升降平台实现真空罐下段与真空罐上段间的对接与分离；所述真空罐上段顶端通过法兰固定安装有上端盖，上端盖上开有钻具安装孔，用来安装钻具；且钻具安装孔与真空罐不同心；真空罐通过真空泵组进行抽真空，真空泵组同样安装在可移动升降平台上；

所述月壤筒用来盛装模拟月壤，同轴设置于真空罐下段内部；月壤筒通过月壤筒转动机构实现在真空罐内的定位，以及旋转驱动；所述月壤筒转动机构包括吊装盘、齿轮盘、驱动电机与传动齿轮；其中，吊装盘与齿轮盘均同轴空套在月壤筒上；吊装盘与月壤筒外壁间存在间隙，吊装在真空罐下段上；齿轮盘与月壤筒间固定；吊装盘顶面与齿轮盘底面间通过滚珠实现周向上的动摩擦连接；驱动电机，驱动电机的输出端端部同轴固定安装有传动齿轮，传动齿轮与齿轮盘啮合；通过驱动电机带动传动齿轮与齿轮盘间传动。

2.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述真空罐下段顶端上设计有锥形定位销钉，真空罐上段底端法兰上开有销钉定位孔，且定位销上段设计为锥形结构，使真空罐上段与真空罐下段间对接时，通过锥形定位销钉配合销钉定位孔进行对准。

3.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述钻具为分段式结构，一段为螺旋段，另一段为光轴段，螺旋段与光轴段的一端相互嵌合固定；光轴段通过动密封接头实现与上端盖的钻具安装孔间的动密封；所述螺旋段另一端为钻头；光轴段的另一端与外部钻进试验驱动平台。

4.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述月壤筒上端安装有吊耳，筒壁上开有透气孔；内壁上安装有空隙小于模拟月壤颗粒的网状内胆；且月壤筒底部设计为收缩口，开口处安装有封口法兰；月壤筒侧壁上收缩口位置周向上开有泄压口，泄压口处安装端盖。

5.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述吊装盘的周向上均匀安装有定位轴承，定位轴承外圈与齿轮盘侧壁接触配合实现齿轮盘的横向移动限位。

6.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述真空泵组通过冷肼与真空罐相连。

7.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述真空罐下段内部还安装有热沉罩，套在月壤筒外部。

8.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述真空罐下段设计为开口，且安装有下端盖。

9.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述可移动升降平台通过导轨进行移动导向，且导轨上安装有测距传感器，测距传感器实时检测自身与升降平台间的距离信号，发送至外部控制设备，直至距离信号与设定阈值相等时，则由控制设备控制升降平台停止移动，此时控制升降平台上升即可完成真空罐上段与真空罐下段间的对接。

10.如权利要求1所述一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，其特征在于：所述真空罐还通过管路连接氮气气瓶，通过阀门控制氮气气瓶内的流量。

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