CN105004541A - 一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，包括真空罐系统、真空获得系统、加热制冷系统、数据采集与控制系统；真空罐系统包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、月壤筒锁紧机构；真空获得系统包括真空泵组、冷却水循环机、空气压缩机、真空泵组控制柜、波纹管；加热制冷系统包括加热装置和制冷装置，整个制冷装置的内冷却循环部分置于真空容器内；数据采集与控制系统包括温度模块和真空测量模块；本发明针对钻进过程热特性对月面环境因素的敏感性，合理选择环境模拟项目，为钻进试验模拟一个有效的月面试验环境，包括：高真空、表面高温、表层以下低温，忽略对试验结果几乎没有影响的环境模拟项目，经济有效。

Description

一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置

技术领域

本发明涉及一种月面环境模拟装置，该装置可以模拟月面高真空、月壤表层高温、表层以下低温的环境特点，可与钻进装置进行密封连接，在模拟月面环境中对月壤筒内不同位置的模拟月壤进行钻取试验研究，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，并将采集到的月壤样品带回地球。为了完成钻取和采样的任务，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。

设计钻取机构时，需要合理选择钻具的结构参数，合理设置钻进过程中的相关参数(钻具转速、钻进行程、钻压力、冲击速度等)。根据探月项目规划要求，要求钻具能够钻到大于2m的深度，钻进距离长，钻进过程中月壤不能及时排出，并且无法通过注水等方式进行散热，使得钻具散热困难，可能造成钻杆折断、钻杆烧穿、高温改变样品性质等情况。因此，进行相关钻进过程热特性研究，通过实验分析选择合理参数显得尤为重要。

月球环境极为苛刻，月面环境中大气密度只有地球的1/10¹²，为超高真空环境。月球白天受太阳直接照射，极限温度可达150℃，黑夜受太阳辐射极少，极限温度可达-180℃，造成月球表面温度高，而300mm以下温度则很低的温度分布特点。在这种环境中，月壤具有导热性差、热导率底、高密实度等特点。月壤的物理特性与钻进过程中的热特性密切相关，同时会影响钻具的切削性能。地面与月面环境较大的差异可能会造成地面试验数据与月面试验数据有较大偏差，地面试验结果对钻取装置参数的合理设置、机构性能的提升可能有误导作用，且不易于发现一些隐藏的重大隐患。

因此，需要设计一种月面环境模拟装置，在此环境模拟装置中进行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的临界条件，摸索月面环境中的热传播以及耗散途径。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置。该装置根据月面环境不同参数对钻进过程热特性的影响程度，选取其中影响较大的三个环境参数进行模拟，包括：高真空、月壤表层高温、表层以下低温，其中真空环境参数、月壤表层及以下环境温度参数可以调控。在此月面环境模拟装置中进行钻取试验，根据相关测量参数可分析评估钻进过程中的热特性。该环境模拟装置分为真空罐系统、真空获得系统、加热制冷系统、数据采集与控制系统。

所述真空罐系统为钻取试验提供一个真空密闭环境，并能够变换模拟月壤的位置，实现在模拟月壤表面多点钻取的功能。真空罐系统包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、月壤筒锁紧机构。其中真空罐抽气口设计在底部，从月壤筒底部抽气，可有效减少月尘飞扬现象。

所述真空获得系统的功能是将真空罐腔体内气压抽到试验所需要的真空度指标。真空获得系统包括真空泵组、冷却水循环机、空气压缩机、真空泵组控制柜、波纹管，其中各设备的型号、参数等根据真空度指标来进行选择。

所述加热制冷系统的功能是将不同深度的模拟月壤加热或制冷，模拟月面温度环境。加热制冷系统分为加热装置和制冷装置，其中加热装置采用碘钨灯加热，用来模拟月表的高温状态；制冷装置采用在月壤筒上缠绕冷却盘管的方式实现制冷，用来模拟月壤表层以下的低温状态。

所述数据采集与控制系统分为温度模块和真空测量模块。温度模块可对模拟月壤内部不同地方的温度进行测量，并根据测量数据进行闭环控制，提高对温度的控制精度与响应速度。真空测量模块可对真空罐内不同地方真空度进行测量，实时监测真空罐内的真空度分布情况。

本发明的优点在于：

(1)本发明针对钻进过程热特性对月面环境因素的敏感性，合理选择环境模拟项目，为钻进试验模拟一个有效的月面试验环境，包括：高真空、表层高温、表层以下低温，忽略对试验结果几乎没有影响的环境模拟项目，经济有效；

(2)本发明与钻进过程热特性试验所需的模拟环境大小、结构相适应，可充分利用资源、源动力，减少试验时间，提高试验环境质量；

(3)本发明与钻机有相应的动密封接口，可将钻进机构置于真空系统外部，试验时只需将钻具伸入真空系统中进行钻取即可，因此不需要研制可应用于真空系统中的钻进机构，从而减少研制费用。动密封接口采用磁流体与波纹管组合密封，可在钻进过程中实现良好的密封效果；

(4)本发明从真空罐底部抽气，使大部分气流从月壤筒底部流出，减少月尘飞扬；

(5)本发明中真空泵组与真空罐安装平面有一定高度差，使真空泵组阀门正好与真空罐底部抽气口相对，减少真空泵组与真空室之间的管道长度，减少流导损失，提升泵组的有效抽速；

(6)本发明中真空罐内部的机械结构简单，零件之间狭窄细长的缝隙较少，通气口径大，减少对真空泵组抽速的影响；

(7)本发明可在真空罐外对月壤筒进行转动与锁紧操作，允许每次达到真空度指标后，不用开启真空罐即可进行多次钻取试验，操作简单，减少试验时间；

(8)本发明选取扩散泵组来进行抽真空，并设有相关过滤装置，允许在抽气过程中存在少量粉尘；

(9)本发明选取的加热制冷方式效率高，且制冷温度可以在一定范围内快速调节；

(10)本发明在模拟月壤中多处设有温度传感器来测量月壤的温度环境，并根据测量温度对模拟温度环境进行闭环控制，控制精度较高。

附图说明

图1是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体侧视图；

图2是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体俯视图；

图3是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体立体图；

图4是本发明中真空罐系统组成示意图；

图5是本发明中真空罐结构示意图；

图6是本发明月壤筒结构示意图；

图7是本发明中月壤筒转动机构示意图；

图8是本发明中小齿轮轴旋转密封结构示意图；

图9是本发明中回转支承结构示意图；

图10是本发明中月壤筒中连续钻取位置示意图；

图11是本发明中月壤筒锁紧机构整体示意图；

图12是本发明中月壤筒锁紧机构内部结构示意图；

图13为本发明中弹簧套筒往复运动密封结构示意图；

图14为本发明中月壤筒锁紧机构原理示意图；

图15为本发明中月壤筒锁紧机构不同工作状态示意图；

图16为本发明中锁紧插销结构示意图；

图17为本发明中锁紧插销工作原理示意图；

图18是本发明中真空获得系统组成示意图；

图19是本发明中真空泵组结构示意图；

图20是本发明中加热装置结构示意图；

图21为本发明中加热装置灯罩调节机构示意图；

图22是本发明中制冷装置结构示意图；

图23为本发明中制冷装置管道连接示意图；

图24为本发明中金属管低温密封结构示意图；

图25为本发明中温度传感器分布示意图；

图26为本发明中温度信号的传输、采集及反馈原理图；

图27为本发明中真空计分布示意图；

图28为本发明中真空度信号采集原理图。

图中：

1-真空罐系统              2-真空获得系统            3-加热制冷系统

4-数据采集与控制系统

101-真空罐                102-月壤筒                103-月壤筒转动机构

104-月壤筒锁紧机构

101a-真空罐上段           101b-真空罐下段           101c-真空罐底座

102a-月壤筒侧壁           102b-月壤筒底部法兰

103a-防尘隔板             103b-小齿轮               103c-小齿轮轴

103d-操作杆               103e-回转支承             103f-轴承端盖

103g-深沟球轴承           103h-J型密封平垫          103i-J型密封压套

103j-J型密封端盖          103k-J型密封圈

104a-操作把手             104b-杠杆                 104c-弹簧端盖

104d-弹簧套筒             104e-弹簧                 104f-压杆

104g-O型密封端盖          104h-O型密封平垫          104i-O型密封压套

104j-O型密封圈            104k-插销轴               104m-插销把手

201-真空泵组              202-冷却水循环机          203-空气压缩机

204-真空泵组控制柜        205-波纹管

201a-高真空阀             201b-水冷挡板             201c-扩散泵

201d-维持泵               201e-维持阀               201f-截止阀

201g-旋片式真空泵         201h-罗茨泵               201i-预抽阀

201j-前级阀

301-加热装置               302-制冷装置

301a-灯罩安装架            301b-碘钨灯罩              301c-碘钨灯

301d-灯罩调节机构          301d_1-球铰                301d_2-连杆A

301d_3-连杆B               301d_4-支座

302a-冷却盘管              302b-盘管固定片            302c-低温止回阀

302d-低温截止阀            302e-内部低温软管          302f-金属管

302g-外部低温软管          302h-低温制冷循环机        302i-低温软管接头

302j-聚氨酯密封圈          302k-密封堵头

302e_1-内部进水软管        302e_2-内部出水软管

302g_1-外部进水软管        302g_2-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。

本发明是一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，如图1、图2、图3所示，包括真空罐系统1、真空获得系统2、加热制冷系统3、数据采集与控制系统4

真空罐系统1如图4所示，包括真空罐101、月壤筒102、月壤筒转动机构103、月壤筒锁紧机构104。

上述真空罐101为一个可打开和密封的腔体结构，如图5所示，是钻进试验过程中的主要工作环境，分为真空罐上段101a、真空罐下段101b、真空罐底座101c。真空罐101的三段之间通过螺栓连接，连接面安装有O型密封圈进行密封，安装方式采用吊装。真空罐上段101a的上端盖上设有与外部钻机的接口，接口采用磁流体与波纹管串联密封，满足高速旋转、低速往复动密封要求。真空罐底座101c通过地脚螺栓固定在地面上，其上设有抽气口，可实现从月壤筒底部抽气。整个真空罐101外壁上设有多个不同功能的接口，主要有月壤筒转动机构小齿轮轴出口、线缆接口(真空插头安装孔)、紫铜冷却管出口、调试观察孔、真空检测口、钻进过程观察孔、月壤筒锁紧机构安装孔等。

月壤筒102如图6所示，位于真空罐101内部，用来放置模拟月壤。月壤筒102由月壤筒侧壁102a和月壤筒底部法兰102b组成，之间采用螺栓连接，更换模拟月壤时，将连接螺栓拆除即可。月壤筒侧壁102a和月壤筒底部法兰102b上都布有透气孔，对真空罐101抽气时，可同时对模拟月壤内部进行抽气。抽真空时，为防止月壤粉尘进入真空泵内，根据模拟月壤颗粒大小，选取间隙合适的不锈钢网作为内胆紧贴月壤筒102内壁放置。月壤筒侧壁102a外侧开有横截面为半圆的螺旋槽。

月壤筒转动机构103用于在真空罐101外对月壤筒102进行转动操作，从而变换钻取位置，如图7、图8所示，包括防尘隔板103a、小齿轮103b、小齿轮轴103c、操作杆103d、回转支承103e、轴承端盖103f、深沟球轴承103g、J型密封平垫103h、J型密封压套103i、J型密封端盖103j、J型密封圈103k。

如图7所示，回转支承103e内圈固定在真空罐底座101c上，外圈与月壤筒底部法兰102b相连接，回转支承103e上方设有防尘隔板103a，小齿轮103b通过键与小齿轮轴103c周向固定，小齿轮轴103c穿过真空罐底座101c向下伸出，最下端连接操作杆103d。

小齿轮轴103c与真空罐壁之间的密封结构如图8所示，在真空罐壁的一边安装有两个深沟球轴承103g，用来承受径向力和轴向力，并用轴承端盖103f进行轴向定位，另一边采用J型动密封结构进行密封，拧紧J型密封端盖103j与真空罐外壁之间的螺钉，J型密封压套103i两端的J型密封圈103k受到挤压发生变形，从而实现密封。该密封结构适用于外部为大气压力、真空室压力高于1×10^-4Pa、旋转线速度低于2m/s、转速低于2000r/min的旋转真空机械设备的密封。

整个旋转运动由齿轮副完成，大齿轮实际为回转支承103e的外圈，执行转动操作时，在真空罐101外转动操作杆103d，带动小齿轮轴103c转动，进而带动小齿轮103b转动，小齿轮103b通过齿轮副带动回转支承103e外圈转动，月壤筒102跟随回转支承103e外圈转动，完成转动操作。为防止月壤筒102中月壤在抽真空的过程中飞扬，进入回转支承103e内引起严重磨损，在回转支承103e上方设置防尘隔板103a。

回转支承103e结构如图9所示，与真空罐底座101c连接孔位于回转支承内圈，与月壤筒102连接孔位于回转支承外圈，并在左右约60°的地方设有转动定位挡块。初始时，将大齿轮正中间的齿与小齿轮103b接触，则大齿轮向左或向右转约60°时，均不能再继续转动，这样便可以实现月壤筒102转动±60°位置的粗略定位功能，可连续进行三次钻取试验，钻取位置如图10所示。此外，大齿轮设计为缺齿结构，其结构中的狭窄缝隙减少，流导相应减小，对真空室内真空度的影响也减小。

月壤筒锁紧机构104用于转动月壤筒102后对其进行固定，防止月壤筒102在钻取采样过程中发生转动或倾倒，如图11、图12、图13所示，包括操作把手104a、杠杆104b、弹簧端盖104c、弹簧套筒104d、弹簧104e、压杆104f、O型密封端盖104g、O型密封平垫104h、O型密封压套104i、O型密封圈104j、插销轴104k、插销把手104m。

整个月壤筒锁紧机构104在真空罐下段101b外壁圆周分布三组，如图11所示，每组中锁紧机构安装孔和两个三角形安装座焊接在真空罐下段101b外壁上。操作把手104a与杠杆104b通过螺纹连接，杠杆104b最下端孔与安装座、杠杆104b中间孔与弹簧端盖104c均通过转动销连接，其中弹簧端盖104c上的销孔为腰型孔。

月壤筒锁紧机构104每组内部结构如图12所示，压杆104f与弹簧套筒104d之间为滑动配合，弹簧104e一端压在压杆104f左端，另一端被弹簧端盖104c压紧，弹簧端盖104c与弹簧套筒104d用螺钉连接固定。

弹簧套筒104d与真空罐壁上的安装孔之间采用O型动密封结构进行密封，如图13所示，拧紧O型密封端盖104g与真空罐外壁之间的螺钉，O型密封压套104i两端的O型密封圈104j受到挤压发生变形，从而实现密封。该密封结构适用于外部为大气压力、真空室压力高于1×10^-4Pa、往复运动速度低于0.2m/s的真空机械设备的密封。

月壤筒锁紧机构104的原理图如图14所示，图14(a)为松开状态，执行松开操作时，沿远离真空罐方向扳动操作把手104a，杠杆104b跟随操作把手104a逆时针转动，带动弹簧端盖104c和弹簧套筒104d向左移动，移动过程中，弹簧104e先伸长，压杆104f不动，当压杆104f与弹簧套筒104d端面贴合后，二者再一起向左移动，完成松开操作。图14(b)为锁紧状态，执行锁紧操作时，沿靠近真空罐方向扳动操作把手104a，杠杆104b随着顺时针转动，带动弹簧端盖104c和弹簧套筒104d向右移动，当压杆104f碰到月壤筒侧壁102a时，弹簧104e开始压缩，待杠杆104b最上端的孔与安装座上的锁紧孔对齐，在两个孔中插入锁紧插销，即此完成锁紧操作。图15所示为月壤筒锁紧机构104在松开与锁紧不同工作状态下的示意图。

锁紧插销结构如图16所示，锁紧插销由插销轴104k和插销把手104m组成，其中插销轴104k前端有两个对称凸耳。锁紧插销工作原理如图17所示，开始时，插销轴104k未穿过安装座上的锁紧孔，此时为松开状态，如图17(a)所示；锁紧时，先将插销轴104k穿过杠杆104b最上端的孔，然后将插销轴104k上的对称凸耳与安装座锁紧孔的对称凹孔对齐，穿过锁紧孔之后再转动插销把手104m，将插销轴104k上的对称凸耳与锁紧孔的对称凹孔相错开，如图17(b)所示，完成锁紧操作。

真空获得系统2如图18所示，包括真空泵组201、冷却水循环机202、空气压缩机203、真空泵组控制柜204、波纹管205。

真空泵组201选用扩散泵组，如图19所示，扩散泵组包括一台作为高真空泵的扩散泵201c，一台辅助扩散泵201c工作的维持泵201d，两台作为辅助预抽泵的旋片式真空泵201g，一台串联在旋片式真空泵201g和扩散泵201c中间用来增压的罗茨泵201h。高真空阀201a与扩散泵201c抽气口之间安装水冷挡板201b，可以阻挡扩散泵201c中的油蒸汽，降低泵的返油率，起到清洁真空室的作用。扩散泵201c后方一路串联维持泵201d，另一路依次串联罗茨泵201h、两台旋片式真空泵201g。维持泵201d前连接维持阀201e，一台旋片式真空泵201g前连接截止阀201f，罗茨泵201h与高真空阀201a之间连接预抽阀201i，罗茨泵201h与扩散泵201c之间连接前级阀201j。预抽阀201i前安装有复合真空计，前级阀201j前安装有低真空计。

冷却水循环机202用来给真空泵组201进行冷却。冷却水出入口分为三路，一路连接水冷挡板201b，一路连接扩散泵201c，一路依次串联两台旋片式真空泵201g、罗茨泵201h、维持泵201d。

空气压缩机203用来保障真空泵组201中多个气动阀门的正常工作，与高真空阀201a、维持阀201e、截止阀201f、预抽阀201i、前级阀201j的气动接口相连提供动力。

真空泵组控制柜204与各个泵、阀的控制线连接，并在操作面板上设置相应的操作按钮；将复合真空计、低真空计的显示屏设置在真空泵组控制柜204上方。抽真空时，根据真空度值，按照各个泵的启动压力来顺序控制各个泵及阀门的开关，实现预抽和精抽的过程。

波纹管205的作用是与真空罐101相连时，吸收真空泵组201产生的振动。波纹管205一端与高真空阀201a抽气口法兰连接，另一端与真空罐底座101c的抽气口法兰连接，均采用螺栓连接，接触面安装有密封圈进行密封。

真空获得系统2抽真空的操作流程如下：

1.开冷却水循环机202、空气压缩机203，确保水路、气路畅通；

2.开真空泵组控制柜204，待气路通后，开维持泵201d，待低真空计达3pa以下，开维持阀201e，待低真空计达6pa以下，开扩散泵201c加热1小时；

3.50分钟后，开两台旋片式真空泵201g，开截止阀201f，开预抽阀201i，待复合真空计达600pa以下，开罗茨泵201h；

4.待复合真空计达6.7pa以下，关预抽阀201i，开前级阀201j，开高真空阀201a，

5.待复合真空计达5.0*10^-1pa以下，关罗茨泵201h，其它阀和泵不关直至达到所需真空度值；

真空获得系统2关机操作流程如下：

1.关高真空阀201a，关前级阀201j，截止阀201f，关两台旋片式真空泵201g；

2.关扩散泵201c降温；

3.90分钟后关维持阀201e，关维持泵201d；

4.关真空泵组控制拒204、冷却水循环机202、空气压缩机203。

加热制冷系统3用于实现模拟月壤表层高温，底层低温的温度分布效果，包括加热装置301和制冷装置302。

加热装置301如图20所示，位于月壤筒102上部，包括灯罩安装架301a、碘钨灯罩301b、碘钨灯301c、灯罩调节机构301d。

灯罩安装架301a通过螺钉固定在真空罐下段101b内壁上，灯罩安装架301a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301b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301d相连接的接口。碘钨灯301c安装在碘钨灯罩301b壳内顶部，碘钨灯301c灯管的数量和功率根据模拟月壤导热率和需要加热到的温度来选择，适当减小碘钨灯301c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301c灯管数量，以达到预期效果。

灯罩调节机构301d是一个并联机构，由四个支脚组成，如图21所示，每个支脚包括球铰301d_1、连杆A301d_2、连杆B301d_3、支座301d_4。

连杆A301d_2与碘钨灯罩301b之间通过球铰301d_1连接，连杆A301d_2和连杆B301d_3之间、连杆B301d_3和支座301d_4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。

制冷装置302如图22、图23、图24所示，包括冷却盘管302a、盘管固定片302b、低温止回阀302c、低温截止阀302d、内部低温软管302e、金属管302f、外部低温软管302g、低温制冷循环机302h、低温软管接头302i、聚氨酯密封圈302j、密封堵头302k。

冷却盘管302a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302a的出入口都设置在月壤筒102底部。在装配过程中，直接将冷却盘管302a缠绕在月壤筒侧壁102a的螺旋槽内，并用盘管固定片302b进行固定，必要时可在某些地方进行点焊加固，冷却盘管302a与月壤筒102为面接触，增强了制冷效果。在冷却盘管302a的入口安装低温止回阀302c，出口安装低温截止阀302d，拆卸冷却盘管302a时可避免冷却液洒在真空罐内，并将低温止回阀302c和低温截止阀302d固定在月壤筒底部法兰102b上。

如图22所示，在低温止回阀302c、低温截止阀302d与真空罐底座101c内壁之间连接有一段内部低温软管302e，这样钻杆在模拟月壤某位置处进行下钻后，左右转动月壤筒102(60度)，即可改变钻取位置，实现多次钻取任务。靠近真空罐底座101c内壁处内部低温软管302e与金属管302f相连，金属管302f穿出真空罐底座101c后，另一端与外部低温软管302g相连。外部低温软管302g的另一端与低温制冷循环机302h连接。低温制冷循环机302h采用全密闭管道式、高效板式热交换器，可以快速升降温度；采用带前馈的自适应控制系统，有较高的控温精度。

如图23所示，低温止回阀302c与内部进水软管302e_1相连，低温截止阀302d与内部出水软管302e_2相连。外部进水软管302g_1、外部出水软管302g_2的另一端分别与低温制冷循环机302h的冷却液进、出口连接。

如图24所示，内部低温软管302e、外部低温软管302g与金属管302f均通过低温软管接头302i相连，金属管302f与真空罐底座101c内壁之间采用耐低温聚氨酯密封圈302j进行密封，并用密封堵头302k将密封圈压紧实现低温密封。

数据采集与控制系统4分为温度模块和真空测量模块。

温度模块可对模拟月壤内部不同地方的温度进行测量，并根据测量数据进行闭环控制，提高对温度的控制精度与响应速度。

月壤内部温度测量采用铂电阻，铂电阻在月壤筒102中的布局如图25所示，在模拟月壤中预埋3个具有10个测温点的多点铂电阻温度传感器(温度钎)，温度钎位置避开三个钻取点，铂电阻由模拟月壤表面沿轴向向下均匀分布，两个铂电阻之间间隔200mm，用于监测模拟月壤的温度场。

如图26所示温度信号的传输、采集及反馈原理图，铂电阻信号通过真空密封插头由真空罐罐体引出，传送至温度模块内部的温度巡检仪，温度巡检仪每0.1s对一路温度信号进行监测，并通过RS485串行通信方式将温度数据传送至数据采集软件，温度采集软件调用Excel工作簿对采集的温度数据按照时间顺序进行存储。温度控制软件根据最新存储的温度数据，对温度进行PID闭环控制。

真空测量模块可对真空罐101内不同地方真空度进行测量，实时监测真空罐101内的真空度分布情况。

真空计选用压阻电阻复合真空计，测量范围为1.0×105--1.0×10-3Pa，测量精度为1.33×102～1.33×105Pa：±0.15％的满量程，1.0×10-2～1.33×102Pa：±10％的读数，1.0×10-3～1.33×10-2Pa：±20％的读数。复合真空计与真空罐101上的真空检测口采用KF16卡箍连接，真空检测口分布情况如图27所示。

如图28所示真空度信号采集原理图，三个复合真空计采用RS485通讯方式进行组网，真空计依次设定好节点号0～2，真空测量模块内部串行通讯端口通过Modbus通讯协议对真空计测量值进行逐一访问，并将访问结果传给数据采集软件，数据采集软件调用Excel工作簿对真空度数据按照时间进行存储。

基于上述所描述的用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，具体操作方法为：

1、安装真空获得系统2的各个组件，连接冷却水循环机202、空气压缩机203与真空泵组201；

2、将真空罐底座101c抽气口与真空泵组高真空阀201a抽气口调节齐平，用波纹管205连接，再用地脚螺栓固定真空罐底座101c；

3、在真空罐底座101c上安装月壤筒转动机构103；

4、将盛满模拟月壤的月壤筒102吊装到月壤筒转动机构103上，用螺钉将月壤筒底部法兰102b与回转支承103e外圈固联；

5、安装制冷装置302；

6、在真空罐下段101b上安装月壤筒锁紧机构104，并将月壤筒锁紧机构104处于松开状态；

7、将安装好月壤筒锁紧机构104的真空罐下段101b吊装在真空罐底座101c上，用螺栓密封连接；

8、将月壤筒102锁紧，安装加热装置301，并调节好碘钨灯的照射角度；

9、将钻机与真空罐上段101a相连接；

10、将钻机和真空罐上段101a整体吊装到真空罐下段101b上，用螺栓密封连接；

11、进行抽真空、制冷、加热等操作，完成真空罐101内月面模拟环境的获得；

12、进行钻取采样工作；

13、将月壤筒102松开，转动月壤筒102后再次将其锁紧，进行第二次钻取采样工作；

14、将月壤筒102松开，转动月壤筒102后再次将其锁紧，进行第三次次钻取采样工作；

15、完成连续三次钻取采样工作。拆卸时具体操作方法为：

1、打开真空泵组201的放气阀，待真空罐101内恢复至大气环境，关闭真空泵组201；

2、拆除真空罐上段101a和真空罐下段101b之间的螺栓，将真空罐上段101a和钻机整体吊装移开，放置在专用放置台上；

3、拆除加热装置301；

4、将月壤筒102松开，拆除真空罐下段101b与真空罐底座101c之间的螺栓，移除真空罐下段101b；

5、拆除制冷装置302；

6、拆除月壤筒底部法兰102b与回转支承103e之间的螺钉，移除月壤筒102；

7、拆除月壤筒转动机构103；

8、完成拆卸工作。

Claims (5)

1.一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，包括真空罐系统、真空获得系统、加热制冷系统、数据采集与控制系统；

真空罐系统包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、月壤筒锁紧机构；

真空罐分为真空罐上段a、真空罐下段b、真空罐底座c，三段之间依次固定连接，真空罐上段a的上端盖上设有与外部钻机的接口；真空罐底座c固定在地面上，其上设有抽气口，真空罐外壁上设有功能接口；

月壤筒位于真空罐内部，包括月壤筒侧壁a和月壤筒底部法兰b，两者固定连接；月壤筒侧壁a和月壤筒底部法兰b上均设有透气孔，月壤筒侧壁a外侧开有横截面为半圆的螺旋槽；

月壤筒转动机构位于真空罐底座内，月壤筒锁紧机构位于真空罐下段侧壁上；

月壤筒转动机构包括回转支承防尘隔板、小齿轮、小齿轮轴、转动操作杆、回转支承；

回转支承内圈固定在真空罐底座上，外圈与月壤筒底部法兰相连接，回转支承上方设有防尘隔板，小齿轮通过键与小齿轮轴周向固定，小齿轮轴穿过真空罐底座向下伸出，小齿轮轴与操作杆固定连接；

月壤筒锁紧机构包括操作把手、杠杆、弹簧端盖、弹簧套筒、弹簧、压杆、锁紧插销；

月壤筒锁紧机构在真空罐外壁圆周分布三组，真空罐下段外壁上设有安装孔a和两个安装座b，锁紧机构安装在安装孔a和两个安装座b上；

操作把手与杠杆固定连接，杠杆最下端孔与安装座b、杠杆中间孔与弹簧端盖均通过转动销连接；

锁紧机构每组内部结构中，压杆与弹簧套筒之间为滑动配合，弹簧一端压在压杆左端，另一端被弹簧端盖压紧，弹簧端盖与弹簧套筒固定连接；

锁紧插销包括插销轴、插销把手；

插销轴前端有两个对称凸耳；当处于松开状态时，插销轴未穿过安装座b上的锁紧孔，当处于锁紧状态时，插销轴穿过杠杆最上端的孔，将插销轴上的对称凸耳与安装座b上锁紧孔的对称凹孔对齐，穿过安装座b上的锁紧孔，插销把手转动，将插销轴上的对称凸耳与安装座b上锁紧孔的对称凹孔相错开，完成锁紧；

真空获得系统包括真空泵组、冷却水循环机、空气压缩机、真空泵组控制柜、波纹管；

真空泵组采用扩散泵组，扩散泵组包括一台作为高真空泵的扩散泵c，一台辅助扩散泵c工作的维持泵d，两台作为辅助预抽泵的旋片式真空泵g，一台串联在旋片式真空泵g和扩散泵c中间用来增压的罗茨泵h；

高真空阀a与扩散泵c抽气口之间设有水冷挡板b，扩散泵c后方一路串联维持泵d，另一路依次串联罗茨泵h、两台旋片式真空泵g；维持泵d前连接维持阀e，一台旋片式真空泵g前连接截止阀f，罗茨泵h与高真空阀a之间连接预抽阀i，罗茨泵h与扩散泵c之间连接前级阀j；预抽阀i前安装有复合真空计，前级阀j前安装有低真空计；

冷却水循环机的冷却水出入口分为三路，一路连接水冷挡板b，一路连接扩散泵c，一路依次串联两台旋片式真空泵g、罗茨泵h、维持泵d；

空气压缩机与高真空阀、维持阀、截止阀、预抽阀、前级阀的气动接口相连；

真空泵组控制柜与各个泵、阀的控制线连接，并在操作面板上设置相应的操作按钮；将复合真空计、低真空计的显示屏设置在真空泵组控制柜上方；

波纹管一端连接高真空阀的抽气口；另一端连接真空罐底座抽气口；

加热制冷系统包括加热装置和制冷装置，整个制冷装置的内冷却循环部分置于真空罐内；

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；

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；

数据采集与控制系统包括温度模块和真空测量模块；

月壤筒内设有铂电阻温度传感器，铂电阻由模拟月壤表面沿轴向向下均匀分布，铂电阻通过真空密封插头由真空罐罐体引出，传送至数据采集与控制系统的温度模块，温度模块每隔时间T对温度信号进行监测，并且按照时间顺序对温度数据进行存储，温度模块根据温度数据，对温度进行PID闭环控制；

真空测量模块对真空罐的真空度进行测量，实时监测真空罐内的真空度分布情况，并且按照时间顺序对真空度数据进行存储。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，所述的回转支承中，连接孔a位于回转支承内圈，与真空罐底座相连，连接孔b位于回转支承外圈，与月壤筒相连，回转支承外圈上的齿轮为缺齿结构，在左右60°上设有转动定位挡块c。

3.根据权利要求1所述的一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，所述的小齿轮轴与真空罐壁设有密封结构，在真空罐壁的一边安装有两个深沟球轴承，用来承受径向力和轴向力，轴承端盖进行轴向定位；真空罐另一边采用J型动密封结构进行密封。

4.根据权利要求1所述的一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，所述的弹簧套筒与真空罐壁上的安装孔a之间采用O型动密封结构进行密封。

5.根据权利要求1所述的一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置，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。