月球超真空系統的研制

張潤華 梁宸 張智鵬 蔡悅 彭瑀璇 姬嘉駿 姚賽鋮

摘? 要：探月工程具有很大的科學意義，月球表面具有很多地球稀缺的礦產資源，月球探測將為人類的可持續發展帶來新的動力。因此，月球基地建設與礦產資源開發已是當下月球開發的重中之重?，F有研究缺少對真空環境的真實模擬，難以系統、可靠、準確地揭示月壤力學、工程特性與諸影響因素之間的關系，特別是真空等特殊環境效應。該文基于月球采礦工程背景，研制可模擬月球真空環境的裝置，搭建月球真空模擬試驗系統，為人類研究月球時在解決模擬真空環境問題方面奠定基礎，對于“中國探月工程”及其太空開發戰略的實施具有重要意義。

關鍵詞：月球真空環境? ?真空裝置? ?真空箱? ?真空泵

中圖分類號：TB753? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（c）-0048-03

Research of Lunar Ultra Vacuum System

ZHANG Runhua? LIANG Chen? ZHANG Zhipeng? CAI Yue PENG Yuxuan? JI Jiajun? YAO Saicheng

（Sun Yueqi honors College of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu Province，221000 China）

Abstract： The lunar exploration project is of great scientific significance. There are many rare mineral resources on the surface of the moon. Lunar exploration will bring new impetus to human sustainable development. Therefore， the construction of lunar base and the development of mineral resources have become the top priority of lunar development. The existing research lacks the real simulation of vacuum environment， so it is difficult to systematically， reliably and accurately reveal the relationship between lunar soil mechanics， engineering characteristics and various influencing factors， especially the special environmental effects such as vacuum. Based on the background of lunar mining engineering， this paper develops a device that can simulate the lunar vacuum environment and builds a lunar vacuum simulation test system， which lays a foundation for human beings to solve the problem of simulating the vacuum environment when studying the moon. It is of great significance to the implementation of "China Lunar Exploration Project" and its space development strategy.

Key Words： Lunar vacuum environment; Vacuum device; Vacuum box; Vacuum pump

1? 研究目的、內容及方案

1.1 研究目的

月球作為地球唯一的天然衛星，擁有著豐富的資源，是人類開展深空探測的首選目標，也是人類進行外層空間探測的理想基站[1]。目前，永久性基地建設、資源開采與原地利用是新一輪全球深空工程的焦點[2]。月面擁有豐富的太陽能，實現太陽能的綜合利用是各階段月球基地共同的目標，月壤中含有豐富的氦-3資源，是核聚變反應清潔、高效、安全的原料[3]。同時，月球上蘊含豐富的鈦、釷、鈾、氦等礦產資源以及三斜鐵輝石、鋯石等地球上未發現的新礦物，月球礦產資源開發利用可有效解決地球資源枯竭及環境破壞等全球性問題[4]。在信息時代，最具開發價值的月球資源不但包括有形的月球自然資源，還包括符合時代發展的無形資源以及有形資源和無形資源的結合體[5]。

1.2 研究內容及方案

該文擬研發一套真空系統，營造超真空環境物理環境，實現月表真空環境的可靠模擬。采用“旋片式機械泵+擴散泵”二級真空泵聯動結構，通過一級泵和二級泵聯合工作模式將試驗箱內部的氣體排出試驗箱外營造真空環境;采用最大限度減少出口、多重密閉、高精度低擾動抽取等手段控制試驗空間的真空度，從而獲得與月球相似的真空環境。同時，在動密封加載桿傳動機構中，加入真空蓋的部分以金屬波紋管加以密封，真空蓋上表面和加載桿之間以橡膠墊片密封。

2? 真空箱設計

箱體為304不銹鋼，高500 mm，內徑500 mm;下側有抽氣管道，碳鋼制，長700 mm，內徑100 mm。箱蓋與箱體之間以密封圈加強密封。真空容器經過整體檢漏后，漏率優于1×10-9 Pa·m3/s，內部封頭上焊接兩角鋼用來支撐熱沉，角鋼上采用環氧樹脂進行隔熱[6]。

2.1 箱體壁厚計算

箱體壁厚計算公式中[7]：

（1）

式（1）中，S為圓筒壁厚;D為圓筒內徑;P為外壓設計壓力，MPa;L為圓筒長度，取500 mm;Et為材料溫度為t時的彈性模量，取3 000 MPa;C1為鋼板的最大負公差附加量，取0.5 mm;C2為腐蝕裕度，取1 mm;C3為封頭沖壓時的拉伸減薄量，取0。

注：壁厚由實際壁厚和附加量組成，1.25

為實際壁厚，為壁厚附加量。

取d=500 mm，p=0.1 MPa，計算出壁厚S=12.616 mm。

2.2 抽氣管道壁厚計算

2.2.1 壁溫≤120℃

（2）

式（2）中，S為管子壁厚，mm;S0為計算壁厚，mm;da為管子外徑，mm; p為設計壓力，MPa;[σ]為管子材料許用應力，MPa;C1為壁減薄量的附加量，mm（對于無縫鋼管查冶金部標準）; C2為腐蝕裕度或磨損量，mm;γ為縱焊縫的焊縫系數，對無縫鋼管γ=1。

2.2.2 許用應力[σ]

工作溫度≤120 ℃時，鋼材可取20 ℃的屈服限σs，除以安全系數ns，即：

取[σ]=137 MPa，算得壁厚s=1.500 375 915152 6 mm。

3? 真空系統參數計算

3.1 空載時長期抽氣后真空室的氣體負荷Q0計算

在該真空裝置中，Q0近似分為3個部分：Q0=Q1+Q2+Q3，分別是：真空容器各部件的漏氣率、氣體通過固體壁面的滲透速率以及真空容器壁面的放氣速率。

其中，Q=1.33×10-10? Pa·m3/s。

Q2： 對于雙原子氣體分子離解后的原子態滲透（如氫對金屬的滲透），有：

Q=KA△p1/2/d

式中，Q為氣體透過固體壁面的滲透速率;P為壁兩側的氣壓差;D為壁厚;A為壁的面積;K為某種氣體對某種固體的滲透系數。

由圖1可知，氫氣在100C對304不銹鋼的滲透系數為10-9，又A=2×3.14×15×40 cm2，d為12.616 mm，經計算可知：

Q2=3.96×10-5 Pa L/s=3.96×10-8 Pa·m3/s

Q3由表1計算可知：Q3=2×10-12×133.3×2×3.14×

15×40=1.005×10-6 Pa·L/s=1.005×10-9Pa·m3/s。

綜上，Q0=Q1+Q2+Q3

=1.33×10-10+3.96×10-8+1.005×10-9

=4.07×10-8 Pa·m3/s

即Q0=4.07×10-5 Pa·L/s。

3.2 有效抽速S的計算

真空室的極限真空，由下式決定：

式（3）中：為真空室所能達到的極限真空，Pa;（3）為真空泵的極限真空，Pa;為空載時，長期抽氣后真空室的氣體負荷（包括漏氣、材料表面出氣等），Pa·L/s;S為真空室抽氣孔附近泵的有效抽速，L/s。

已知真空室極限真空Pj為10-6 Pa，擴散泵的極限真空為5×10-7 Pa，Q0為4.07×10-5 Pa·L/s，由極限真空公式可得有效抽速：

3.3 流導U的計算

外真空室及低溫閥箱主要是為超導磁體的正常運行提供真空絕熱環境[8]。真空室的氣體負荷Q（Pa·L/s），通過流導為U的管道被真空泵抽走。圖中S為真空室抽氣孔的有效抽速，而P、PP分別為管道入口和出口壓力，SP則為真空泵的抽速。

依據流量定義有：

Q=U（P-PP）

泵口壓力為PP，泵的抽速為SP，泵抽走的氣體流量為：

Q=SPPP

管道入口壓力為P，有效抽速為S，通過入口的氣流量為：

Q=SP

在動態平衡時，流經任意截面的氣體流量相等。由前幾式可得：

或

已知有效抽速S=81.4 L/s，擴散泵的抽速SP=

300 L/s，由公式可得流導：

3.4 真空裝置抽氣管道尺寸驗算

下面以圓截面短管為例進行分析。

長度L≤20 d的管道稱為短管，d為管道直徑，在分子流時其流導用克勞辛系數計算20 ℃空氣通過管道的流導公式如下：

（5）

式中，為分子流時20 ℃空氣圓截面短管流導，m3/s;A0為圓孔面積，m2;α為克勞辛系數，見表2。

設定管道內徑為0.1 m=10 cm，由此可算得α=0.123，因此L/d約為9，為使結果符合極限真空要求，確定L/d為8，因此管道內徑為10 cm，管道長度應小于等于80 cm。實際設計取的70 cm，符合計算要求。

3.5 抽氣時間計算

采用高真空下抽氣時間計算的方法。

（1）計算真空室平衡壓力為1.332×10-4 Pa的允許出氣量。

q=p.s=1.332×10-4×1.202×10-3=1.601064×10-7pa.l/s

（2）計算出氣管道的平均出氣率。

假設出氣管道長150 mm，內徑100 mm，材料為碳鋼。

（3）由圖2數據可以得到：出氣率為3.64×10-9 Pa·L/（s·cm2）時的抽氣時間為0.8 h（假設該曲線為直線）。

4? 結語

經過理論計算，該裝置可達到1.332×10-4 Pa的真空度，而真空室的極限真空為1×10-6 Pa。因此，實驗裝置能滿足研究要求。

參考文獻

[1] 李琛，魏奎先，李陽，等.月球表面礦產資源原位利用研究進展[J].中南大學學報，2020，51（12）：

3289-3299.

[2] 李瑞林.重力引起的應力梯度作用下顆粒介質力學行為研究[D].徐州：中國礦業大學，2018.

[3] 任德鵬，李青，許映喬.月球基地能源系統初步研究[J].深空探測學報，2018，5（6）：561-568.

[4] 周國慶.月球采礦中月壤/巖力學問題的理論與試驗方法[J].煤炭學報，2019，44（1）：183-191.

[5] 李海陽.基于月痕資源的月球開發新體系構想[J].載人航天，2017，23（5）：577-581.

[6] 陳永侃，葉海峰，周致睿，等.低溫真空測試系統的研制[J].真空，2017，54（2）：52-55.

[7] 達道安.真空設計手冊[M].3版.北京：國防工業出版社，2004：682-683.

[8] 李加宏，胡建生，王小明，等.EAST超導托卡馬克裝置真空抽氣系統[J].真空，2010，47（1）：11-14.