CN104990760A - 一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统设计 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统设计，包括加热装置和制冷装置，整个加热装置和制冷装置的内冷却循环部分置于真空容器内；加热装置位于月壤筒上部，包括灯罩安装架、碘钨灯罩、碘钨灯、灯罩调节机构；制冷装置包括月壤筒、冷却盘管、盘管固定片、低温止回阀、低温截止阀、内部低温软管、低温密封结构、外部低温软管、低温制冷循环机；本发明可用于真空环境中，与真空系统有相匹配的密封接口，整个装置对真空系统的真空度影响很小。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统设计，该系统模拟月球表面月壤的温度环境，可用于研究月壤钻取试验的研究，属于空间资源探测技术领域。
背景技术
探月工程(三期)项目的任务为发射无人月面着陆器，在月面进行钻取和表面采样工作，并将采集到的月壤样品带回地球。为了完成钻取和采样任务，需要设计钻取机构，并进行一系列钻取性质研究，为探月工程(三期)项目的任务提供相关知识储备，以保证机构的安全可靠性。
月球白天受太阳直接照射，辐照度高达1358W/m2，极限温度可达150℃；午夜几乎不受太阳照射，辐照度降为0，极限温度可达-180℃。月球表面较大的昼夜温差造成白天月球表面温度高，而300mm以下温度则很低的温度分布特点。
月壤的物理特性与钻进过程中钻具的热特性密切相关，会影响钻具的切削性能及采样质量。而月壤的物理性质如热导率、比热容等都与温度密切相关，月球表面特殊的温度分布环境造成月壤的物理性质与在地面常温环境时有较大差别。
因此，需要设计一种模拟月壤加热制冷系统，使模拟月壤的温度分布接近月球表面情况，在此模拟月壤中进行月面钻进过程热特性试验研究，以获得更接近事实的数据，识别苛刻工况中的风险，确定合理的钻进策略和安全钻进临界条件。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种可用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统。该系统可以实现模拟月壤表面室温～+80℃高温范围调节，300mm以下-40℃～室温低温范围调节。该系统包括加热装置和制冷装置。
一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统，包括加热装置和制冷装置，整个加热装置和制冷装置的内冷却循环部分置于真空容器内；
加热装置位于月壤筒上部，包括灯罩安装架、碘钨灯罩、碘钨灯、灯罩调节机构；
灯罩安装架固定在真空容器内壁上，用于固定碘钨灯罩，碘钨灯罩上设有钻杆孔，侧壁上设有与灯罩调节机构相连接的接口；碘钨灯安装在碘钨灯罩壳内顶部，碘钨灯灯管的数量和功率根据月壤导热率和需要的温度来确定；灯罩调节机构包括四个支脚，每个支脚包括球铰、连杆b、连杆c、支座；连杆b与碘钨灯罩之间通过球铰连接，连杆b和连杆c之间、连杆c和支座之间通过螺栓及橡胶垫片连接；灯罩调节机构有三个自由度，沿Z轴上下运动，沿x、y轴转动，当碘钨灯照射角度和照射范围确定后，拧紧螺栓，锁定机构；
制冷装置包括月壤筒、冷却盘管、盘管固定片、低温止回阀、低温截止阀、内部低温软管、低温密封结构、外部低温软管、低温制冷循环机；
月壤筒外壁开有横截面为半圆的螺旋槽；冷却盘管采用紫铜管制成，冷却盘管的出入口设置在月壤筒底部；冷却盘管缠绕在月壤筒外壁的螺旋槽内，并用盘管固定片进行固定，冷却盘管与月壤筒为面接触，在冷却盘管的入口安装低温止回阀，出口安装低温截止阀，低温止回阀和低温截止阀固定在月壤筒下端法兰上；低温止回阀与内部进水软管连接，低温截止阀与内部出水软管连接；内部进水软管通过金属管连接外部进水软管，内部出水软管通过金属管连接外部出水软管，外部进水软管、外部出水软管另一端分别与低温制冷循环机的冷却液进、出口连接。
本发明的优点在于：
(1)本发明可用于真空环境中，与真空系统有相匹配的密封接口，整个装置对真空系统的真空度影响很小；
(2)本发明中在模拟月壤内设有温度传感器，通过闭环控制可以实现对模拟月壤温度的精确调节；
(3)本发明中加热装置可以实现对加热范围和照射角度进行微小调节，确保不对月壤筒进行不必要的加热；
(4)本发明中制冷装置冷却盘管与月壤筒为面接触，有良好的制冷效果，缩短制冷时间；
附图说明
图1为本发明用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统整体结构示意图；
图2为本发明中加热装置结构示意图；
图3为本发明中加热装置灯罩调节机构示意图；
图4为本发明中制冷装置结构示意图；
图5为本发明中制冷装置月壤筒结构示意图；
图6为本发明中制冷装置冷却盘管入口与出口端结构示意图。
图7为本发明中制冷装置金属管与真空容器间密封结构示意图。
图中：
1-加热装置 2-制冷装置 3-真空容器
101-灯罩安装架 102-碘钨灯罩 103-碘钨灯
104-灯罩调节机构 104a-球铰 104b-连杆1
104c-连杆2 104d-连杆支座
201-月壤筒 202-冷却盘管 203-盘管固定片
204-低温止回阀 205-低温截止阀 206-内部低温软管
207-低温密封结构 208-外部低温软管 209-低温制冷循环机
206a-内部进水软管 206b-内部出水软管 206c-低温软管接头
207a-金属管 207b-聚氨酯密封圈 207c-密封堵头
208a-外部进水软管 208b-外部出水软管
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统，如图1所示，包括加热装置1和制冷装置2，其中整个加热装置1和制冷装置2的内冷却循环部分置于真空容器3内。
如图2所示，加热装置1位于月壤筒上部，包括灯罩安装架101、碘钨灯罩102、碘钨灯103、灯罩调节机构104。
灯罩安装架101通过螺钉固定在真空容器3内壁上，灯罩安装架101仅由几个细的杆件组成，流导很小，对真空泵的抽速几乎没有影响。碘钨灯罩102形状为锥形壳体，锥度很小，其大小根据月壤照射范围来设计，灯罩上留有钻杆孔，供钻杆穿过，侧壁上留有与灯罩调节机构104相连接的接口。碘钨灯103安装在碘钨灯罩102壳内顶部，碘钨灯103灯管的数量和功率根据月壤导热率和需要加热到的温度来选择，适当减小碘钨灯103每根灯管的功率，增加其数量，实验时可以根据实际加热效果增加或者减少碘钨灯103灯管数量，以达到预期效果。
灯罩调节机构104是一个并联机构，由四个支脚组成，如图3所示，每个支脚包括球铰104a、连杆104b、连杆104c、支座104d。
连杆104b与碘钨灯罩102之间通过球铰104a连接，连杆104b和连杆104c之间、连杆104c和支座104d之间通过螺栓及橡胶垫片连接。此并联机构有三个自由度，可沿Z轴上下运动，沿x、y轴转动，可以实现对照射角度和照射范围进行微调，调节好灯罩角度和高度后，将螺栓拧紧，锁定机构。
如图4所示，制冷装置2包括月壤筒201、冷却盘管202、盘管固定片203、低温止回阀204、低温截止阀205、内部低温软管206、低温密封结构207、外部低温软管208、低温制冷循环机209。
月壤筒201结构如图5所示，其外壁开有横截面为半圆的螺旋槽。冷却盘管202采用紫铜管制成，可承受-196℃的低温，且易成型。为方便操作，将冷却盘管202的出入口都设置在月壤筒201底部。在装配过程中，直接将冷却盘管202缠绕在月壤筒201外壁的螺旋槽内，并用盘管固定片203进行固定，必要时可在某些地方进行点焊加固，冷却盘管202与月壤筒201为面接触，增强了制冷效果。在冷却盘管202的入口安装低温止回阀204，出口安装低温截止阀205，拆卸冷却盘管202时可避免冷却液洒在真空容器3内，并将低温止回阀204和低温截止阀205固定在月壤筒下端法兰上。在低温止回阀204、低温截止阀205与真空容器3内壁之间连接有一段内部低温软管206，其中低温止回阀204与内部进水软管206a相连，低温截止阀205与内部出水软管206b相连，如图6所示，这样钻杆在月壤某位置处进行下钻后，左右转动月壤筒(60度)，即可改变钻取位置，实现多次钻取任务。在真空容器3的内部，由内部进水软管206a、低温止回阀204、冷却盘管202、低温截止阀205、内部出水软管206b依次连接组成的回路为制冷装置2的内冷却循环部分。
如图7所示，在靠近真空容器3内壁处低温软管206与金属管207a通过低温软管接头206c相连，金属管207a穿出真空容器3后，另一端与外部低温软管208通过低温软管接头206c相连。外部进水软管208a、外部出水软管208b的另一端分别与低温制冷循环机209的冷却液进、出口连接。低温制冷循环机209内部冷却液循环制冷，可以实现-50℃～250℃范围的温度调节。在真空容器3的外部，由外部进水软管208a、低温制冷循环机209、外部出水软管208b依次连接组成的回路为制冷装置2的外冷却循环部分。
金属管207a与真空容器壁采用耐低温聚氨酯密封件207b进行密封，并用密封堵头207c将密封件压紧实现低温密封，此密封结构漏率极小，可以忽略对整个真空容器漏率的影响。
基于上述所描述的用于真空中的模拟月壤加热制冷系统，具体操作方法为：
(1)将安装有冷却盘管的月壤筒置于真空容器底座内并进行固定；
(2)关闭低温截止阀，将各部分管道依次相连；
(3)安装真空容器中间段；
(4)安装加热装置并固定；
(5)打开低温截止阀，启动低温制冷循环机，开始制冷；
(6)打开碘钨灯电源开关，调节碘钨灯照射角度和照射范围，调节好之后将铰链处螺栓拧紧固定，开始加热；
(7)根据温度传感器反馈的数据对制冷和加热时间进行控制。
拆卸时具体操作方法为：
(1)关闭低温制冷循环机，关闭碘钨灯电源开关；
(2)拆除加热装置；
(3)移除真空容器中间段；
(4)关闭低温截止阀，将低温阀门与低温软管之间接口拆卸，拆卸后将软管内残留制冷液倒在真空容器外；
(5)拆卸月壤筒。
Claims (2)
1.一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统，包括加热装置和制冷装置，整个加热装置和制冷装置的内冷却循环部分置于真空容器内；
加热装置位于月壤筒上部，包括灯罩安装架、碘钨灯罩、碘钨灯、灯罩调节机构；
灯罩安装架固定在真空容器内壁上，用于固定碘钨灯罩，碘钨灯罩上设有钻杆孔，侧壁上设有与灯罩调节机构相连接的接口；碘钨灯安装在碘钨灯罩壳内顶部，碘钨灯灯管的数量和功率根据月壤导热率和需要的温度来确定；灯罩调节机构包括四个支脚，每个支脚包括球铰、连杆b、连杆c、支座；连杆b与碘钨灯罩之间通过球铰连接，连杆b和连杆c之间、连杆c和支座之间通过螺栓及橡胶垫片连接；灯罩调节机构有三个自由度，沿Z轴上下运动，沿x、y轴转动，当碘钨灯照射角度和照射范围确定后，拧紧螺栓，锁定机构；
制冷装置包括月壤筒、冷却盘管、盘管固定片、低温止回阀、低温截止阀、内部低温软管、低温密封结构、外部低温软管、低温制冷循环机；
月壤筒外壁开有横截面为半圆的螺旋槽；冷却盘管采用紫铜管制成，冷却盘管的出入口设置在月壤筒底部；冷却盘管缠绕在月壤筒外壁的螺旋槽内，并用盘管固定片进行固定，冷却盘管与月壤筒为面接触，在冷却盘管的入口安装低温止回阀，出口安装低温截止阀，低温止回阀和低温截止阀固定在月壤筒下端法兰上；低温止回阀与内部进水软管连接，低温截止阀与内部出水软管连接；内部进水软管通过金属管连接外部进水软管，内部出水软管通过金属管连接外部出水软管，外部进水软管、外部出水软管另一端分别与低温制冷循环机的冷却液进、出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于真空环境中的模拟月壤加热制冷系统，所述的金属管与真空容器壁采用耐低温聚氨酯密封件进行密封，并用密封堵头将密封件压紧实现低温密封。
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