模拟月尘制备及其物理和力学性质研究

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1、航天器环境工程第29卷第5期532SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2012年10月模拟月尘制备及其物理和力学性质研究21,2331,222李蔓，童靖宇，沈志刚，张晓静，田东波，李宇，于强（1.可靠性与环境工程技术重点实验室，北京100094；2.北京卫星环境工程研究所，北京100094；3.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100190）摘要：在地球上进行的大量与月尘力学性质和机械性质相关的试验研究中，通常采用模拟月尘代替真实月尘。本研究制备了一种适用于月球探测工程试验的模拟月尘，制备工序依次为原材料选取、颗粒粗加工、颗粒精加工、颗

2、粒级配、颗粒混合及预处理。该模拟月尘的颗粒粒径分布、颗粒相对密度、干密度、孔隙比、内聚力和内摩擦角等物理和力学性能参数经分析与国外典型模拟月尘相关参数相近，证明其可应用于月球探测工程试验。关键词：模拟月尘；月尘制备；颗粒加工；颗粒力学性质中图分类号：TU411;P184文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)05-0532-04DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.05.0110引言1模拟月尘制备在月球探测工程中，月壤和月尘主要是指覆盖月尘粒度分布很广，绝大部分颗粒直径在30～在月球表面，月球探测器软着陆及月面巡视器行进100

3、0μm之间。根据月尘粒度分布的特点和现有粉过程中所直接接触的，且在探测器着陆腿冲击和月体的制备情况，模拟月尘的制备通过原材料选取、面巡视器车轮滚动过程中起支撑作用或产生扬起颗粒粗加工、颗粒精加工、颗粒级配、颗粒混合及状态的微小颗粒[1]。根据NASA科学家对Apollo探预处理等工序完成。测器取回的月球样品的分类定义，月尘是指其中直1.1原材料选取径小于1mm的颗粒。模拟月尘的原材料选自吉林省四海火山灰，如月面探测车辆在月面执行巡视和科考工作图1所示。该原料的主量元素组成与自Apollo14登时，月尘是影响其行走性能的重要因素。Apollo月点采集的月尘样品的平均化学组

4、成相似，为低钛任务的飞行记录显示，月尘对月面航天器的可靠碱性橄榄玄武岩，主要组成矿物为橄榄石和辉石，[2-4]性提出了极为严峻的挑战，所有到达过月球表含有少量长石和30%左右的火山玻璃[7]。因此该原面的航天员都发现月尘所带来的麻烦远远超出了料基本上可以满足模拟月尘研究及工程试验的需他们的想象。要。由于真实月尘十分珍贵，在地球上进行的大量与月尘力学性质和工程性质有关的试验研究中，通常采用模拟月尘代替真实月尘。根据公开发表的相关文献，目前受关注较多的模拟月尘有美国的[5][6]图1模拟月尘原料JSC-1，MLS-1和MLS-2，日本的MKS-1和[7]Fig.1Rawma

5、terialsformakingthelunarduststimulantFJK-1，以及中国科学院研制的CAS-1等。本研究1.2颗粒粗加工制备了一种适用于月球探测工程试验的模拟月尘，并对该月尘的力学性质进行分析和研究。将火山灰原料放入涡轮冲击式粉碎机中，入料————————————收稿日期：2012-03-01；修回日期：2012-05-24基金项目：国防科技工业技术基础科研项目作者简介：李蔓（1983—），女，博士研究生，研究方向为月尘环境。E-mail:li-man8319@163.com。第5期李蔓等：模拟月尘制备及其物理和力学性质研究533粒度粒径大于1mm

6、。原料在粉碎机中经碰撞、冲击和粉碎后产生颗粒粒径为30～1000μm的粗粉，如图2所示。通过粉碎机破碎的颗粒会有棱角，角砾的形状可以通过破碎时间进行控制，破碎的时间越长棱角越分明。再用振动筛分机将该粗粉根据颗粒直径（μm）筛分为7个等级：≤40；(40，60]；(60,80]；(80,100]；(100,200]；(200,500]；(500,1000]。图4气流分级流程Fig.4Schematicdiagramoftheairclassifier1.4颗粒级配目前，被普遍接受的月尘颗粒粒度分布如图5所示，该分布带具有较宽的粒径范围，制备的模拟月尘颗粒粒度须分布在该范围

7、内。图2月尘粗加工颗粒Fig.2Particlesobtainedfromroughmachining1.3颗粒精加工颗粒粗加工不能产生小颗粒月尘，因此还须对颗粒进行精加工处理，将粒径小于40μm的颗粒通过气流粉碎成更小粒径的颗粒。气流粉碎流程如图3所示：颗粒首先被气源输送到进料系统，而后进入粉碎主机，并在粉碎主机内相互碰撞破碎成小图5模拟月尘粒径级配范围颗粒，随后被收集器收集。收集器的功能是将颗粒Fig.5Particlesizerangesoflunardustsimulant收集起来以免污染周围环境。气流通过引风机排根据图5以及相关