CN114486988A - 一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置及试验方法，属于深空资源原位利用与工程建设试验技术领域。所述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置包括真空试验舱模块、智能机械手臂模块、微波发生与聚焦辐射模块、烧结过程综合监测模块和烧结效果原位评价模块，真空试验舱模块包括真空舱体、真空环境构建系统和温度构建系统；所述真空环境下微波移动烧结月壤试验方法包括：铺设模拟月壤、启动真空环境构建系统、启动温度构建系统、烧结试验及监测和烧结效果原位评价。所述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置及试验方法能够实现模拟月壤性质、微波作用参数、烧结路径、烧结参数对烧结效果影响机制的研究，以及烧结后模拟月壤力学参数的原位评价。
Description
技术领域
本发明涉及深空资源原位利用与工程建设试验技术领域，特别涉及一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置及试验方法。
背景技术
随着人类文明的发展，拓展生存空间、寻求地外资源的需求愈加迫切。深空探测是开展宇宙起源与生命探寻、空间物质和能量作用、地球环境形成与演化过程、地外资源勘察利用等关键科学与技术问题研究的重要途径，已成为我国一项重要的国家战略。
月球是距离地球最近的天体，拥有大量可利用的资源。对月球进行有效的开发与建设是人类深空探测事业的第一选择。月球表面环境条件恶劣，体现在高真空、微重力、大温差交变、宇宙射线与微陨石冲击等方面。月球表面覆盖有一层由月岩风化产生的月壤层，其工程性质较差，无法适应月球资源开发与工程建设的需求。如何有效提升月壤的承载能力，是一个亟待解决的科学与工程问题。在此背景之下，构建研究模拟月面环境下月壤承载力提升技术的试验装置有着重要的意义。
采用高温对月壤进行烧结，是一种有效提升月壤承载能力的方法。当前的烧结方式主要包括热烧结、激光烧结与微波烧结等。其中，微波烧结具有能耗低、效率高、污染小、有效降低烧结温度等优势，因而受到了广泛的关注。目前，模拟月壤烧结试验多在腔式工业微波炉内开展，与月面环境下微波烧结固化月壤的实际应用场景存在较大区别。比如，申请号为201410471234.4的专利：微波真空气压烧结炉，申请号为201711419320.0的专利：一种微波压力烧结炉等，均为封闭的微波作用腔体，微波发生装置固定于炉体内特定位置，无法实现规划路径烧结。
综上所述，在微波烧结月壤试验装置方面，存在如下问题：1)缺少敞开式烧结的试验装置，烧结试验多在封闭微波炉腔体内开展；2)缺少具备烧结路径规划功能的试验装置，微波发生与辐射器只能安装于封闭腔体内的固定位置，微波作用路径、方向、角度、距离等参数无法研究；3)缺少月面环境条件下模拟月壤烧结效果的原位评价手段。
发明内容
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置及试验方法，能够实现模拟月面环境条件下模拟月壤性质(粒径、成分、层理)、微波作用参数(功率、频率)、烧结路径(扫描间距、移动速度)、烧结参数(微波聚焦辐射器与模拟月壤表面之间距离和角度)对烧结效果影响机制的有效研究，以及进行月面环境条件下烧结后模拟月壤力学参数的原位评价。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，包括真空试验舱模块、智能机械手臂模块、微波发生与聚焦辐射模块、烧结过程综合监测模块和烧结效果原位评价模块；
所述真空试验舱模块包括内部设置有模拟月壤的真空舱体、用于构建所述真空舱体内真空度的真空环境构建系统以及用于构建所述真空舱体内模拟月壤温度的温度构建系统；
所述智能机械手臂模块设置于所述真空舱体的舱壁，用于控制微波发生与聚焦辐射模块的微波聚焦辐射器在所述真空舱体内按照规划路径移动；
所述烧结过程综合监测模块设置于所述真空舱体的舱壁，用于监测模拟月壤烧结过程中的实时状态；
所述烧结效果原位评价模块设置于所述模拟月壤的上方，用于向烧结后的模拟月壤施加载荷。
进一步的，所述真空环境构建系统包括设置于真空舱体外部的真空泵组和设置于真空舱体内部的真空计，所述真空泵组包括第一真空泵和第二真空泵，所述真空舱体底部的抽气法兰依次与第一真空泵和第二真空泵连接，所述抽气法兰与第一真空泵连接的真空管路上设置有真空阀一，所述第一真空泵与第二真空泵连接的真空管路上设置有真空阀二。
进一步的，所述温度构建系统包括设置于模拟月壤下方的载物平台内的电热丝、制冷管路和热电偶；所述电热丝和制冷管路均与制热制冷装置连接，用于对模拟月壤进行加热或者冷却，所述热电偶用于采集模拟月壤的实时温度。
进一步的，所述智能机械手臂模块包括设置于所述真空舱体外部的固定底座，所述固定底座依次与位于所述真空舱体内部的第一转动轴、第一机械臂、第二转动轴、第二机械臂、第三转动轴和第三机械臂相连，所述第三机械臂的前端通过第五转动轴与微波聚焦辐射器相互铰接，所述第三机械臂的末端与第四转动轴相连。
进一步的，所述微波发生与聚焦辐射模块还包括位于所述真空舱体外部的微波发生装置，所述微波发生装置通过同轴电缆与微波聚焦辐射器连接，所述微波聚焦辐射器选用扁口型，用于提高微波辐射器发射端口径面的电场强度。
进一步的，所述烧结效果原位评价模块包括设置于所述真空舱体外部的驱动电机和穿过真空舱体舱壁的压力传导杆，所述驱动电机与压力传导杆连接，所述压力传导杆的底部与载荷平板连接，驱动电机驱动压力传导杆由舱外向舱内移动，使载荷平板向模拟月壤施加载荷；所述压力传导杆设置有压力传感器和位移传感器，压力传感器采集施加在模拟月壤上的压力，位移传感器采集载荷平板的位移。
进一步的，所述烧结过程综合监测模块包括设置于所述真空舱体舱壁的CCD相机、红外测温仪和质谱仪，所述CCD相机用于采集模拟月壤烧结时的状态，所述红外测温仪用于采集模拟月壤烧结时的分布式温度场，所述质谱仪用于采集模拟月壤烧结时的挥发分信息。
进一步的，所述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置还包括综合控制系统，所述综合控制系统包括上位机以及与上位机连接的控制器；所述控制器分别与真空计、热电偶、压力传感器、位移传感器、CCD相机、红外测温仪和质谱仪连接，所述真空计、热电偶、压力传感器、位移传感器、CCD相机、红外测温仪和质谱仪均将采集的实验数据发送到控制器，并在上位机上显示和存储；所述控制器还分别与第一真空泵、第二真空泵、真空阀一、真空阀二、制热制冷装置、微波发生装置和驱动电机，控制器根据实验要求控制CCD相机、红外测温仪、质谱仪、第一真空泵、第二真空泵、真空阀一、真空阀二、制热制冷装置、微波发生装置和驱动电机工作。
一种真空环境下微波移动烧结月壤试验方法，采用上述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，包括以下步骤：
S1、在载物平台上铺设模拟月壤；
S2、启动真空环境构建系统，对真空舱体内抽真空，使真空舱体内的真空度达到预设真空度；
S3、启动温度构建系统，使模拟月壤的温度达到设定温度；
S4、烧结试验及多元信息监测：
控制器设置微波功率和频率，并启动微波发生与聚焦辐射模块；控制器设置微波聚焦辐射器与模拟月壤表面之间的距离和角度，并启动智能机械手臂模块；控制器启动红外测温仪、CCD相机和质谱仪；
智能机械手臂带动微波聚焦辐射器开始规划路径下的微波烧结，同时，红外测温仪、CCD相机和质谱仪分别采集烧结过程中模拟月壤的分布式温度场、表面实时状态和挥发分信息，并发送给控制器；
S5、烧结试验结束后，启动烧结效果原位评价模块：
控制器控制驱动电机工作，驱动电机驱动压力传导杆由舱外向舱内移动，使载荷平板向模拟月壤施加载荷；同时，压力传感器采集施加在模拟月壤上的压力发送给控制器，位移传感器采集载荷平板的位移发送给控制器，并在上位机上形成载荷-位移曲线，以进行烧结效果原位评价。
进一步的，所述步骤S5中，进行烧结效果原位评价的具体过程如下：
(1)根据载荷-位移曲线得到模拟月壤的承载力与变形模量：
(1.1)取载荷-位移曲线直线段的界限点作为模拟月壤的承载力；
(1.2)所述变形模量按照如下公式计算：
式中，E为模拟月壤的变形模量，p为载荷-位移曲线上对应于位移s值的载荷值，b为载荷平板的边长，ν为模拟月壤的泊松比，I为载荷平板形状系数；
(2)通过对比烧结前后模拟月壤的承载力与变形模量的变化，评价烧结效果，烧结效果的评价标准为：
烧结效果差：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力与变形模量的增幅均小于30％；
烧结效果中：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力与变形模量中至少一个参数的增幅大于等于30％且小于等于60％；
烧结效果良：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力或变形模量的增幅大于60％；
烧结效果优：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力和变形模量的增幅均大于60％。
本发明的有益效果：
1)本发明能够开展模拟月面环境条件下的微波连续移动烧结模拟月壤试验，进而研究微波作用距离、角度、功率、时间对于烧结效果的影响，建立敞开式微波作用参数与烧结效果的定量关系，与封闭腔体内烧结相比，可以更加真实地模拟月面建造与资源开采中微波烧结月壤技术的应用场景。
2)本发明具备烧结路径规划功能，能够开展不同移动路径下的连续烧结试验研究，进而开展多种烧结路径、烧结探头移动速度、单次烧结与多次烧结等多种工况的对比分析，及连续烧结与点式离散烧结的差异性分析等研究。
3)本发明能够实现烧结过程中模拟月壤的实时状态、分布式温度场、挥发分信息等的实时监测，对于揭示烧结机理提供多元数据支持。
4)本发明能够实现月面环境条件下模拟月壤烧结效果的原位测试，获得模拟月壤烧结后的主要力学与变形参数。
本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置(烧结过程)的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置(原位力学与变形参数测试过程)的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的智能机械手臂模块以及微波发生与聚焦辐射模块的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置的控制原理图；
图5是本发明实施例提供的不同类型的连续烧结方式和点式烧结方式的示意图；
图6是本发明实施例提供的一种真空环境下微波移动烧结月壤试验方法的流程图；
图7是本发明实施例提供的模拟月壤级配曲线图；
图8是本发明实施例提供的模拟月壤化学成分图；
图9是本发明实施例提供的载荷-位移曲线的示意图；
图10是本发明实施例提供的模拟月壤烧结前后的微观图像对比图，其中，(a)为模拟月壤烧结前的微观图像；(b)为模拟月壤烧结后的微观图像。
说明书附图中的附图标记包括：
1-真空舱体，2-模拟月壤，3-载物平台，4-真空计，5-第一真空泵，6-第二真空泵，7-抽气法兰，8-真空阀一，9-真空阀二，10-电热丝，11-制冷管路，12-热电偶，13-制热制冷装置，14-固定底座，15-第一转动轴，16-第一机械臂，17-第二转动轴，18-第二机械臂，19-第三转动轴，20-第三机械臂，21-第五转动轴，22-微波聚焦辐射器，23-第四转动轴，24-同轴电缆，25-微波源，26-磁控管，27-环形器，28-驱动电机，29-压力传导杆，30-载荷平板，31-压力传感器，32-位移传感器，33-CCD相机，34-红外测温仪，35-质谱仪，36-综合控制系统，37-微波发生装置。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
为了解决现有技术存在的问题，如图1至图5所示，本发明提供了一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，包括真空试验舱模块、智能机械手臂模块、微波发生与聚焦辐射模块、烧结过程综合监测模块和烧结效果原位评价模块；
真空试验舱模块包括内部设置有模拟月壤2的真空舱体1、用于构建真空舱体1内真空度的真空环境构建系统以及用于构建真空舱体1内模拟月壤2温度的温度构建系统；
智能机械手臂模块设置于真空舱体1的舱壁，用于控制微波发生与聚焦辐射模块的微波聚焦辐射器22在真空舱体1内按照规划路径移动；
烧结过程综合监测模块设置于真空舱体1的舱壁，用于监测模拟月壤2烧结过程中的实时状态；
烧结效果原位评价模块设置于模拟月壤2的上方，用于向烧结后的模拟月壤2施加载荷，开展平板载荷试验。
本发明中，真空舱体1内设置载物平台3，用于铺设模拟月壤2颗粒。真空舱体1的舱壁上设置有观察窗和舱门，真空舱体1的舱壁上还开设有监测设备接口、智能机械手臂传动接口、微波同轴电缆24接口、烧结效果评价装置接口、真空泵接口和温度构建系统接口；监测设备接口包括红外测温仪34接口、CCD相机33接口、质谱仪35接口、温度传感器接口和真空计4接口；具体的，各接口位置均设置穿舱法兰，用于真空舱内外连通，并保证密封；观察窗为不可拆密封，各监测设备接口、微波同轴电缆24接口、真空泵接口、温度构建系统接口为可拆静密封，智能机械手臂传动轴接口及烧结效果评价装置接口为可拆动密封。
如图1和图2所示，真空环境构建系统包括设置于真空舱体1外部的真空泵组和设置于真空舱体1内部的真空计4，真空泵组包括第一真空泵5和第二真空泵6，真空舱体1底部的抽气法兰7依次与第一真空泵5和第二真空泵6连接，抽气法兰7与第一真空泵5连接的真空管路上设置有真空阀一8，第一真空泵5与第二真空泵6连接的真空管路上设置有真空阀二9。本实施例中，真空计4安装在真空舱体1内，用于实时监测真空舱体1内的真空度，并反馈给综合控制系统36，实现对真空泵组的有效控制，抽真空过程中，第一真空泵5(机械真空泵)首先工作，随着真空度的增加，第二真空泵6(涡轮分子泵)开始增速，当真空度达到一定界限值时，第二真空泵6(涡轮分子泵)进入全速工作状态。
如图1和图2所示，温度构建系统包括设置于模拟月壤2下方的载物平台3内的电热丝10、制冷管路11和热电偶12；电热丝10和制冷管路11均与制热制冷装置13连接，用于对模拟月壤2进行加热或者冷却，热电偶12用于采集模拟月壤2的实时温度。
本实施例中，电热丝10和制冷管路11均盘设在真空舱体1内载物平台3内部；制热制冷装置13设置于真空舱体1的外部，其包括依次连接的压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器，蒸发器与制冷管路11连接，压缩机与控制器连接，制冷(冷却模拟月壤2)过程为：通过控制冷媒在制冷管路11中的流量与速度实现不同的制冷效果；制热制冷装置13还包括控制电热丝10电流大小的调节开关，调节开关与控制器连接，制热(加热模拟月壤2)过程为：采用电阻丝发热原理，通过控制通过电阻丝的电流大小，实现不同的制热效果；热电偶12用于采集载物平台3的实时温度(即模拟月壤2的实时温度)，当实时温度偏离设定温度时，综合控制系统36的控制器将压缩机或调节开关工作，实现模拟月壤2温度的主动调节，使模拟月壤2温度达到设定温度。
如图1至图3所示，智能机械手臂模块包括设置于真空舱体1外部的固定底座14，固定底座14依次与位于真空舱体1内部的第一转动轴15、第一机械臂16、第二转动轴17、第二机械臂18、第三转动轴19和第三机械臂20相连，第三机械臂20的前端通过第五转动轴21与微波聚焦辐射器22相互铰接，第三机械臂20的末端与第四转动轴23相连。本实施例中，固定底座14连接在真空舱体1外部，第一转动轴15安装在真空舱体1内部，第一转动轴15与真空舱体1内壁转动连接；第一转动轴15与第一机械臂16相连，第一转动轴15控制第一机械臂16的旋转；第一机械臂16通过第二转动轴17与第二机械臂18互相铰接，第二机械臂18通过第三转动轴19与第三机械臂20铰接，第三机械臂20的外壁与第二机械臂18铰接，第三机械臂20的转轴与第四旋转轴连接，第四旋转轴用于控制第三机械臂20的旋转；第三机械臂20的前端通过第五转动轴21与微波聚焦辐射器22相互铰接，第一转动轴15、第二转动轴17、第三转动轴19、第四转动轴23和第五转动轴21均连接有步进电机，每个步进电机均与控制器连接，通过步进电机驱动各个转动轴的旋转，以实现微波聚焦辐射器22按照规划路径移动，进行模拟月壤2的烧结。智能机械手臂使用时，安装有激光雷达传感器，用于收集真空舱体1内的环境信息，控制器与激光雷达传感器配合确定智能机械手臂与真空舱体1舱壁及模拟月壤2的位置关系，以实现微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间距离和角度的调节，激光雷达传感器以及激光雷达传感器的使用均采用现有技术，也可以采用现有技术中其他能够实现智能机械手臂位置调节的结构，达到实现微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间距离和角度调节的目的。
如图1至图3所示，微波发生与聚焦辐射模块还包括位于真空舱体1外部的微波发生装置37，微波发生装置37通过同轴电缆24与微波聚焦辐射器22连接，微波聚焦辐射器22选用扁口型，用于提高微波辐射器发射端口径面的电场强度，从而实现将微波能量聚焦，具体的，微波发生装置37包括在真空舱外部依次连接的微波源25、磁控管26和环形器27，环形器27通过同轴电缆24与微波聚焦辐射器22连接，微波源25与磁控管26相连，磁控管26与环形器27第一端口相连，环形器27第二端口与同轴电缆24一端相连，同轴电缆24另一端与微波聚焦辐射器22相连；同轴电缆24通过真空舱体1舱壁上的同轴电缆24接口进入舱体内部；微波聚焦辐射器22安装在第三机械臂20的端部，受智能机械手臂的控制实现在真空舱体1内按照规划路径移动。
如图1和图2所示，烧结效果原位评价模块包括设置于真空舱体1外部的驱动电机28和穿过真空舱体1舱壁的压力传导杆29，驱动电机28与压力传导杆29连接，压力传导杆29的底部与载荷平板30连接，驱动电机28驱动压力传导杆29由舱外向舱内移动，使载荷平板30向模拟月壤2施加载荷；压力传导杆29设置有压力传感器31和位移传感器32，压力传感器31采集施加在模拟月壤2上的压力，位移传感器32采集载荷平板30的位移；具体的，载荷平板30为15cm×15cm的正方形，烧结试验过程中，压力传导杆29位于真空舱体1外部；烧结结束后，在驱动电机28的驱动下，压力传导杆29由舱外向舱内移动，并通过载荷平板30与模拟月壤2接触，驱动电机28分级施加载荷，测试模拟月壤2的力学与变形特性，压力传感器31采集施加在模拟月壤2上的压力并发送给控制器，同时位移传感器32采集载荷平板30的位移(即模拟月壤2的变形)并发送给控制器，获得烧结后模拟月壤2的载荷-位移曲线，进而计算获得承载力和变形模量，对比烧结前后上述参数的改变，实现模拟月壤2烧结后力学性能的提升效果评价。当然，实际使用时，也可以采用其他驱动设备实现压力传导杆29由舱外向舱内移动，比如通过电动推杆或者液压缸推动压力传导杆29移动，压力传导杆29与真空舱体1上用于压力传导杆29的接口与压力传导杆29动密封配合。
如图1和图2所示，烧结过程综合监测模块包括设置于真空舱体1舱壁的CCD相机33、红外测温仪34和质谱仪35，CCD相机33用于采集模拟月壤2烧结时的状态，红外测温仪34用于采集模拟月壤2烧结时的分布式温度场，质谱仪35用于采集模拟月壤2烧结时的挥发分信息。
如图5所示，智能机械手臂模块控制微波聚焦辐射器22在真空舱体1内的规划路径为连续的弓字形、连续的之字形、正向连续的回字形、反向连续的回字形、正向连续的蛇盘形、反向连续的蛇盘形、矩形点阵或者圆形点阵。连续的弓字形、连续的之字形、正向连续的回字形、反向连续的回字形、正向连续的蛇盘形和反向连续的蛇盘形为连续烧结方式，矩形点阵和圆形点阵为点式烧结方式。
如图1至图5所示，真空环境下微波移动烧结月壤试验装置还包括综合控制系统36，综合控制系统36包括上位机以及与上位机连接的控制器；控制器分别与真空计4、热电偶12、压力传感器31、位移传感器32、CCD相机33、红外测温仪34和质谱仪35连接，真空计4、热电偶12、压力传感器31、位移传感器32、CCD相机33、红外测温仪34和质谱仪35均将采集的实验数据发送到控制器，并在上位机上显示和存储；控制器还分别与第一真空泵5、第二真空泵6、真空阀一8、真空阀二9、制热制冷装置13、微波发生装置37和驱动电机28，控制器根据实验要求控制CCD相机33、红外测温仪34、质谱仪35、第一真空泵5、第二真空泵6、真空阀一8、真空阀二9、制热制冷装置13、微波发生装置37和驱动电机28工作。
本发明中，综合控制系统36的控制器与各个部件连接，形成真空环境控制子系统、温度控制子系统、智能机械手臂控制子系统、微波作用参数控制子系统、模拟月壤2状态监测控制子系统和烧结效果原位评价控制子系统。真空环境控制子系统的控制过程为：真空计4采集真空舱体1内实时真空度并发送给控制器，控制器根据实时真空度控制真空阀一8、真空阀二9、第一真空泵5和/或第二真空泵6工作，保持真空舱体1内的实时真空度为预设真空度，使真空舱体1内部达到预设的真空环境；比如，实时真空度低于预设真空度时，控制器启动真空阀一8、真空阀二9、第一真空泵5和/或第二真空泵6，并匹配功率参数，使得舱内真空度满足要求；当实时真空度达到预设真空度时，控制器关闭真空阀一8、真空阀二9、第一真空泵5和第二真空泵6，并保持待机状态。温度控制子系统的控制过程为：热电偶12采集真空舱体1内模拟月壤2的实时温度并发送给控制器，控制器控制制热制冷装置13工作使电热丝10发热，或控制制热制冷装置13工作使压缩机、膨胀阀、蒸发器和冷凝器制冷，以保持模拟月壤2的温度为预设温度，比如，热电偶12采集模拟月壤2的实时温度低于预设温度时，控制器控制制热制冷装置13启动，通过控制电热丝10的电流值，实现模拟月壤2的高温构建；热电偶12采集模拟月壤2的实时温度高于预设温度时，控制器控制制热制冷装置13启动，控制冷媒在制冷管路11中的流量与速度，实现模拟月壤2的低温构建；当模拟月壤2的实时温度等于设定温度时，控制器控制制热制冷装置13关闭，并保持待机状态。智能机械手臂控制子系统的控制过程为：通过激光雷达传感器采集微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间距离和角度信息，并发送给控制器，控制器控制第一转动轴15、第二转动轴17、第三转动轴19、第四转动轴23和/或第五转动轴21的步进电机工作，实现微波聚焦辐射器22按照规划路径移动(控制扫描间距和移动速度)。微波作用参数控制子系统的控制过程为：根据试验要求，控制器控制微波发生装置37发射微波的功率和频率，对模拟月壤2进行烧结。模拟月壤2状态监测控制子系统的控制过程为：控制器控制CCD相机33、红外测温仪34和质谱仪35的工作状态，试验开始后，控制器控制CCD相机33、红外测温仪34与质谱仪35信号启动，CCD相机33、红外测温仪34和质谱仪35分别采集月壤烧结时的状态、分布式温度场和挥发分发送给控制器，并在上位机上显示和存储，试验结束后，控制器控制CCD相机33、红外测温仪34与质谱仪35信号关闭。烧结效果原位评价控制子系统的控制过程为：烧结完成后，控制器智能机械手臂缩回，启动烧结效果原位评价模块，驱动电机28驱动压力传导杆29由舱外向舱内移动，使得载荷平板30与烧结后的模拟月壤2直接接触，分级施加荷载40kPa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa、140kPa，压力传感器31采集施加在模拟月壤2上的压力并发送给控制器，同时位移传感器32采集载荷平板30的位移(即模拟月壤2的变形)并发送给控制器，得到压力传导杆29与载荷平板30测试的烧结后模拟月壤2的力学与变形参数，获得烧结后模拟月壤2的载荷-位移曲线，并根据载荷-位移曲线计算承载力和变形模量，通过对比烧结前后模拟月壤2的承载力与变形模量的变化，实现烧结效果的原位评价。
如图6至图10所示，本发明还提供了一种真空环境下微波移动烧结月壤试验方法，采用上述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，包括以下步骤：
S1、在载物平台3上铺设模拟月壤2；
本实施例中，开启真空舱体1的舱门，在载物平台3上铺设厚度为10cm、面积为50cm×50cm的模拟月壤2，模拟月壤2粒径范围为0.01mm～10mm；模拟月壤2级配曲线图如图7所示，粒径小于0.1mm的模拟月壤2累积百分含量为53％，粒径小于1mm的模拟月壤2累积百分含量为92％；如图8所示，模拟月壤2的化学成分主要包括SiO2、FeOT、Al2O3、CaO、MgO、Na2O等。
S2、启动真空环境构建系统，对真空舱体1内抽真空，使真空舱体1内的真空度达到预设真空度；
本实施例中，关闭舱门，启动真空环境构建系统，对舱体进行抽真空至1×10-4Pa，真空计4监测真空舱体1内的实时真空度，并发送到控制器，控制器通过内置程序进行如下判断：当实时真空度低于预设真空度时，控制器控制真空泵组工作；当实时真空度等于预设真空度时，即真空舱体1内的真空度达到设定真空度，控制器控制真空泵组停止工作。
S3、启动温度构建系统，使模拟月壤2的温度达到设定温度；
本实施例中，热电偶12监测模拟月壤2的实时温度，并发送到控制器，控制器通过内置程序进行如下判断：如果实时温度低于预设温度(-10℃)时，控制器控制制热制冷装置13启动，通过控制电热丝10的电流值，实现模拟月壤2的制热；如果实时温度高于预设温度(-10℃)时，控制器控制制热制冷装置13启动，控制冷媒在制冷管路11中的流量与速度，实现模拟月壤2的制冷；当实时温度等于设定温度(-10℃)时，控制器控制制热制冷装置13关闭，并保持待机状态。
S4、烧结试验及多元信息监测：
控制器设置微波功率和频率，并启动微波发生与聚焦辐射模块；控制器设置微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间的距离和角度，并启动智能机械手臂模块；控制器启动红外测温仪34、CCD相机33和质谱仪35；
智能机械手臂带动微波聚焦辐射器22开始规划路径下的微波烧结，同时，红外测温仪34、CCD相机33和质谱仪35分别采集烧结过程中模拟月壤2的分布式温度场、表面实时状态和挥发分信息，并发送给控制器；
本实施例中，启动微波发生与聚焦辐射模块，微波频率采用2.45GHz，微波功率采用1kW，启动智能机械手臂模块，设置微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间的距离为2cm、微波聚焦辐射器22与模拟月壤2表面之间的角度为90°，如果烧结方式采用连续烧结，需规划烧结路径，及微波聚焦辐射器22的移动速度，在控制系统中生成规划烧结路径；如果烧结方式采用点式烧结时，需要设置不同的离散烧结点位置，及单个烧结点的烧结时间。比如，选择烧结方式采用连续的弓字形，设置烧结路径横向间距为1cm，微波聚焦辐射器22移动速度为0.5cm/s，在控制系统中生成规划烧结路径，开始微波烧结；烧结过程中，红外测温仪34获得模拟月壤2表面的分布式温度场，CCD相机33获得模拟月壤2的表面实时状态，质谱仪35获得并分析烧结过程中模拟月壤2释放出的挥发分信息。
S5、烧结试验结束后，启动烧结效果原位评价模块：
控制器控制驱动电机28工作，驱动电机28驱动压力传导杆29由舱外向舱内移动，使载荷平板30向模拟月壤2施加载荷；同时，压力传感器31采集施加在模拟月壤2上的压力发送给控制器，位移传感器32采集载荷平板30的位移发送给控制器，并在上位机上形成载荷-位移曲线，以进行烧结效果原位评价。
本实施例中，烧结完成后，智能机械手臂缩回，启动烧结效果原位评价模块，由电机驱动压力传导杆29，使得载荷平板30与烧结后的模拟月壤2直接接触，分级施加荷载40kPa、60kPa、80kPa、100kPa、120kPa、140kPa，位移传感器32监测载荷平板30在设定压力下的位移，也即为模拟月壤2在荷载作用下的位移，当载荷平板30周围的模拟月壤2有明显的侧向挤出或出现裂纹，或者增加很小的载荷值即导致位移急剧增加时，停止试验，得到载荷-位移曲线，并根据载荷-位移曲线计算承载力和变形模量，通过对比烧结前后上述参数的变化，评价烧结效果。
如图9所示，步骤S5中，进行烧结效果原位评价的具体过程如下：
(1)根据载荷-位移曲线得到模拟月壤2的承载力与变形模量：
(1.1)取载荷-位移曲线直线段的界限点作为模拟月壤2的承载力；
(1.2)变形模量按照如下公式计算：
式中，E为模拟月壤2的变形模量，p为载荷-位移曲线上对应于位移s值的载荷值，b为载荷平板30的边长，ν为模拟月壤2的泊松比，I为载荷平板30形状系数，本实施例中，载荷平板30为正方形，载荷平板30形状系数取0.886；
(2)通过对比烧结前后模拟月壤2的承载力与变形模量的变化，评价烧结效果，烧结效果的评价标准为：
烧结效果差：与烧结前相比，烧结后模拟月壤2的承载力与变形模量的增幅均小于30％；
烧结效果中：与烧结前相比，烧结后模拟月壤2的承载力与变形模量中至少一个参数的增幅大于等于30％且小于等于60％；
烧结效果良：与烧结前相比，烧结后模拟月壤2的承载力或变形模量的增幅大于60％；
烧结效果优：与烧结前相比，烧结后模拟月壤2的承载力和变形模量的增幅均大于60％。
本发明中，承载力增幅的计算方法为：烧结后模拟月壤2的承载力减去烧结前模拟月壤2的承载力，除以烧结前模拟月壤2的承载力；变形模量增幅的计算方法为：烧结后模拟月壤2的变形模量值减去烧结前模拟月壤2的变形模量值，除以烧结前模拟月壤2的变形模量值。
本发明的试验结束后，可根据需要进行后续研究，比如，关闭试验系统，打开舱门，取出烧结后的模拟月壤2，开展矿物成分、微观结构特征测试，获得烧结前后模拟月壤2的矿物成分改变，力学性能提升，与微观结构演化特征，揭示烧结机理，烧结前后微观结构对比如图10所示，烧结后，模拟月壤2结构发生显著改变，产生了大量玻璃质物质。
本发明的一次试验结束后，可改变模拟月壤2类型、烧结路径与微波作用等参数，重复上述试验过程，得到不同初始模拟月壤2性质(如粒度程度、矿物成分、结构形式等)、微波作用参数(距离、角度、功率、时间)、烧结路径等对试验结果的影响，对比试验结果，获得烧结规律，揭示烧结机理。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，包括真空试验舱模块、智能机械手臂模块、微波发生与聚焦辐射模块、烧结过程综合监测模块和烧结效果原位评价模块；
所述真空试验舱模块包括内部设置有模拟月壤的真空舱体、用于构建所述真空舱体内真空度的真空环境构建系统以及用于构建所述真空舱体内模拟月壤温度的温度构建系统；
所述智能机械手臂模块设置于所述真空舱体的舱壁，用于控制微波发生与聚焦辐射模块的微波聚焦辐射器在所述真空舱体内按照规划路径移动；
所述烧结过程综合监测模块设置于所述真空舱体的舱壁，用于监测模拟月壤烧结过程中的实时状态；
所述烧结效果原位评价模块设置于所述模拟月壤的上方，用于向烧结后的模拟月壤施加载荷。
2.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述真空环境构建系统包括设置于真空舱体外部的真空泵组和设置于真空舱体内部的真空计，所述真空泵组包括第一真空泵和第二真空泵，所述真空舱体底部的抽气法兰依次与第一真空泵和第二真空泵连接，所述抽气法兰与第一真空泵连接的真空管路上设置有真空阀一，所述第一真空泵与第二真空泵连接的真空管路上设置有真空阀二。
3.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述温度构建系统包括设置于模拟月壤下方的载物平台内的电热丝、制冷管路和热电偶；所述电热丝和制冷管路均与制热制冷装置连接，用于对模拟月壤进行加热或者冷却，所述热电偶用于采集模拟月壤的实时温度。
4.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述智能机械手臂模块包括设置于所述真空舱体外部的固定底座，所述固定底座依次与位于所述真空舱体内部的第一转动轴、第一机械臂、第二转动轴、第二机械臂、第三转动轴和第三机械臂相连，所述第三机械臂的前端通过第五转动轴与微波聚焦辐射器相互铰接，所述第三机械臂的末端与第四转动轴相连。
5.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述微波发生与聚焦辐射模块还包括位于所述真空舱体外部的微波发生装置，所述微波发生装置通过同轴电缆与微波聚焦辐射器连接，所述微波聚焦辐射器选用扁口型，用于提高微波辐射器发射端口径面的电场强度。
6.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述烧结效果原位评价模块包括设置于所述真空舱体外部的驱动电机和穿过真空舱体舱壁的压力传导杆，所述驱动电机与压力传导杆连接，所述压力传导杆的底部与载荷平板连接，驱动电机驱动压力传导杆由舱外向舱内移动，使载荷平板向模拟月壤施加载荷；所述压力传导杆设置有压力传感器和位移传感器，压力传感器采集施加在模拟月壤上的压力，位移传感器采集载荷平板的位移。
7.根据权利要求1所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述烧结过程综合监测模块包括设置于所述真空舱体舱壁的CCD相机、红外测温仪和质谱仪，所述CCD相机用于采集模拟月壤烧结时的状态，所述红外测温仪用于采集模拟月壤烧结时的分布式温度场，所述质谱仪用于采集模拟月壤烧结时的挥发分信息。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，所述真空环境下微波移动烧结月壤试验装置还包括综合控制系统，所述综合控制系统包括上位机以及与上位机连接的控制器；所述控制器分别与真空计、热电偶、压力传感器、位移传感器、CCD相机、红外测温仪和质谱仪连接，所述真空计、热电偶、压力传感器、位移传感器、CCD相机、红外测温仪和质谱仪均将采集的实验数据发送到控制器，并在上位机上显示和存储；所述控制器还分别与第一真空泵、第二真空泵、真空阀一、真空阀二、制热制冷装置、微波发生装置和驱动电机，控制器根据实验要求控制CCD相机、红外测温仪、质谱仪、第一真空泵、第二真空泵、真空阀一、真空阀二、制热制冷装置、微波发生装置和驱动电机工作。
9.一种真空环境下微波移动烧结月壤试验方法，采用权利要求8所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验装置，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在载物平台上铺设模拟月壤；
S2、启动真空环境构建系统，对真空舱体内抽真空，使真空舱体内的真空度达到预设真空度；
S3、启动温度构建系统，使模拟月壤的温度达到设定温度；
S4、烧结试验及多元信息监测：
控制器设置微波功率和频率，并启动微波发生与聚焦辐射模块；控制器设置微波聚焦辐射器与模拟月壤表面之间的距离和角度，并启动智能机械手臂模块；控制器启动红外测温仪、CCD相机和质谱仪；
智能机械手臂带动微波聚焦辐射器开始规划路径下的微波烧结，同时，红外测温仪、CCD相机和质谱仪分别采集烧结过程中模拟月壤的分布式温度场、表面实时状态和挥发分信息，并发送给控制器；
S5、烧结试验结束后，启动烧结效果原位评价模块：
控制器控制驱动电机工作，驱动电机驱动压力传导杆由舱外向舱内移动，使载荷平板向模拟月壤施加载荷；同时，压力传感器采集施加在模拟月壤上的压力发送给控制器，位移传感器采集载荷平板的位移发送给控制器，并在上位机上形成载荷-位移曲线，以进行烧结效果原位评价。
10.根据权利要求9所述的真空环境下微波移动烧结月壤试验方法，其特征在于，所述步骤S5中，进行烧结效果原位评价的具体过程如下：
(1)根据载荷-位移曲线得到模拟月壤的承载力与变形模量：
(1.1)取载荷-位移曲线直线段的界限点作为模拟月壤的承载力；
(1.2)所述变形模量按照如下公式计算：
式中，E为模拟月壤的变形模量，p为载荷-位移曲线上对应于位移s值的载荷值，b为载荷平板的边长，ν为模拟月壤的泊松比，I为载荷平板形状系数；
(2)通过对比烧结前后模拟月壤的承载力与变形模量的变化，评价烧结效果，烧结效果的评价标准为：
烧结效果差：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力与变形模量的增幅均小于30％；
烧结效果中：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力与变形模量中至少一个参数的增幅大于等于30％且小于等于60％；
烧结效果良：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力或变形模量的增幅大于60％；
烧结效果优：与烧结前相比，烧结后模拟月壤的承载力和变形模量的增幅均大于60％。
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