CN104122381B - 一种真空高低温月壤环境模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真空高低温月壤环境模拟装置，包括模拟月壤盛放装置、真空罐构成的真空高低温环境模拟器以及低温制冷循环器、扩散泵、机械泵与加热组件；上述模拟月壤盛放装置具有用来盛放模拟月壤的月壤筒，且通过移动平台实现位置的微调；模拟月壤盛放装置设置在真空罐内；真空管通过扩散泵与前级机械泵实现真空罐内的抽真空；低温制冷循环器通过月壤筒筒壁上设计的内部具有制冷剂的紫铜管实现模拟月壤的制冷；且通过月壤筒上方设置的碘钨灯实现模拟月壤表面的加热。本发明的优点为：能够模拟真空条件下表层月壤的白昼高温或黑夜低温环境，深层月壤的低温环境，且保证模拟月壤具备1.9g/cm3高密实度，低于0.1％含水量。

Description

一种真空高低温月壤环境模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明涉及一种真空高低温月壤环境模拟装置，尤其涉及一种用于模拟月球表面高真空，月壤干燥、高密实度，白昼时分表层月壤高温、深层月壤低温，黑夜时分土壤整体低温的环境模拟装置。

背景技术

月球是距离地球最近的天体，月球探测是人类进行星际探测的历史性开端，从人类的整个太空探测而言，月球探测具有极其重要的战略意义，因为它是星际探测的中转基地。自1969年7月20日美国阿波罗11号飞船首次登陆月球以来，迄今美国先后有12名宇航员登上月球，运回大量的月壤和岩石标本；前苏联也先后进行了三次载人或不载人的取样，获取了大量的科学数据。月球上所蕴含的丰富的矿产和能源，俨然已成为继南极和公海之后又一个国际争夺的热点。

月球不属于任何国家，谁先利用谁先获益，月壤的采集与分析早已成为一个国际热门话题。然而月球环境极其苛刻，在近月空间和月表环境中的大气密度只有地球上的1/1012，所以月球大气环境也称为高真空环境，比地球轨道的真空度还高约2个数量级。月面温度环境称之为月球热环境，包括太阳直接辐照、月球反照、月面红外辐射等。在月球白天期间，太阳辐照度高达1358W/m²。在月球轨道上，从黎明到黄昏，太阳辐照度的变化约为1％；而在月球午夜，太阳辐照降至0。月球的黑夜极限温度可达-180℃，月面在受到太阳直接照射时的极限温度可达150℃，昼夜温差很大。月球环境总体来说具有高真空、高温高、低温低、高低温差大等特点。

为了进行月球科学的研究，世界各国科学家制作了多种模拟月壤，“模拟月壤”是在地球上进行的试验中所使用的月壤替代品，是能够较好地模拟真实月壤的材料。根据不同的研究目的，可以侧重于模拟真实月壤的化学、电磁、物理特性以及力学特性等。例如被国外广泛采用的JSC-1模拟月壤的原材料是富含玻璃的玄武质火山灰，通过研磨、筛分制备而成，其化学组成、矿物成分、颗粒形状、颗粒粒径分布、比重、内摩擦角及粘聚力参数与Apollo14号采集的月海低钛月壤相似；MLS-1模拟月壤取自高钛的玄武质角岩，用于模拟Apollo11号采集的高地月壤的化学组成；日本的MKS-1和FJS-1均用于模拟Apollo14号采集的月海低钛月壤等。

世界各国制备的模拟月壤普遍都是常温常压下保存，在使用过程中常常存在以下问题：

(1)密实度不够：真实月壤为高密实度状态，密度约为1.9g/cm³，模拟月壤为松散保存状态，密度一般不超过1.5g/cm³；

(2)含水量过高：真实月壤不含水分，模拟月壤常温常压保存，内部含有大量水汽，水分子的存在极大的影响了模拟月壤的物理性质；

(3)温度场差异太大：真实月壤表层和深层温度差大，300mm以下为低温环境，且温度随着深度增加逐渐趋于均匀，约-30～-40℃，模拟月壤使用过程中常常温度均一化，有些甚至在室温情况下使用；

(4)模拟月壤周围压强过高：真实月壤所处环境为超高真空环境，模拟月壤所处环境一般为常压环境，气体分子的存在，对模拟月壤的导热性能影响甚大。世界各国在进行模拟月壤试验的过程中，往往注重模拟其中的某一方面或某些方面，不能将月壤的这些特征都模拟出来。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种真空高低温月壤环境模拟装置，可模拟表层月壤的白昼高温或黑夜低温环境，深层月壤的低温环境，保证模拟月壤和真实月壤的密实度、含水量、真空度接近，可用于进行模拟月壤的相关试验，如研究模拟月壤的热传导模型、真空钻进钻杆的发热情况等。

本发明一种模拟真空高低温月壤环境装置，包括由模拟月壤盛放装置、真空罐构成的真空高低温环境模拟器以及低温制冷循环、扩散泵、机械泵与加热组件。

上述模拟月壤盛放装置包括支架、月壤筒、模拟月岩、台钳、XY移动平台A、XY移动平台B；其中，月壤筒竖直设置，底端设置在模拟月岩上表面，顶端由支架顶面设计的定位口穿出。模拟月岩通过台钳加持，台钳安装在XY移动平台A上，XY移动平台A固定安装于支架底面；上述支架安装在XY移动平台B上；上述结构模拟月壤盛放装置整体设置于真空罐内；真空罐内的抽真空由扩散泵实现。

所述月壤筒筒壁设计为四层结构，由内向外依次为月壤筒内胆、月壤筒保护层、紫铜管层与月壤筒外壁。其中，月壤筒内胆采用空隙小于模拟月壤颗粒的不锈钢网制成；紫铜管层为由月壤筒顶部至底部环形盘绕的紫铜管，紫铜管内具有制冷剂。月壤筒外壁和月壤筒保护层周向上均开有透气孔；上述紫铜管经管路与低温制冷循环器相连，通过低温制冷循环器使制冷剂在紫铜管内循环制冷。

所述加热组件包括碘钨灯、安装板与隔热屏构成；其中，碘钨灯设置于月壤筒正上方。碘钨灯灯管安装在安装板的下表面，安装板的下表面为凹面，使碘钨灯通过安装架安装在安装板下表面，且使碘钨灯安装高度与角度可调；同时，在安装板上方吊装有隔热屏。

本发明的优点在于：

1、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，能够模拟真空条件下表层月壤的白昼高温或黑夜低温环境，深层月壤的低温环境，且保证模拟月壤具备1.9g/cm³高密实度，低于0.1％含水量；

2、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，月壤筒可以在不破坏真空的条件下调整位置，以适应不同的试验工位，大大缩减了每次破坏真空后重新抽真空和制冷的时间。例如，真空钻进过程中，通过调整不同的工位，可以在一次抽真空制冷的情况下，实现多次钻进，大大加快了试验的进度。

3、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，通过碘钨灯管辐射加热，采用碘钨灯管加热速度快，最高温度可达200℃，完全可以模拟表层月壤150℃的高温环境，加热速度快；

4、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，采用低温冷却循环器，通过依附在月壤筒内壁上的紫铜盘管实现对模拟月壤制冷，同时在模拟月壤内部放置温度钎，用铂电阻温度传感器实时监测模拟月壤内部的温度场；

5、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，月壤筒填充模拟月壤时，采用三维振动台将模拟月壤振实到接近振实月壤的密实度，同时为了不降低表层模拟月壤在真空罐抽真空过程中的密实度，月壤筒侧壁开有通气孔，模拟月壤内部的气体可以经过通最近气孔冒出，而不需要所有气体均从月壤筒表面冒出。

6、本发明所述模拟真空高低温月壤环境装置，模拟月壤在装入月壤筒振动压实之前，放进真空干燥箱里进行真空干燥，对配置好的模拟月壤进行烘干，使其达到低于0.1％的含水量；

7、装置采用真空泵组对真空罐进行抽真空，前级泵采用扩散泵，同时采用两个机械泵，一个作为预抽保护泵，使真空罐真空度降到1Pa以下。

附图说明

图1为本发明真空高低温月壤环境模拟装置整体结构示意图；

图2为本发明真空高低温月壤环境模拟装置中模拟月壤盛放装置结构示意图；

图3为本发明真空高低温月壤环境模拟装置中模拟月壤盛放装置安装方式示意图；

图4为本发明真空高低温月壤环境模拟装置中月壤筒筒壁结构示意图；

图5为本发明真空高低温月壤环境模拟装置中温度检测设备结构及安装方式示意图；

图6为本发明真空高低温月壤环境模拟装置中加热组件结构示意图。

图中：

1-真空高低温环境模拟器2-低温制冷循环器3-扩散泵

4-机械泵5-加热组件6-温度钎

7-温度传感器8-控制台9-辅助螺栓拧紧设备

101-模拟月壤盛放装置102-真空罐101a-支架

101b-月壤筒101c-模拟月岩101d-台钳

101e-XY移动平台A101f-XY移动平台B101g-隔热垫片

101h-月壤筒内胆101i-月壤筒保护层101j-紫铜管层

101k-月壤筒外壁101m-透气孔102a-安装台

501-碘钨灯502-安装板503-隔热屏

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明模拟真空高低温月壤环境装置，包括由模拟月壤盛放装置101、真空罐102构成的真空高低温环境模拟器1，以及低温制冷循环器2、扩散泵3、机械泵4与加热组件5，如图1所示。

上述模拟月壤盛放装置101包括支架101a、月壤筒101b、模拟月岩101c、台钳101d、XY移动平台A101e、XY移动平台B101f，如图2所示。支架101a为矩形框架结构，底面上由下至上依次设置有XY移动平台A101e、台钳101d、模拟月岩101c与月壤筒101b。其中，月壤筒101b竖直设置，底端设置在模拟月岩101c上表面，顶端由支架101a顶面设计的定位口穿出，通过定位口实现月壤筒101b的径向定位。上述月壤筒101b用来盛放模拟月壤；模拟月岩101c用于模拟月面地质环境中可能存在的月岩，可用于真空条件下模拟月面岩石的钻进试验或导热试验，且此时可以不安装月壤筒101b。模拟月岩101c通过台钳101d加持，且模拟月岩101c底面与台钳101d间设置有隔热垫片101g，通过隔热垫片101g防止模拟月岩101c热传导过快，将月壤筒101b的低温传至真空罐102。台钳101d安装在XY移动平台A101e上，XY移动平台A101e固定安装于支架101a底面，通过XY移动平台A101e实现月壤筒101b在水平X、Y方向上位置的微调。上述支架101a安装在XY移动平台B101f上，通过XY移动平台B101f实现月壤筒101b在水平X、Y方向上位置粗调。上述XY移动平台A101e与XY移动平台B101f均可以在真空、高底温和粉尘环境下正常工作。

上述结构模拟月壤盛放装置101整体设置于真空罐102内，如图3所示；将XY移动平台B101f通过可拆卸螺栓安装于真空罐102内部底面上设计的安装台102a上；使XY移动平台A101e与XY移动平台B101f上的X、Y方向位置调节旋钮伸出真空罐，外接操作手轮，可随时在真空罐102外部对月壤筒102位置进行调节。

由于模拟月壤是极细的粉末状颗粒材料，而粉末状材料和颗粒状材料的热传导性与周围环境的气压密切相关，主要由于在模拟月壤的材料中，大部分的热量传递是通过颗粒之间的气体传导，只有相对较少的一部分是通过土壤颗粒及之间的接触传导。当颗粒周围环境气压低于1Pa时，颗粒物质的热传导率与周围环境的压力会不相关，因此要构造一个模拟的月球热环境，必须在低于1Pa的条件下进行，真空度越接近真实情况，模拟效果越好。而模拟月壤的材料，对用于获取高真空或超高真空的分子泵来说，会对分子泵叶片造成很大的损害。因此本发明中，采用耐粉尘的扩散泵3作为主抽泵，对真空罐102内进行抽真空操作。扩散泵3能够达到的极限真空为5X10^-5Pa，具有两台旋片式机械泵4作为前级泵，机械泵4能够达到的极限真空为1X10^-2Pa。两台机械泵4中，一台作为预抽机械泵，另一台作为工作机械泵；预抽机械泵在实验开始阶段，粉尘较多时对真空罐102内进行预抽真空操作，保护工作机械泵与扩散泵4间后续协调运行。所述扩散泵3与两个机械泵4可通过循环水机进行冷却，防止工作时温度过高造成损坏。

由于在真空条件下不存在对流传热，热辐射传热效率较低，本发明设计了直接接触热传导的制冷方式，实现模拟月壤深层低温，最短时间内实现月壤深层制冷，保证月壤深层的制冷效果，具体为：

将月壤筒101b筒壁设计为四层结构，如图4所示，由内向外依次为月壤筒内胆101h、月壤筒保护层101i、紫铜管层101j与月壤筒外壁101k。其中，月壤筒内胆101h采用空隙小于模拟月壤颗粒的不锈钢网制成，月壤筒内胆101h紧贴月壤筒保护层101i内壁，通过点焊将月壤筒内胆101h焊接到月壤筒保护层101i内壁上。通过月壤筒内胆101h可保证模拟月壤填充、压实和试验的过程中，模拟月壤颗粒不会进入到外层筒壁结构空间中。紫铜管层101j为由月壤筒101b顶部至底部环形盘绕的紫铜管，形成螺纹结构。考虑模拟月壤内部环境和真空罐102内的抽真空操作，月壤筒外壁101k和月壤筒保护层101i周向上均开有透气孔101m，使模拟月壤内部的气体可以经过通最近的透气孔101m冒出，而不需要所有气体均从模拟月壤表面冒出，能够有效的保证模拟月壤表层的密实度。上述紫铜管内具有乙二醇兑水制成的制冷剂，通过管路与低温制冷循环器2相连，使制冷剂在紫铜管内循环制冷，安全可靠；由于月壤筒101b内的模拟月壤厚度较厚，中心部位与外围存在一定的温度梯度；因此本发明通过温度检测控制设备实时监测模拟月壤内部的温度场变化。所述温度检测控制设备包括温度钎6、温度传感器7与控制台8，如图5所示；温度传感器7采用铂电阻温度传感器，具有n个，n≥10，安装在温度钎6上；令温度钎6一端至月壤筒101a内模拟月壤的深度位置间作为探测段，n个温度传感器7沿温度钎6轴向等间距安装在探测段上；由此，将安装有温度传感器7的温度钎6竖直插入模拟月壤内，通过温度传感器7实时获取模拟月壤不同深度处的温度信号，通过真空罐102罐壁上安装的航空插头传输至控制台8，从而实现对模拟月壤内部的温度场变化的检测，进而根据需要对低温制冷循环器1的制冷温度进行调节。低温冷却循环器2可实现-80℃到室温的连续调节。

为了最真实的模拟月球表面被太阳辐射的高温环境，需要对模拟月壤表层进行加热。因此，本发明中通过由碘钨灯501、安装板502与隔热屏503构成的加热组件4对月壤表层进行辐射加热，最高温度可达200℃，加热速度快，从室温到最高温度只需要十几分钟的时间，完全可以模拟表层月壤150℃的高温环境。如图6所示。其中，安装板502设置于月壤筒101a正上方；碘钨灯501灯管安装在不锈钢材料安装板502的下表面，安装板502的下表面为凹面，使碘钨灯501通过安装架安装在安装板502下表面，使碘钨灯501安装高度与角度可调，以实现对模拟月壤表层加热区域及均匀性进行调整。同时，在安装板501上方吊装有2层0.5mm厚的不锈钢材料隔热屏503，用来对红外光进行反射屏蔽，减少热损失。模拟月壤表层的加热温度可通过温度钎6最上端的温度传感器7测定，控制台8根据温度传感器7反馈温度做闭环控制。碘钨灯501辐射加热只用于模拟月表白昼时分的高温环境，如要模拟月表黑夜时分的低温环境，则不需使用碘钨灯501加热，直接用低温冷却循环器2制冷即可。

基于上述模拟真空高低温月壤环境装置的真空高低温月壤环境模拟方法为：

A、模拟月壤干燥除水；

将模拟月壤放入真空干燥箱，在真空干燥箱内加热干燥除水，使含水量＜0.1％。

模拟月壤含水量可仿照土壤的含水量测定方法进行测定，采用称重法，也称烘干法，具体操作为：

测定模拟月壤含水量时，将模拟月壤置于真空干燥箱内烘烤，每隔半小时拿出来测量一次重量，至重量读数不再变化，此时认为模拟月壤的含水量＜0.1％；同时，可以测量出模拟月壤初始的含水量，方法为：

取部分模拟月壤用烘干用的铝盒装好，用0.1g精度的天平称模拟月壤和铝盒的重量，记为湿重M，在105℃的真空干燥箱内将模拟月壤烘干至恒重，然后测定烘干模拟月壤和铝盒的重量，记为干重Ms。其中铝盒的质量烘干前和烘干后保持不变，记为m，则模拟月壤含水量p的计算公式为：

$p=\frac{M-Ms}{Ms-m}\×100\%.$

B、模拟月壤填充压实；

将模拟月壤填充入月壤筒内，将月壤筒101b竖直设置在三维振动台上，上面压上配重块，通过三维振动台产生x、y、z三个方向上的振动，将模拟月壤振动压实，直至模拟月壤密度达到1.9g/cm³。若月壤筒的量达到一定值，且一次振动压实不能够使得模拟月壤接近真实月壤密实度时，可将模拟月壤分层压实，即在月壤筒101a内填充一定量模拟月壤，通过三维振动台真当孔压实至接近真实月壤密实度后，三维振动台停止工作，再次向月壤筒内填充一定量模拟月壤，通过三维震动台进行压实操作；如此分层压实，直到填充试验需要模拟月壤的量。

C、安装模拟月壤盛放装置；

将XY移动平台B101f固定在安装台102a上；然后，通过吊车将模拟月壤盛放装置和安装台102a同时起吊，由操作人员辅助导向放入真空罐102内。在安装台102a即将与真空罐102底面相接触时，由试验操作人员辅助调节安装台在真空罐102内的相对位置，将安装台102a固定螺栓装入，通过辅助螺栓拧紧设备9将安装台102a与真空罐102底面通过螺栓紧固，完成模拟月壤盛放装置的固定。

D、真空罐102内抽真空；

在进行抽真空操作时，首先开启预抽机械泵，待真空罐102内真空度接近扩散泵3的启动真空度时，真空罐102内气体接近分子流状态；此时，启动扩散泵3与工作机械泵，同时关闭预抽机械泵，直至真空罐102内压低于1Pa。

E、低温冷却循环器1工作，通过月壤筒101b筒壁内壁上的紫铜管实现深层模拟月壤的制冷。

F、真空高低温月壤环境；

a、低温月壤环境模拟；

根据月壤筒101b内盛放模拟月壤深度，在温度钎6上安装温度传感器7。随后，将温度钎插入模拟月壤中，并开启低温制冷循环器2，对模拟月壤进行制冷；根据温度钎上铂电阻传输至控制台中的温度数据，调节低温制冷循环器的制冷温度，至模拟月壤温度达到所需值。

b、高温月壤环境模拟；

开启碘钨灯401，调节碘钨灯401角度，对模拟月壤表层加热，加热温度室温0～200℃可调，用来模拟月表不同时间段的温度。

通过上述方法，可实现真空条件下表层月壤的白昼高温或黑夜低温环境，深层月壤的低温环境，且保证模拟月壤具备1.9g/cm³高密实度，低于0.1％含水量。

Claims (5)

1.一种模拟真空高低温月壤环境装置，其特征在于：包括由模拟月壤盛放装置、真空罐构成的真空高低温环境模拟器以及低温制冷循环器、扩散泵、机械泵与加热组件；

上述模拟月壤盛放装置包括支架、月壤筒、模拟月岩、台钳、XY移动平台A、XY移动平台B；其中，月壤筒竖直设置，底端设置在模拟月岩上表面，顶端由支架顶面设计的定位口穿出；模拟月岩通过台钳加持，台钳安装在XY移动平台A上，XY移动平台A固定安装于支架底面；上述支架安装在XY移动平台B上；上述模拟月壤盛放装置整体设置于真空罐内；真空罐内的抽真空由扩散泵实现；扩散泵具有两台旋片式机械泵作为前级泵；

所述月壤筒筒壁设计为四层结构，由内向外依次为月壤筒内胆、月壤筒保护层、紫铜管层与月壤筒外壁；其中，月壤筒内胆采用空隙小于模拟月壤颗粒的不锈钢网制成；紫铜管层为由月壤筒顶部至底部环形盘绕的紫铜管，紫铜管内具有制冷剂；月壤筒外壁和月壤筒保护层周向上均开有透气孔；上述紫铜管经管路与低温制冷循环器相连，通过低温制冷循环器使制冷剂在紫铜管内循环制冷；

所述加热组件由碘钨灯、安装板与隔热屏构成；其中，碘钨灯设置于月壤筒正上方；碘钨灯灯管安装在安装板的下表面，安装板的下表面为凹面，使碘钨灯通过安装架安装在安装板下表面，且使碘钨灯安装高度与角度可调；同时，在安装板上方吊装有隔热屏。

2.如权利要求1所述一种模拟真空高低温月壤环境装置，其特征在于：所述模拟月岩底面与台钳间设置有隔热垫片。

3.如权利要求1所述一种模拟真空高低温月壤环境装置，其特征在于：所述XY移动平台B通过可拆卸螺栓安装于真空罐内部底面上设计的安装台上；使XY移动平台A与XY移动平台B上的X、Y方向位置调节旋钮伸出真空罐，外接操作手轮。

4.如权利要求1所述一种模拟真空高低温月壤环境装置，其特征在于：还包括由温度钎、温度传感器与控制台构成的温度检测控制设备；其中，温度传感器具有n个，n≥10，安装在温度钎上；令温度钎一端至月壤筒内模拟月壤的深度位置间作为探测段，n个温度传感器沿温度钎轴向等间距安装在探测段上；通过温度传感器实时获取模拟月壤不同深度处的温度信号，通过真空罐罐壁上安装的航空插头传输至控制台，实现对模拟月壤内部的温度场变化的检测。

5.基于权利要求4所述的模拟真空高低温月壤环境装置的真空高低温月壤环境模拟方法为：

A、模拟月壤干燥除水；

将模拟月壤放入真空干燥箱，在真空干燥箱内加热干燥除水；

B、模拟月壤填充压实；

将模拟月壤填充入月壤筒内，将月壤筒竖直设置在三维振动台上，且在月壤筒上端压上配重块，通过三维振动台，将模拟月壤振动压实至密度为1.9g/cm³；

C、安装模拟月壤盛放装置；

将XY移动平台B固定在安装台上；然后，通过吊车将模拟月壤盛放装置和安装台同时起吊，放入真空罐内；在安装台即将与真空罐底面相接触时，调节安装台在真空罐内的相对位置，将安装台与真空罐底面通过螺栓紧固；

D、真空罐内抽真空；

首先开启预抽机械泵，待真空罐内真空度接近扩散泵的启动真空度时，启动扩散泵与工作机械泵，同时关闭预抽机械泵，直至真空罐内压低于1Pa；

E、低温冷却循环器工作，通过月壤筒筒壁内壁上的紫铜管实现深层模拟月壤的制冷；

F、真空高低温月壤环境；

a、低温月壤环境模拟；

根据月壤筒内盛放模拟月壤深度，在温度钎上安装温度传感器；随后，将温度钎插入模拟月壤中，并开启低温制冷循环器，对模拟月壤进行制冷；根据温度钎上铂电阻传输至控制台中的温度数据，调节低温制冷循环器的制冷温度，至模拟月壤温度达到所需值；

b、高温月壤环境模拟；

开启碘钨灯，调节碘钨灯角度，对模拟月壤表层加热，用来模拟月表不同时间段的温度。