CN114671055B - 一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法，包括防尘组件，防尘组件包括温控盒，温控盒设置于真空室内部，温控盒的顶端具有可开闭的出入口；摩擦组件包括设置于温控盒内的滚轮，滚轮的外侧设有待测材料，滚轮安装于高度调节支架上，温控盒的底面开设有月尘槽，月尘槽内盛放有月尘模拟物；光照组件设置于真空室的顶端；等离子环境模拟组件包括气路，气路用于通入惰性气体，气路的输出端伸入至真空室内部，且气路的输出端设有阴极钨丝；表面电位测量组件包括静电电位计探头。本发明同时考虑光照、高低温度、等离子体环境等关键因素，模拟月表复杂空间环境中的摩擦充电效应，可评估月表环境对摩擦充电效应的影响。

Description

一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域，特别是涉及一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法。

背景技术

目前国内外的月尘环境地面模拟装置一般包括真空系统、月表高低温模拟系统、等离子体环境模拟系统、光照环境模拟系统及月尘布尘系统。国内外现有的月尘模拟设备主要有以下几种：

NASA Glenn研究中心月球环境模拟设备，模拟环境为月尘环境、真空，用于月尘环境效应模拟、月球风化层形成规律研究；NASA马歇尔空间飞行中心月球环境模拟设备，模拟环境为月尘及紫外、电子和质子的辐照环境，用于研究粉尘颗粒的带电、悬浮及移动和月面的辐射环境模拟；NASA约翰逊中心月尘磨损试验设备，模拟环境为月尘环境，包含风化岩层模拟滚动磨损试验设备，用于评价材料在月球环境尘埃环境中的磨损度和相关效应；NASA肯尼迪航天中心星球环境模拟设备，模拟环境为大气的温度、压力、成分、太阳及紫外辐照，用于各类航天器行星表面环境效应研究；美国科罗拉多大学材料-月尘-材料三体摩擦实验装置，模拟环境为月尘环境，大气压室温下，用于研究材料-月尘-材料摩擦产生材料磨损程度。

综上，现有的月尘环境地面模拟装置均不能模拟材料与月尘摩擦带电环境。

发明内容

本发明的目的是提供一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，包括：

真空室；

防尘组件，所述防尘组件包括温控盒，所述温控盒设置于所述真空室内部，所述温控盒的顶端具有可开闭的出入口；

摩擦组件，所述摩擦组件包括设置于所述温控盒内的滚轮，所述滚轮的外侧设有待测材料，所述滚轮安装于高度调节支架上，所述温控盒的底面开设有月尘槽，所述月尘槽内盛放有月尘模拟物，所述滚轮与所述月尘槽上下对应设置；

光照组件，所述光照组件设置于所述真空室的顶端，且所述光照组件与所述温控盒上下对应设置；

等离子环境模拟组件，所述等离子环境模拟组件包括气路，所述气路用于通入惰性气体，所述气路的输出端伸入至所述真空室内部，且所述气路的输出端设有阴极钨丝；

表面电位测量组件，所述表面电位测量组件包括静电电位计探头，所述静电电位计探头用于测量所述待测材料的表面电位。

优选的，所述真空室连通有抽气机组，所述真空室的侧壁设置有泵抽口，所述真空室与所述抽气机组通过所述泵抽口连通，所述泵抽口处安装有至少1个防尘罩。

优选的，所述温控盒内侧的底端布设有硅油管路，所述硅油管路用于控制所述温控盒内部的温度。

优选的，所述温控盒的出入口处可拆卸连接有防尘盖板，所述防尘盖板连接有盖板推拉杆，所述盖板推拉杆通过轴套与所述真空室的侧壁连接。

优选的，所述高度调节支架上设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与所述滚轮的中心固接。

优选的，所述光照组件包括嵌设于所述真空室顶端的光学窗口，所述光学窗口的顶端固定有紫外光源。

优选的，所述静电电位计探头固定于移动平台上，所述移动平台固定于所述真空室内部。

优选的，所述真空室的侧壁具有法兰，所述法兰穿设有高压接头，所述阴极钨丝通过所述高压接头电性连接有电源。

一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤A，实验前准备器材、检验设备；

步骤B，将所述月尘模拟物安置于所述月尘槽内，调节所述滚轮的高度，使所述待测材料与所述月尘模拟物接触，调节并记录所述静电电位计探头的定点位置；

步骤C，对设备供电，检查工作情况是否正常；

步骤D，开始抽真空作业，使真空度达到符合实验条件下的预定值；

步骤E，对所述月尘模拟物进行升温烘干，随后降温至实验条件温度；

步骤F，实验测试过程，使所述滚轮转动，并记录转动速度与时间，到达一定的转动圈数后停止转动，而后测量所述待测材料的电位并记录，改变所述滚轮的运行参数，重复上述步骤；

步骤G，实验结束后保存数据，取出所述待测材料。

优选的，所述步骤F中，需要考虑紫外光、等离子体、电子环境或多种综合环境影响时，选择开启所述光照组件、所述阴极钨丝或通入惰性气体中的任一项或多项。

本发明公开了以下技术效果：本装置同时考虑光照、高低温度、等离子体环境等关键因素，模拟月表复杂空间环境中的摩擦充电效应，可评估月表环境对摩擦充电效应的影响。具体包括以下几个方面：

(1)本装置设计了防尘组件，具备防尘功能，能够防止抽真空时月尘模拟物大量扬起，减少月尘模拟物的损耗，保护抽气机组。

(2)本装置中设置了待测材料与月尘模拟物摩擦的摩擦组件，用于模拟材料与月尘摩擦的物理情形。

(3)本装置中具有能够控制温度的温控盒，其中高温能够对月尘模拟物进行烘干，避免吸附在月尘模拟物表面的水分子影响月尘模拟物的电导率；对月尘模拟物进行高温烘干后，调整至低温，能够模拟月表低温环境，还原低温导致的月尘绝缘特性。

(4)本装置中设置了光照组件，能够对月尘模拟物及待测材料进行紫外照射，从而模拟月表光电效应对摩擦充电的影响，评估有、无光电效应时，待测材料与月尘模拟物摩擦充电电位差异，评估紫外光照射时间对摩擦充电电位的影响。

(5)本装置中设置了等离子环境模拟组件，能够模拟低能等离子体环境(太阳风)，评估低能等离子体环境对材料摩擦充电电位的影响，评估电子、离子能量对材料摩擦充电的影响。此外，不通入惰性气体时，等离子环境模拟组件将只产生电子，无正离子的电子环境可模拟月表环形山背阳面环境，从而评估该恶劣环境对材料与月尘摩擦充电电位的影响。

(6)本装置中设置了表面电位测量组件，可以实现表面电位的原位测量。

综上，本装置的建立能够为材料与月尘摩擦充电的地面模拟试验提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置的轴测图；

图3为本发明去除真空室的轴测图；

图4为本发明温控盒的轴测图；

图5为本发明摩擦组件的轴测图；

图6为本发明温控盒另一角度的轴测图；

其中，1为真空室，2为温控盒，3为防尘盖板，4为盖板推拉杆，5为滚轮，6为月尘槽，7为高度调节支架，8为紫外光源，9为光学窗口，10为防尘罩，11为泵抽口，12为阴极钨丝，13为气路，14为静电电位计探头。

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-6，本发明提供一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，包括月尘真空环境的获得、月表高低温环境的获得，月表光照条件的获得及材料与月尘摩擦带电环境的获得，其具体结构如下：

真空室1；

防尘组件，防尘组件包括温控盒2，温控盒2设置于真空室1内部，温控盒2的顶端具有可开闭的出入口；防尘组件能够防止抽真空时月尘大量扬起，减少月尘的损耗，并保护抽气机组；

摩擦组件，摩擦组件包括设置于温控盒2内的滚轮5，滚轮5的外侧设有待测材料，滚轮5安装于高度调节支架7上，高度调节支架7可为手动或电动，温控盒2的底面开设有月尘槽6，月尘槽6内盛放有月尘模拟物，滚轮5与月尘槽6上下对应设置；该组件用于模拟待测材料(月球车车轮)与月尘摩擦的物理情形，位置、转速可调。

光照组件，光照组件设置于真空室1的顶端，且光照组件与温控盒2上下对应设置；

等离子环境模拟组件，等离子环境模拟组件包括气路13，气路13用于通入惰性气体，气路13的输出端伸入至真空室1内部，且气路13的输出端设有阴极钨丝12；该组件能够模拟低能等离子体环境(太阳风)，真空室1通过气路13通入少量氩气或其他惰性气体，采用阴极钨丝12发射电子电离氩气模拟低能等离子体环境，评估低能等离子体环境对材料摩擦充电电位的影响，评估电子、离子能量对材料摩擦充电的影响。同时，该组件中平均电子温度范围约为20eV～90eV。平均电子温度高于50eV的电子轰击月尘模拟物能够产生明显的二次电子效应，因此，该组件能够评估二次电子效应对材料与月尘摩擦充电的影响。此外，不通入氩气时，该组件将只产生电子，无正离子的电子环境可模拟月表环形山背阳面环境，从而评估该恶劣环境对材料与月尘摩擦充电电位的影响。

表面电位测量组件，表面电位测量组件包括静电电位计探头14，静电电位计探头14用于测量待测材料的表面电位。该组件可以实现表面电位的原位测量，电位测量采用非接触式静电电位计，静电电位计探头14固定在移动平台上，当摩擦实验进行时，静电电位计探头14探头缩回至屏蔽盒子内，需要测量充电电位时，关闭紫外光源8、阴极钨丝12，将静电电位计探头14移动至待测材料表面，实现表面电位的测量，测量完成之后将静电电位计探头14移动至初始位置。

进一步优化方案，真空室1连通有抽气机组，真空室1的侧壁设置有泵抽口11，真空室1与抽气机组通过泵抽口11连通，泵抽口11处安装有至少1个防尘罩10。防尘罩10为安置于泵抽口11的异形结构，该结构使气流方向分散，限制气流大范围流动，此处可以设置1个、2个或2个以上的防尘罩10，防尘罩10形状可为平板形、栅网形、圆筒形、蜂窝形或以上几种形状的组合。

进一步优化方案，温控盒2内侧的底端布设有硅油管路，硅油管路用于控制温控盒2内部的温度，温控盒2的温度控制范围可为-200℃至+200℃。温控盒2为金属材质，通过硅油管路中的硅油实现温度控制功能。其中高温功能能够对月尘模拟物进行烘干，避免吸附在月尘表面的水分子影响月尘模拟物的电导率(吸附在颗粒表面的水分子将显著改变材料导电特性)；对月尘模拟物进行高温烘干后，调整至低温，能够模拟月表低温环境，还原低温导致的月尘绝缘特性。总之，温度控制功能能够对月球表面月尘电导率极低的特性进行还原，使材料与月尘摩擦充电实验数据与实际情况符合。

进一步优化方案，温控盒2的出入口处可拆卸连接有防尘盖板3，防尘盖板3连接有盖板推拉杆4，盖板推拉杆4通过轴套与真空室1的侧壁连接。盖板推拉杆4可控制防尘盖板3的开合，盖板推拉杆4与真空室1之间采用轴套密封方式连接，防尘盖3可为折叠式，防尘盖板3的开关可由电动控制。

进一步优化方案，高度调节支架7上设有驱动电机，驱动电机的输出轴与滚轮5的中心固接，驱动电机优选为步进电机，其控制滚轮5的转速、转动圈数等参数。

进一步优化方案，光照组件包括嵌设于真空室1顶端的光学窗口9，光学窗口9的顶端固定有紫外光源8，紫外光源8也可为全光谱的太阳模拟器。紫外光源8安置于摩擦组件正上方，通过光学窗口9对月尘槽6及待测材料进行紫外照射，从而模拟月表光电效应对摩擦充电的影响，评估有、无光电效应时，材料与月尘摩擦充电电位差异，评估紫外光照射时间对摩擦充电电位的影响。

进一步优化方案，静电电位计探头14固定于移动平台上，移动平台固定于真空室1内部。静电电位计探头14安置于移动平台上，测量时可将静电电位计探头14移至待测材料表面3mm位置。

进一步优化方案，真空室1的侧壁具有法兰，法兰穿设有高压接头，阴极钨丝12通过高压接头电性连接有电源。阴极钨丝12通过真空室1法兰上的高压接头连接电源，氩气或其他惰性气体通过流量计和气路13通入真空室1内。

一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验方法，包括以下步骤：

步骤A，实验前准备，检查循环水，真空室1和硅油管路、阀门，抽气机组、紫外光源8、冷热机等用电设备电路，及各传感器和探测器的信号线路；

步骤B，将月尘模拟物安置于月尘槽6内，调节滚轮5高度使待测材料与月尘模拟物接触，调节移动平台位置，记录静电电位计探头14定点位置；

步骤C，打开控制柜总电源开关，检查各检测仪器工作情况是否正常；

步骤D，盖上防尘盖板3，开始抽真空。待真空度达到10-4Pa时开始进行下一步实验环节；

步骤E，开启防尘盖板3，开启冷热机，使硅油升温至100℃，对月尘槽6内的月尘进行烘干30分钟左右；随后将硅油温度调节至实验条件温度(如-50℃)；

步骤F，实验测试过程，根据具体情况：

情况一：不考虑紫外光、等离子体、电子环境影响时，首先将静电电位计归零。开启驱动电机，记录转动速度与时间，到达一定圈数后使驱动电机停止转动。将静电电位计探头14移动至待测材料上方3mm处，测量材料电位并记录。改变驱动电机转速、转动圈数等参数，重复上述步骤。

情况二：考虑紫外光、等离子体、电子环境或多种综合环境影响时，首先将静电电位计归零。开启紫外光源8、等离子体源(开启阴极钨丝12电源并通入惰性气体)、电子环境(仅开启阴极钨丝12电源)或同时多种环境模拟装置，随后开启驱动电机，记录转动速度与时间，到达一定圈数后使驱动电机停止转动，并关闭以上环境模拟装置。将静电电位计探头14移动至待测材料上方3mm处，测量材料电位并记录。改变驱动电机转速、转动圈数等参数，重复上述步骤；

步骤G，实验结束后，保存数据，关闭冷热机，关闭泵组，半小时后关闭循环水，关闭控制柜各检测仪器和总电源，打开同期阀门，打开真空室1，取出待测材料。

本装置针对探月活动中各种航天材料与月尘摩擦充电导致材料摩擦充电的物理情景，建立月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置及方法，评估月尘摩擦导致的材料表面充电风险。本装置同时考虑光照、高低温度、等离子体环境等关键因素，模拟月表复杂空间环境中的摩擦充电效应，可评估月表环境对摩擦充电效应的影响。具体包括以下几个方面：

(1)本装置具有防尘功能，能够防止抽真空时月尘大量扬起，减少月尘的损耗，保护泵组。

(2)本装置中设置了材料与月尘摩擦的摩擦组件，用于模拟材料与月尘摩擦的物理情形，位置、转速可调。

(3)本装置中具有控制温度的温控盒2。其中高温能够对月尘模拟物样品进行烘干，避免吸附在月尘表面的水分子影响月尘模拟物的电导率(吸附在颗粒表面的水分子将显著改变材料导电特性)；对月尘模拟物进行高温烘干后，调整至低温，能够模拟月表低温环境，还原低温导致的月尘绝缘特性。总之，温度控制功能能够对月球表面月尘电导率极低的特性进行还原，使材料(如月球车车轮)与月尘摩擦充电实验数据与实际情况符合。

(4)本装置中设置了光照组件，能够对月尘模拟物及摩擦材料进行紫外照射，从而模拟月表光电效应对摩擦充电的影响，评估有、无光电效应时材料与月尘摩擦充电电位差异，评估紫外光照射时间对摩擦充电电位的影响。

(5)本装置中设置了等离子体环境模拟组件，能够模拟低能等离子体环境(太阳风)，评估低能等离子体环境对材料摩擦充电电位的影响，评估电子、离子能量对材料摩擦充电的影响。同时，该组件中平均电子温度范围约为20eV～90eV。平均电子温度高于50eV的电子轰击月尘模拟物能够产生明显的二次电子效应，因此，该组件能够评估二次电子效应对材料与月尘摩擦充电的影响。此外，不通入惰性气体时该组件将只产生电子，无正离子的电子环境可模拟月表环形山背阳面环境，从而评估该恶劣环境对材料与月尘摩擦充电电位的影响。

(6)本装置中设置了表面电位测量组件，可以实现表面电位的原位测量。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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，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。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于，包括：真空室(1)；

防尘组件，所述防尘组件包括温控盒(2)，所述温控盒(2)设置于所述真空室(1)内部，所述温控盒(2)的顶端具有可开闭的出入口；

摩擦组件，所述摩擦组件包括设置于所述温控盒(2)内的滚轮(5)，所述滚轮(5)的外侧设有待测材料，所述滚轮(5)安装于高度调节支架(7)上，所述温控盒(2)的底面开设有月尘槽(6)，所述月尘槽(6)内盛放有月尘模拟物，所述滚轮(5)与所述月尘槽(6)上下对应设置；

光照组件，所述光照组件设置于所述真空室(1)的顶端，且所述光照组件与所述温控盒(2)上下对应设置；

等离子环境模拟组件，所述等离子环境模拟组件包括气路(13)，所述气路(13)用于通入惰性气体，所述气路(13)的输出端伸入至所述真空室(1)内部，且所述气路(13)的输出端设有阴极钨丝(12)；所述气路(13)通入惰性气体时，产生低能等离子体环境，所述气路(13)不通入惰性气体时，产生无正离子的电子环境；

表面电位测量组件，所述表面电位测量组件包括静电电位计探头(14)，所述静电电位计探头(14)用于测量所述待测材料的表面电位。

2.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述真空室(1)连通有抽气机组，所述真空室(1)的侧壁设置有泵抽口(11)，所述真空室(1)与所述抽气机组通过所述泵抽口(11)连通，所述泵抽口(11)处安装有至少1个防尘罩(10)。

3.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述温控盒(2)内侧的底端布设有硅油管路，所述硅油管路用于控制所述温控盒(2)内部的温度。

4.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述温控盒(2)的出入口处可拆卸连接有防尘盖板(3)，所述防尘盖板(3)连接有盖板推拉杆(4)，所述盖板推拉杆(4)通过轴套与所述真空室(1)的侧壁连接。

5.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述高度调节支架(7)上设有驱动电机，所述驱动电机的输出轴与所述滚轮(5)的中心固接。

6.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述光照组件包括嵌设于所述真空室(1)顶端的光学窗口(9)，所述光学窗口(9)的顶端固定有紫外光源(8)。

7.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述静电电位计探头(14)固定于移动平台上，所述移动平台固定于所述真空室(1)内部。

8.根据权利要求1所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于：所述真空室(1)的侧壁具有法兰，所述法兰穿设有高压接头，所述阴极钨丝(12)通过所述高压接头电性连接有电源。

9.一种月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验方法，基于权利要求1-8任一项所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，实验前准备器材、检验设备；

步骤B，将所述月尘模拟物安置于所述月尘槽(6)内，调节所述滚轮(5)的高度，使所述待测材料与所述月尘模拟物接触，调节并记录所述静电电位计探头(14)的定点位置；

步骤C，对设备供电，检查工作情况是否正常；

步骤D，开始抽真空作业，使真空度达到符合实验条件下的预定值；

步骤E，对所述月尘模拟物进行升温烘干，随后降温至实验条件温度；

步骤F，实验测试过程，使所述滚轮(5)转动，并记录转动速度与时间，到达一定的转动圈数后停止转动，而后测量所述待测材料的电位并记录，改变所述滚轮(5)的运行参数，重复上述步骤；

步骤G，实验结束后保存数据，取出所述待测材料。

10.根据权利要求9所述的月面综合环境下摩擦带电的地面模拟实验方法，其特征在于：所述步骤F中，需要考虑紫外光、等离子体、电子环境或多种综合环境影响时，选择开启所述光照组件、所述阴极钨丝(12)或通入惰性气体中的任一项或多项。

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