模擬月壤真空試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法

張濤，安迎和，丁希侖

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191)

作為“繞、落、回”規(guī)劃的第3步，我國探月工程三期的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)無人自動采樣返回［1］.然而月球環(huán)境極其苛刻，近月空間和月表環(huán)境中的大氣密度只有地球上的1/1012，屬于超高真空環(huán)境［2］.為保證安全采樣返回，需在地面模擬月球表面的真空熱環(huán)境進(jìn)行測試試驗(yàn)［3］.但月表的超高真空在地球上幾乎無法達(dá)到，因此只能夠模擬一個相對較低的真空環(huán)境開展試驗(yàn).

美國在世界范圍內(nèi)最先開展登月采樣，但其采用人工采樣的方式，直接將采集的樣品帶回地球研究分析.美國國家航天局(NASA)研究者Wechsler和Glaser的研究表明:當(dāng)周圍氣壓低于1Pa時，粉末狀玄武巖的熱交換不受顆粒間殘余氣體的影響［4］.美國 University of California的研究者Tien和Nayak對Apollo系列月壤樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測量，結(jié)果表明:當(dāng)氣壓低于10 Pa時，隨著氣壓的降低，月壤的熱導(dǎo)率變化很小;當(dāng)氣壓接近1 Pa時，隨著氣壓降低，月壤的熱導(dǎo)率基本上不再變化［5］.為了等效月表的氣壓條件，地面試驗(yàn)環(huán)境必須保證氣壓低于1Pa［6］.

世界各國制作了大量的模擬月壤，用以模擬真實(shí)月壤的力學(xué)、熱學(xué)特性［7］，開展探月前期研究工作［8］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)最早開展鉆采模擬月壤月巖的相關(guān)研究，近些年來發(fā)表了大量研究成果:晏然對真空鉆采進(jìn)行了有限元仿真分析［9］;侯佑松在常壓下，對模擬月壤進(jìn)行了低溫(－30℃)鉆采試驗(yàn)，有效鉆進(jìn)行程 350mm［10］;崔金生等研究了鉆具在真空度1.0×101～1.0×102Pa環(huán)境中的溫升情況［11］;史曉萌等設(shè)計(jì)了一套鉆取采樣測試裝置，在常溫常壓下對模擬月壤、模擬月巖綜合取樣進(jìn)行了測試［3，12］.中國地質(zhì)大學(xué)石浩等將鉆進(jìn)過程的熱場分布模型視為穩(wěn)態(tài)單層圓柱體導(dǎo)熱模型，常壓下研究了鉆進(jìn)過程的生熱情況［13］.

模擬月壤因其特殊性(一般采用經(jīng)雷蒙磨粉碎的玄武巖火山渣)［14］，粉末狀顆粒對真空泵葉片損害較大，因此就如何制造真空條件下的模擬月壤、模擬月表月壤的鉆采真空環(huán)境，國內(nèi)外尚缺乏相關(guān)的文獻(xiàn).

本文設(shè)計(jì)了一套模擬月壤真空試驗(yàn)裝置，研究了模擬月壤的不同物理參數(shù)對其所能夠達(dá)到的真空度的影響.

1 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)月面環(huán)境實(shí)際情況，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)指標(biāo)如下:

1)空載真空度:空載(不含模擬月壤)情況下，裝置真空度可達(dá) 1.0 ×10－1Pa.

2)密實(shí)度:能夠?qū)δM月壤進(jìn)行壓實(shí)，密實(shí)度不低于 1.9 g/cm3.

3)含水量:能夠?qū)δM月壤進(jìn)行烘干，烘干后含水量不高于0.1%.

4)溫度:能夠?qū)δM月壤進(jìn)行150℃加熱.

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置主體部分為真空環(huán)境模擬器，對模擬月壤進(jìn)行抽真空試驗(yàn)，制取真空條件下的模擬月壤;此外，還包括模擬月壤干燥、壓實(shí)與加熱設(shè)備，分別用于對模擬月壤進(jìn)行干燥除水、振動壓實(shí)與加熱升溫.

真空環(huán)境模擬器包含真空泵、真空計(jì)與月壤筒及其他相關(guān)配件，圖1為試驗(yàn)裝置實(shí)物圖.

圖1 真空環(huán)境模擬器Fig.1 Vacuum environment simulator

月壤筒內(nèi)徑308mm，高度200mm，304不銹鋼材料，密封采用能夠耐受高溫并容忍粉塵的氟橡膠.裝置使用800目的不銹鋼網(wǎng)過濾粉塵，避免對泵造成損壞.月壤筒頂部、底部和側(cè)壁各有一個抽氣口，可連接真空泵或真空計(jì)測頭.試驗(yàn)過程中采用適合于粗低真空的測量的電阻真空計(jì)記錄月壤筒內(nèi)真空度的變化情況，真空計(jì)測量范圍1.0×105～1.0 ×10－1Pa.

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)空載(不含模擬月壤)真空度可達(dá)1.0×10－1Pa的要求，裝置選用旋片式機(jī)械泵，其極限壓力可達(dá)6.0×10－2Pa，根據(jù)真空設(shè)計(jì)手冊［15］，計(jì)算泵需要的抽速.

月壤筒內(nèi)表面積為

式中:d為月壤筒內(nèi)徑;h為月壤筒內(nèi)部高度.

真空腔體總出氣率為

式中:q為304不銹鋼出氣率，1h之后出氣率約為2.3 ×10－5Pa·L/(s·cm2).

因?yàn)槭堑驼婵諣顟B(tài)，相比月壤筒的出氣率，漏率忽略不計(jì)，則抽速為

式中:真空室壓 p=1.0 ×10－1Pa.計(jì)算得 v=0.8 L/s.

考慮安全系數(shù)1.5和管道的流導(dǎo)損失(一般泵的有效抽速是泵的額定抽速的1/3左右)，最終選取抽速為4L/s的旋片式機(jī)械泵.試驗(yàn)表明，在密封空載情況下，使用4 L/s真空泵，裝置15min可達(dá)1.0×10－1Pa真空度.試驗(yàn)考慮粉末狀模擬月壤出氣率高，同時選用一臺抽速15 L/s的旋片式機(jī)械泵用于研究抽氣速度對模擬月壤真空度的影響.

高密實(shí)度模擬月壤采用振動電機(jī)振實(shí)，振動電機(jī)下端帶圓形不銹鋼托盤，不銹鋼托盤為直徑300mm、厚度20mm的不銹鋼板.振動電機(jī)振動力2.5 kN，振頻50Hz，額定功率 0.22 kW，振動體質(zhì)量14 kg.壓實(shí)策略采用分層方法，測得壓實(shí)情況下模擬月壤密度為1.90 g/cm3.振動器的實(shí)物如圖2所示.

圖2 振動器實(shí)物Fig.2 Vibrator entity

采用電熱鼓風(fēng)干燥箱對模擬月壤進(jìn)行干燥，120℃環(huán)境中烘干16 h，測得模擬月壤的含水量低于 0.1%.

采用加熱帶對月壤筒外壁包裹加熱，開啟真空泵抽氣時開啟加熱帶，每隔5min調(diào)高30℃，30min后調(diào)節(jié)到最高溫度150℃，隨后保持加熱帶的加熱狀態(tài)直到試驗(yàn)結(jié)束.

2 試驗(yàn)測試方法

模擬月壤由顆粒狀粉末組成，在真空抽氣的過程中，內(nèi)部的氣體分子流動急劇，從而對模擬月壤的密實(shí)度造成影響.試驗(yàn)分別從月壤筒頂部、底部對模擬月壤進(jìn)行真空抽氣，研究抽氣方式對模擬月壤密實(shí)度的影響.

影響模擬月壤極限真空度的因素有:樣品量、密實(shí)度、溫度、泵抽速、含水量.通過設(shè)計(jì)對照組試驗(yàn)，研究每一個因素對樣品極限真空度的影響.

試驗(yàn)完整的流程如圖3所示.

圖3 試驗(yàn)流程Fig.3 Test flowchart

試驗(yàn)流程分為如下步驟:

1)準(zhǔn)備工作:清掃月壤筒，用紗布蘸酒精將月壤筒內(nèi)的粉塵清除干凈，并擦洗所有密封口，往月壤筒底部鋪4層直徑308mm、800目的不銹鋼過濾網(wǎng).連接真空計(jì)電源，對真空計(jì)進(jìn)行零位校正.

2)裝填模擬月壤(模擬月壤由北京衛(wèi)星制造廠提供):根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)所需樣品的多少裝填模擬月壤，如需要對模擬月壤進(jìn)行壓實(shí)，則每次填入40mm高度樣品，利用振動裝置振動壓實(shí)，直至填充至所需樣品量;如不需壓實(shí)，則填充松散樣品至所需量.

3)對模擬月壤樣品干燥除水:如需要對樣品進(jìn)行烘干，將裝填好樣品的月壤筒整體放入120℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中干燥16 h后取出.

4)真空抽氣與數(shù)據(jù)記錄:開啟真空泵抽氣，如需對樣品在抽氣過程中加熱，則開啟加熱帶加熱，每隔5min記錄一個真空計(jì)顯示真空度數(shù)據(jù).

5)試驗(yàn)結(jié)束:真空度基本維持不變超過30min，則認(rèn)為已達(dá)到恒壓狀態(tài)，關(guān)機(jī)結(jié)束試驗(yàn).

3 模擬月壤真空試驗(yàn)研究

3.1 抽氣方式對樣品密實(shí)度的影響

月球表層月壤一般處于高密實(shí)度狀態(tài)，試驗(yàn)通過振動裝置實(shí)現(xiàn)模擬月壤的高密實(shí)度.抽真空的過程中，由于氣體分子的流動對樣品的密實(shí)度產(chǎn)生影響.月壤筒分別設(shè)計(jì)了頂部和底部的抽氣口，用于探究從不同方位抽氣對樣品密實(shí)度的影響.

壓實(shí)的模擬月壤初始狀態(tài)如圖4所示.

圖4 壓實(shí)后的月壤表面狀態(tài)Fig.4 Surface condition of lunar soil after compaction

從底部抽氣和從頂部抽氣后模擬月壤狀態(tài)分別如圖5、圖6所示，從圖中可以明顯地看出從月壤筒底部抽氣后的樣品四周形成空隙供氣流通過，樣品能夠很好地維持密實(shí)度;從月壤筒頂部抽氣后的樣品側(cè)壁無空隙，樣品表面松動成塊狀，抽氣過程中造成揚(yáng)塵，抽氣結(jié)束后散落在樣品表面.因此，從月壤筒底部抽氣，樣品上方和內(nèi)部的氣體分子通過樣品被真空泵抽走，樣品能夠很好地保持密實(shí)度，是對模擬月壤比較理想的抽真空方式.

圖5 從月壤筒底部抽氣后樣品狀態(tài)Fig.5 Sample condition after pumping from bottom of vehicle

圖6 從月壤筒頂部抽氣后樣品狀態(tài)Fig.6 Sample condition after pumping from top of vehicle

3.2 影響樣品極限真空度的因素分析

影響模擬月壤樣品極限真空度的因素有:樣品量、抽速、溫度、含水量和密實(shí)度.可以通過試驗(yàn)對比(見表1)，研究這些因素對模擬月壤極限真空度的影響.

列出了7組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)列出了試驗(yàn)條件和樣品的極限真空度，均采用從月壤筒底部抽氣的方式，真空計(jì)測量位置為月壤筒的頂部.

表1 試驗(yàn)對比分析Table 1 Test contrast analysis

3.2.1 溫度對真空度的影響

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2模擬月壤均為壓實(shí)狀態(tài)，真空泵抽速15L/s，樣品在月壤筒內(nèi)高度190mm，均未烘干，試驗(yàn)2開始抽真空過程中使用加熱帶對樣品加熱.

試驗(yàn)過程中月壤筒內(nèi)真空度的變化如圖7所示，從圖中可以看出，2組試驗(yàn)的極限真空度基本相當(dāng).因此，抽真空過程中對樣品進(jìn)行150℃的加熱，不影響樣品所能夠達(dá)到的極限真空度.

圖7 溫度對真空度的影響Fig.7 Vacuum degree influenced by temperature

3.2.2 抽速對真空度的影響

試驗(yàn)3和試驗(yàn)4模擬月壤均為松散狀態(tài)裝填，樣品在月壤筒內(nèi)高度80mm，均未烘干，均未在抽氣過程中加熱，試驗(yàn)3真空泵抽速15 L/s，試驗(yàn)4真空泵抽速19 L/s.

試驗(yàn)過程中月壤筒內(nèi)的真空度變化如圖8所示，從圖中可以看出，雖然試驗(yàn)4比試驗(yàn)3的抽速只大4 L/s，試驗(yàn)4的極限真空度比試驗(yàn)3的極限真空度高出一個數(shù)量級，因此抽速對樣品能夠達(dá)到的極限真空度極為關(guān)鍵，為達(dá)到更高真空度可考慮進(jìn)一步加大真空泵抽速.

圖8 抽速對真空度的影響Fig.8 Vacuum degree influenced by pumping velocity

3.2.3 樣品量對真空度的影響

試驗(yàn)5和試驗(yàn)6模擬月壤均為松散狀態(tài)裝填、烘干，抽速19 L/s，抽氣過程中不加熱，月壤筒內(nèi)的樣品高度在試驗(yàn)5和試驗(yàn)6中分別為80mm和190mm.

試驗(yàn)過程中月壤筒內(nèi)的真空度變化如圖9所示，從圖中可以看出，2組試驗(yàn)最后的極限真空度基本一樣，因此模擬月壤樣品量的多少，不影響抽真空的極限真空度.

圖9 樣品量對真空度的影響Fig.9 Vacuum degree influenced by sample volume

3.2.4 含水量對真空度的影響

試驗(yàn)4和試驗(yàn)5模擬月壤樣品在月壤筒內(nèi)的高度均為80mm，抽速19L/s，抽氣過程中不加熱，試驗(yàn)4樣品不烘干，試驗(yàn)5樣品烘干.

試驗(yàn)過程中月壤筒內(nèi)的真空度變化如圖10所示，從圖中可以看出，2組試驗(yàn)最后的極限真空度烘干組稍低(低87Pa).未烘干的樣品可能含有水汽，對空氣分子有一定的黏滯性，導(dǎo)致真空度偏低，因此對樣品進(jìn)行干燥后抽氣必須考慮干燥造成的影響.

圖10 含水量對真空度的影響Fig.10 Vacuum degree influenced by water content

3.2.5 密實(shí)度對真空度的影響

試驗(yàn)6和試驗(yàn)7模擬月壤樣品在月壤筒內(nèi)的高度均為190mm，抽速19 L/s，抽氣過程中不加熱，樣品均烘干，試驗(yàn)6采用松散樣品，試驗(yàn)7采用壓實(shí)樣品.

圖11 密實(shí)度對真空度的影響Fig.11 Vacuum degree influenced by density

試驗(yàn)過程中月壤筒內(nèi)的真空度變化如圖11所示，從圖中可以看出，2組試驗(yàn)最后的極限真空度壓實(shí)樣品稍低(低75Pa).壓實(shí)的樣品內(nèi)部含有更少的空氣分子，因此導(dǎo)致壓實(shí)的樣品能夠具有更高的極限真空度.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并搭建了一套模擬月壤真空試驗(yàn)系統(tǒng)，對模擬月壤的真空實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行的試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論:

1)從月壤筒底部抽氣是保證樣品密實(shí)度的合理抽氣方式.

2)泵的抽速是影響模擬月壤樣品極限真空度的關(guān)鍵因素;抽氣過程中對樣品進(jìn)行加熱、樣品量對極限真空度無影響;烘干對極限真空度稍有降低;壓實(shí)對極限真空度稍有提高.

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