月壤微定量采樣器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)驗(yàn)證

張志恒，唐鈞躍，張偉偉，孫 鳳，李 鵬，王 儲(chǔ)，劉子恒，賀懷宇，劉冉冉，馬如奇，姜生元

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宇航空間機(jī)構(gòu)及控制研究中心，哈爾濱 150001；2. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；3. 燕山大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，秦皇島 066004；4. 北京飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；5. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所，北京 100029；6. 中國(guó)科學(xué)院 大氣物理研究所，北京 100029）

引 言

月壤中包含多種揮發(fā)分成分，主要有H2、CO2、N2、CH4、H2O和稀有氣體等低沸點(diǎn)的單質(zhì)和化合物[1-4]。這些揮發(fā)分的含量和分布情況不僅可以揭示月球的形成和演化過(guò)程，還是未來(lái)月球科研站重要的可利用資源[5-8]。為保證科學(xué)儀器對(duì)揮發(fā)分測(cè)量與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，防止在采樣返回過(guò)程中因盛樣容器溫度和壓力的變化及沖擊振動(dòng)的影響導(dǎo)致?lián)]發(fā)分丟失和改變，揮發(fā)分的制備和分析必須保證原位測(cè)量[9-12]。同時(shí)，科學(xué)分析儀器的測(cè)量精度要高，常規(guī)的克級(jí)月壤樣品含有的揮發(fā)分含量過(guò)高，不利于原位測(cè)定精度的保證[13-15]，對(duì)月壤樣品的質(zhì)量需求通常100 mg量級(jí)，且月壤樣品的粒徑要求小于100 μm，以保證月壤中的揮發(fā)分均可以充分逸出，因此對(duì)月壤采樣提出了采樣量少和粒徑篩分的要求。此外，為確定月壤中各揮發(fā)分的含量，需要對(duì)月壤樣本定量采集，對(duì)采樣的樣本質(zhì)量精度提出了要求。綜上，用于科學(xué)分析的月壤樣品采集技術(shù)不僅需要所采樣品有較高的質(zhì)量精度，采集的月壤量非常少，還需克服采樣時(shí)所處的真空低溫月面環(huán)境，是一項(xiàng)富有意義且難度較大的關(guān)鍵技術(shù)。

已有多次探測(cè)任務(wù)對(duì)不同星球的星壤揮發(fā)分進(jìn)行了測(cè)量。其中，包括“羅塞塔號(hào)”（Rosetta）采用的鉆進(jìn)取芯方式，完成了對(duì)彗星的采樣[16]，該采樣方法無(wú)法準(zhǔn)確地控制采樣量及粒徑分布。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）對(duì)火星開展的多次探測(cè)中也對(duì)火星樣本進(jìn)行了采樣分析，在“鳳凰號(hào)”（Phoenix）火星的探測(cè)任務(wù)中，采用表鏟的方式獲取了火星表面的星壤樣本，這種方式不僅無(wú)法完成樣本的定量，且在采樣的過(guò)程中樣本粒徑、樣本體積等方面存在不確定性；“好奇號(hào)”（Curiosity）對(duì)火星開展的探測(cè)中所采用的方法為鉆桿進(jìn)樣，增加一個(gè)具有樣本篩分和定量功能的樣本處理單元，通過(guò)調(diào)整樣本處理單元的姿態(tài)角度完成篩分和定量[17]，該方法可有效解決定量和定粒徑的問(wèn)題，但付出的資源代價(jià)巨大、效率較低，且管路通道較長(zhǎng)，存在樣品被污染的風(fēng)險(xiǎn)。美國(guó)將于近幾年發(fā)射揮發(fā)性物質(zhì)調(diào)查極地探測(cè)（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）月球車用于探測(cè)水冰物質(zhì)[18]，其采樣方式為通過(guò)鉆具上的螺旋翼將月壤轉(zhuǎn)移至月面，通過(guò)毛刷與螺旋翼之間類似蝸輪蝸桿的嚙合傳動(dòng)將螺旋翼內(nèi)月壤掃入落料槽道內(nèi)，這種方式較新穎，但仍無(wú)法控制采樣量和粒徑。綜上所述，當(dāng)前已有的采樣方案無(wú)法高精度控制樣本的采樣量，無(wú)法滿足精度較高的科學(xué)分析需求。

采集到月壤后還需將其加熱至一定溫度，使月壤內(nèi)部的揮發(fā)分熱解后充分逸出，不同成分的揮發(fā)分其相變點(diǎn)也不盡相同。國(guó)外的深空探測(cè)任務(wù)中，對(duì)星壤的加熱方式均采用電阻爐加熱，通過(guò)在耐高溫的爐子內(nèi)部纏繞電阻率較高且耐高溫的金屬絲，通電后將爐壁加熱并傳導(dǎo)至星壤，將星壤加熱至目標(biāo)溫度，獲取星壤的揮發(fā)分[19-20]。這種通過(guò)熱傳導(dǎo)加熱星壤的方式不僅功率需求較高、資源消耗大，還無(wú)法快速加熱星壤，時(shí)間代價(jià)也較大。

本文設(shè)計(jì)了一種以多孔柵格為主體構(gòu)型，旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)耦合的一種月壤微定量采樣器，解決對(duì)月壤采集時(shí)的微量定量需求。同時(shí)，以感應(yīng)加熱的方式將采樣片加熱，繼而通過(guò)熱傳導(dǎo)將采樣片內(nèi)部的月壤加熱，獲取其中的揮發(fā)分，可高效、快速地完成揮發(fā)分的提取工作。

1 月面原位探測(cè)的需求分析

為進(jìn)一步提高人類對(duì)月球的認(rèn)識(shí)，中國(guó)計(jì)劃在近幾年發(fā)射探測(cè)器前往月球極區(qū)測(cè)量多種揮發(fā)分的含量及分布，這對(duì)人類重新認(rèn)識(shí)月球的演化規(guī)律有著重要的意義。多國(guó)的環(huán)月探測(cè)結(jié)果顯示，由于月球極區(qū)常年處于極低溫狀態(tài)，有水分子以月壤水冰的形式賦存于極區(qū)淺層范圍內(nèi)，對(duì)這些資源的原位探測(cè)將為月球資源開發(fā)奠定基礎(chǔ)。揮發(fā)分探測(cè)器通過(guò)機(jī)械臂采取微量月壤樣本后置于加熱爐內(nèi)，分梯度逐步將月壤加熱至1 000 ℃，獲取不同沸點(diǎn)的揮發(fā)分。揮發(fā)分探測(cè)器上主要包含剖面鉆及采樣管、揮發(fā)分制備艙和揮發(fā)分測(cè)量艙，分別完成月壤采樣、揮發(fā)分制備與分析，如圖1所示，剖面鉆和采樣管安裝于機(jī)械臂末端，揮發(fā)分制備艙安裝于艙壁外側(cè)，揮發(fā)分測(cè)量艙安裝于艙內(nèi)。

圖1 揮發(fā)分探測(cè)器組成及布局示意圖Fig. 1 Diagram of composition and layout of volatile detector

微量定量采樣器在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮月面環(huán)境對(duì)采樣造成的影響，要符合月球極區(qū)采樣的環(huán)境要求，月球極區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)和對(duì)采樣的影響如表1所示。綜上所述，在月球極區(qū)采樣時(shí)需要考慮較復(fù)雜的工況及采樣器對(duì)極低溫的適應(yīng)性等，對(duì)揮發(fā)分制備而言影響較小。根據(jù)工程任務(wù)的目的和實(shí)際作業(yè)的工況，揮發(fā)分探測(cè)器對(duì)采樣和揮發(fā)分制備的性能要求如表2所示。

表1 月球極區(qū)環(huán)境特點(diǎn)及對(duì)采樣和揮發(fā)分制備的影響Table 1 Lunar polar environment and its influence on sampling and volatile fraction preparation

表2 揮發(fā)分探測(cè)器的性能要求Table 2 Performance requirements for volatile detector

2 微定量采樣器設(shè)計(jì)

2.1 采樣器系統(tǒng)組成

微定量采樣器由采樣管和安裝于采樣管內(nèi)部的采樣片組成，和剖面鉆一起與機(jī)械臂相連，由驅(qū)動(dòng)組件提供回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂提供進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，其組成如圖2所示，主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖2 采樣器采樣原理Fig. 2 Sampler sampling principle

表3 微量采樣器結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 3 Parameters of micro sampler

采樣管的設(shè)計(jì)方案如圖3所示，采樣片以堆棧的形式順次置于采樣管內(nèi)部，在最左側(cè)的采樣片前端設(shè)計(jì)有推送滑塊，推送滑塊外徑兩側(cè)連接有驅(qū)動(dòng)繩，驅(qū)動(dòng)繩另一端繞過(guò)采樣管右端壁孔后，再向左側(cè)連接到纏線卷盤上，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)纏線卷盤回轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)繩受拉，推送滑塊在驅(qū)動(dòng)繩拖拽下可將內(nèi)部的采樣片向外推出，將裝有月壤樣本的采樣片轉(zhuǎn)移到月壤加熱單元中。驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)可帶動(dòng)采樣管轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)在單向機(jī)構(gòu)作用下，纏線轉(zhuǎn)盤不產(chǎn)生回轉(zhuǎn)動(dòng)作，在確保樣品擾動(dòng)溫升的前提下，利用機(jī)械臂及自身驅(qū)動(dòng)組件實(shí)現(xiàn)采樣器的多次往復(fù)旋壓式樣本定質(zhì)定量采集，以此實(shí)現(xiàn)剖面點(diǎn)位采樣、毫克級(jí)定質(zhì)定量、低擾動(dòng)3個(gè)先進(jìn)性目標(biāo)。微定量采樣器整體設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。

圖3 采樣管工作原理圖Fig. 3 Working principle diagram of sampling tube

表4 采樣管參數(shù)表Table 4 Sample tube parameter

2.2 采樣器采樣原理

繩驅(qū)推送式末端采樣管中預(yù)裝了若干采樣片，采樣片由多層基體、強(qiáng)制骨架和三維編制工藝形成的微孔型柵格內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成，多層基體可提高采樣片的強(qiáng)度，強(qiáng)制骨架在采樣片旋壓取樣時(shí)將大顆粒月壤掃除，孔徑沿軸向從下往上逐漸遞增，采樣片可進(jìn)行定密實(shí)度、定孔隙率、定體積的精準(zhǔn)采樣，圖4為采樣片的結(jié)構(gòu)及采樣原理。

圖4 采樣片組成及采樣原理Fig. 4 Composition and sampling principle of sampling slice

1）鑒于月壤最大粒徑受進(jìn)樣孔尺寸約束，即進(jìn)樣月壤粒徑≤ds，即實(shí)現(xiàn)月壤顆粒的粒徑篩選功能，如圖4（a）所示；

2）鑒于采樣容腔內(nèi)部體積為定值，隨著月壤顆粒的逐漸填充，容腔內(nèi)的月壤顆粒逐漸擠密，顆粒體積將趨于定值Vs，即實(shí)現(xiàn)月壤采樣的定容積功能；

3）容腔內(nèi)月壤的體積趨于定值后，其整體密實(shí)度也將趨于定值，即月壤顆粒的質(zhì)量將趨于定值ms，即實(shí)現(xiàn)月壤采樣的定密實(shí)度和定質(zhì)量。

2.3 微定量采樣片構(gòu)型設(shè)計(jì)

根據(jù)科學(xué)儀器對(duì)月壤的采樣需求，月壤的物理及力學(xué)性能，設(shè)計(jì)一種通過(guò)旋壓動(dòng)作完成月壤顆粒收集的采樣片。微定量采樣片的結(jié)構(gòu)如圖5所示，月壤顆粒通過(guò)采樣底座上的微孔進(jìn)入采樣腔內(nèi)，頂蓋將采樣片封閉，與采樣底座配合形成采樣腔體。

圖5 采樣片結(jié)構(gòu)參數(shù)定義Fig. 5 Definition of sampling slice structure parameters

由于采樣片需要兼具采樣和被加熱兩種功能，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候需要綜合考慮這兩方面的因素，鑒于磁場(chǎng)的空間分布和采樣時(shí)旋轉(zhuǎn)軸附近的線速度較低，將采樣片設(shè)計(jì)成圓環(huán)型的空腔結(jié)構(gòu)。參考文獻(xiàn)[20]，月壤密度范圍1.6 ～ 1.9 g/cm3，在此選定1.8 g/cm3計(jì)算?？紤]定量采樣要求結(jié)合剖面鉆外徑限制，在此將采樣片外徑Da= 12 mm，內(nèi)徑da= 6 mm，高度H= 3 mm；同時(shí)為兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，采樣片的封裝物厚度sp=0.5 mm。根據(jù)采樣需求和輕量化設(shè)計(jì)要求，采樣片的結(jié)構(gòu)參數(shù)匯總于表5。

表5 采樣片結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 5 Sampling slice structure parameters

3 微定量采樣及加熱性能驗(yàn)證

3.1 采樣性能驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證采樣片可以對(duì)不同采樣工況具備定量采樣性能，針對(duì)不同含水率的月壤樣品開展了采樣試驗(yàn)，采樣性能測(cè)試平臺(tái)如圖6所示。采樣片安裝于連接柄的一端，另一端與夾頭固連，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)上方的進(jìn)給電機(jī)通過(guò)鏈條帶動(dòng)平臺(tái)上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)采樣片的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。月壤桶外壁為空心結(jié)構(gòu)，倒入液氮后可使月壤保持低溫狀態(tài)。

圖6 采樣性能測(cè)試平臺(tái)Fig. 6 Testing platform of sampling performance

試驗(yàn)中所用樣本的溫度–180℃，密度ρ= 1.8 g/cm3，含水率分別為0、1 、2 、5 wt%。選定采樣片的回轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度分別為60 r/min和5 mm/min。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，采樣目標(biāo)80 ± 5 mg，在圖7中淺紅色區(qū)域內(nèi)。

圖7 不同含水率下月壤采樣量隨時(shí)間變化關(guān)系Fig. 7 Relationship between sampling amount and time of different soil moisture contents

從圖7中可以看出，隨著采樣時(shí)間增加，采樣量逐漸上升，在60 s時(shí)采樣速率大幅下降，120 s左右達(dá)到最大采樣量；在月壤含水率0～5 wt%的范圍內(nèi)，月壤含水率增加，采樣量減少，這是由于含水率增加使得粘結(jié)的月壤顆粒增多，顆粒團(tuán)的粒徑增大，對(duì)月壤進(jìn)入采樣片造成一定的影響。

3.2 感應(yīng)加熱性能仿真及驗(yàn)證試驗(yàn)

1）感應(yīng)加熱性能仿真

對(duì)采樣片被感應(yīng)加熱的過(guò)程進(jìn)行了多物理場(chǎng)仿真，探究其升溫速率。根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)設(shè)定仿真中所需材料參數(shù)，如表6所示。線圈功率設(shè)定85 W。

表6 加熱仿真所需參數(shù)表Table 6 Parameters of simulations of heating sampler

感應(yīng)加熱時(shí)采樣片周圍的交變磁場(chǎng)分布如圖8所示。采樣片所處位置為磁感應(yīng)強(qiáng)度的最大區(qū)域，利于在采樣片上產(chǎn)生渦流以將其加熱。

圖8 加熱時(shí)磁場(chǎng)分布圖Fig. 8 Magnetic field distribution during heating process

加熱180 s后采樣片的溫度達(dá)到1 000 ℃以上，溫度分布如圖9所示，可以看出，采樣片的溫度均勻性較好，溫度極差在5 ℃以內(nèi)。

圖9 加熱180 s后采樣片溫度分布Fig. 9 Temperature distribution of heated sampler after 180 s

加熱過(guò)程中采樣片的升溫曲線如圖10所示。升溫速率在剛開始加熱時(shí)較快，隨后逐漸放緩。

圖10 仿真的加熱過(guò)程中采樣片溫度變化Fig. 10 Simulations of heating temperature of sampler

2）加熱驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證真空條件下采樣片內(nèi)月壤的加熱效率，以感應(yīng)加熱的方式，開展真空環(huán)境下的微定量采樣片加熱性能驗(yàn)證試驗(yàn)，選用居里點(diǎn)950 ℃的鐵鈷合金作為采樣片的材料。將感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)于爐體外部，采樣片被加熱時(shí)可以阻隔大量來(lái)自采樣片的熱輻射，防止感應(yīng)線圈溫度過(guò)高，提高線圈效率。感應(yīng)加熱性能試驗(yàn)在真空罐內(nèi)開展，主要儀器和設(shè)備包含真空罐、熱成像儀、感應(yīng)器、驅(qū)動(dòng)板、采樣片及加熱爐，如圖11所示。在加熱功率85 W的條件下，在150 s內(nèi)將采樣片從20 ℃加熱至1 035 ℃，變化曲線如圖12所示，加熱溫度迅速升高，之后升溫速率逐漸放緩，這是由于隨著溫度升高，熱輻射的損失越來(lái)越多，同時(shí)采樣片材料的相對(duì)磁導(dǎo)率隨溫度升高而降低，導(dǎo)致升溫速率逐漸放緩。該試驗(yàn)驗(yàn)證了通過(guò)將采樣片加熱，間接加熱月壤以制備揮發(fā)分的方案是可行的，同時(shí)，與加熱的仿真結(jié)果有較好的擬合度。

圖11 真空罐內(nèi)加熱試驗(yàn)Fig. 11 Vacuum heating tests

圖12 驗(yàn)證試驗(yàn)中采樣片加熱溫度變化曲線Fig. 12 Heating temperature changes of sampler during validation experiments

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種月壤微定量采樣器，根據(jù)任務(wù)研制需求，對(duì)采樣片與采樣管的布局方式和采樣片的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)低溫月壤，進(jìn)行了采樣試驗(yàn)和加熱性能試驗(yàn)。得到的結(jié)論如下：

1）驗(yàn)證了微定量采樣片對(duì)月壤采樣的可行性，月壤含水率越低，采樣片的實(shí)際采樣量越接近目標(biāo)值，后續(xù)需要進(jìn)一步優(yōu)化采樣片的構(gòu)型以增強(qiáng)其多工況適應(yīng)性；

2）采樣時(shí)月壤的含水率越低，采樣片達(dá)到飽和填充狀態(tài)的速率越快；

3）以感應(yīng)加熱的方式加熱采樣片可以達(dá)到揮發(fā)分制備的功能要求。

未來(lái)將會(huì)繼續(xù)聚焦于微量采樣的多工況適應(yīng)能力和采樣速率的提升，兼顧加熱方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低加熱所需功率，并從輕量化方向進(jìn)一步降低工程代價(jià)。