模擬月壤真空試驗裝置設計及實現方法

張濤，安迎和，丁希侖

(北京航空航天大學 機械工程及自動化學院，北京 100191)

作為“繞、落、回”規劃的第3步，我國探月工程三期的主要目標是實現無人自動采樣返回［1］.然而月球環境極其苛刻，近月空間和月表環境中的大氣密度只有地球上的1/1012，屬于超高真空環境［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境進行測試試驗［3］.但月表的超高真空在地球上幾乎無法達到，因此只能夠模擬一個相對較低的真空環境開展試驗.

美國在世界范圍內最先開展登月采樣，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系列月壤樣品進行熱導率測量，結果表明:當氣壓低于10 Pa時，隨著氣壓的降低，月壤的熱導率變化很小;當氣壓接近1 Pa時，隨著氣壓降低，月壤的熱導率基本上不再變化［5］.為了等效月表的氣壓條件，地面試驗環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，用以模擬真實月壤的力學、熱學特性［7］，開展探月前期研究工作［8］.哈爾濱工業大學在國內最早開展鉆采模擬月壤月巖的相關研究，近些年來發表了大量研究成果:晏然對真空鉆采進行了有限元仿真分析［9］;侯佑松在常壓下，對模擬月壤進行了低溫(－30℃)鉆采試驗，有效鉆進行程 350mm［10］;崔金生等研究了鉆具在真空度1.0×101～1.0×102Pa環境中的溫升情況［11］;史曉萌等設計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行了測試［3，12］.中國地質大學石浩等將鉆進過程的熱場分布模型視為穩態單層圓柱體導熱模型，常壓下研究了鉆進過程的生熱情況［13］.

模擬月壤因其特殊性(一般采用經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境，國內外尚缺乏相關的文獻.

本文設計了一套模擬月壤真空試驗裝置，研究了模擬月壤的不同物理參數對其所能夠達到的真空度的影響.

1 試驗裝置設計

1.1 設計指標

根據月面環境實際情況，試驗裝置設計指標如下:

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

2)密實度:能夠對模擬月壤進行壓實，密實度不低于 1.9 g/cm3.

3)含水量:能夠對模擬月壤進行烘干，烘干后含水量不高于0.1%.

4)溫度:能夠對模擬月壤進行150℃加熱.

1.2 試驗裝置

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

真空環境模擬器包含真空泵、真空計與月壤筒及其他相關配件，圖1為試驗裝置實物圖.

圖1 真空環境模擬器Fig.1 Vacuum environment simulator

月壤筒內徑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目的不銹鋼網過濾粉塵，避免對泵造成損壞.月壤筒頂部、底部和側壁各有一個抽氣口，可連接真空泵或真空計測頭.試驗過程中采用適合于粗低真空的測量的電阻真空計記錄月壤筒內真空度的變化情況，真空計測量范圍1.0×105～1.0 ×10－1Pa.

根據設計指標空載(不含模擬月壤)真空度可達1.0×10－1Pa的要求，裝置選用旋片式機械泵，其極限壓力可達6.0×10－2Pa，根據真空設計手冊［15］，計算泵需要的抽速.

月壤筒內表面積為

式中:d為月壤筒內徑;h為月壤筒內部高度.

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).

因為是低真空狀態，相比月壤筒的出氣率，漏率忽略不計，則抽速為

式中:真空室壓 p=1.0 ×10－1Pa.計算得 v=0.8 L/s.

考慮安全系數1.5和管道的流導損失(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的旋片式機械泵.試驗表明，在密封空載情況下，使用4 L/s真空泵，裝置15min可達1.0×10－1Pa真空度.試驗考慮粉末狀模擬月壤出氣率高，同時選用一臺抽速15 L/s的旋片式機械泵用于研究抽氣速度對模擬月壤真空度的影響.

高密實度模擬月壤采用振動電機振實，振動電機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.振動電機振動力2.5 kN，振頻50Hz，額定功率 0.22 kW，振動體質量14 kg.壓實策略采用分層方法，測得壓實情況下模擬月壤密度為1.90 g/cm3.振動器的實物如圖2所示.

圖2 振動器實物Fig.2 Vibrator entity

采用電熱鼓風干燥箱對模擬月壤進行干燥，120℃環境中烘干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調高30℃，30min后調節到最高溫度150℃，隨后保持加熱帶的加熱狀態直到試驗結束.

2 試驗測試方法

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

影響模擬月壤極限真空度的因素有:樣品量、密實度、溫度、泵抽速、含水量.通過設計對照組試驗，研究每一個因素對樣品極限真空度的影響.

試驗完整的流程如圖3所示.

圖3 試驗流程Fig.3 Test flowchart

試驗流程分為如下步驟:

1)準備工作:清掃月壤筒，用紗布蘸酒精將月壤筒內的粉塵清除干凈，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.連接真空計電源，對真空計進行零位校正.

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

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

4)真空抽氣與數據記錄: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記錄一個真空計顯示真空度數據.

5)試驗結束:真空度基本維持不變超過30min，則認為已達到恒壓狀態，關機結束試驗.

3 模擬月壤真空試驗研究

3.1 抽氣方式對樣品密實度的影響

月球表層月壤一般處于高密實度狀態，試驗通過振動裝置實現模擬月壤的高密實度.抽真空的過程中，由于氣體分子的流動對樣品的密實度產生影響.月壤筒分別設計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度的影響.

壓實的模擬月壤初始狀態如圖4所示.

圖4 壓實后的月壤表面狀態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度;從月壤筒頂部抽氣后的樣品側壁無空隙，樣品表面松動成塊狀，抽氣過程中造成揚塵，抽氣結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、含水量和密實度.可以通過試驗對比(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，每組試驗列出了試驗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，真空計測量位置為月壤筒的頂部.

表1 試驗對比分析Table 1 Test contrast analysis

3.2.1 溫度對真空度的影響

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

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

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

試驗過程中月壤筒內的真空度變化如圖8所示，從圖中可以看出，雖然試驗4比試驗3的抽速只大4 L/s，試驗4的極限真空度比試驗3的極限真空度高出一個數量級，因此抽速對樣品能夠達到的極限真空度極為關鍵，為達到更高真空度可考慮進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5和試驗6模擬月壤均為松散狀態裝填、烘干，抽速19 L/s，抽氣過程中不加熱，月壤筒內的樣品高度在試驗5和試驗6中分別為80mm和190mm.

試驗過程中月壤筒內的真空度變化如圖9所示，從圖中可以看出，2組試驗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4和試驗5模擬月壤樣品在月壤筒內的高度均為80mm，抽速19L/s，抽氣過程中不加熱，試驗4樣品不烘干，試驗5樣品烘干.

試驗過程中月壤筒內的真空度變化如圖10所示，從圖中可以看出，2組試驗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，導致真空度偏低，因此對樣品進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 密實度對真空度的影響

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

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

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

4 結論

本文設計并搭建了一套模擬月壤真空試驗系統，對模擬月壤的真空實現方法進行的試驗研究得到以下結論:

1)從月壤筒底部抽氣是保證樣品密實度的合理抽氣方式.

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

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