模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

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1、2015年11月第41卷第11期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsNovember2015V01．41No．11http：÷fbhxb．buaa．edu．onjbuaa@buaa．edu．onDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0753模拟月壤真空试验装置设计及实现方法张涛，安迎和，丁希仑4(北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100191)摘要：我国探月三期需在月面真空环

2、境下钻采2m深的月壤样品，为测试采样器在真空热环境下的性能，需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境．本文设计了一套模拟月壤真空试验装置，研究了模拟月壤真空实现方法．通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空，分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况．此外，分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响，提出了保证样品密实度的可行抽气方法．该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值．关键词：模拟月壤；真空装置；环境模拟；真空实现；真空度中图分类号：TB771

3、文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)11-2110-06作为“绕、落、回”规划的第3步，我国探月工程三期的主要目标是实现无人自动采样返回⋯．然而月球环境极其苛刻，近月空间和月表环境中的大气密度只有地球上的1／10“，属于超高真空环境∽1．为保证安全采样返回，需在地面模拟月球表面的真空热环境进行测试试验¨1．但月表的超高真空在地球上几乎无法达到，因此只能够模拟一个相对较低的真空环境开展试验．美国在世界范围内最先开展登月采样，但其采用人工采样的方式，直接将采集的样品带回地球研究分析．美国

4、国家航天局(NASA)研究者Wechsler和Glaser的研究表明：当周围气压低于1Pa时，粉末状玄武岩的热交换不受颗粒间残余气体的影响H1．美国UniversityofCalifornia的研究者Tien和Nayak对Apollo系列月壤样品进行热导率测量，结果表明：当气压低于10Pa时，随着气压的降低，月壤的热导率变化很小；当气压接近1Pa时，随着气压降低，月壤的热导率基本上不再变化"】．为了等效月表的气压条件，地面试验环境必须保证气压低于1Pa∞1．世界各国制作了大量的模拟月壤，用以模拟真实月

5、壤的力学、热学特性¨1，开展探月前期研究工作¨o．哈尔滨工业大学在国内最早开展钻采模拟月壤月岩的相关研究，近些年来发表了大量研究成果：晏然对真空钻采进行了有限元仿真分析p1；侯佑松在常压下，对模拟月壤进行了低温(一30％)钻采试验，有效钻进行程350mm¨⋯；崔金生等研究了钻具在真空度1．0×101～1．0×102Pa环境中的温升情况¨川；史晓萌等设计了一套钻取采样测试装置，在常温常压下对模拟月壤、模拟月岩综合取样进行了测试口’n3．中国地质大学石浩等将钻进过程的热场分布模型视为稳态单层圆柱体导热模型

6、，常压下研究了钻进过程的生热情况¨“．模拟月壤因其特殊性(一般采用经雷蒙磨粉碎的玄武岩火山渣)。14]，粉末状颗粒对真空泵叶片损害较大，因此就如何制造真空条件下的模拟月壤、模拟月表月壤的钻采真空环境，国内外尚缺收稿日期：2014．12-02；录用日期：2014-12—12；网络出版时间：2015-01-2715：02网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150127．1502．008．html作者筒介：张涛(1990一)，男，湖南邵阳人，博士研究生，b

7、uaazt@gmail，tom+通讯作者：丁希仑(1967一)，男，山东青岛人，教授，xlding@buaa．edu．cn，主要研究方向为空间机器人与空间机构学、仿生机器人、智能控制与自动化检测技术．；f用格式：张涛，安迎和，丁希仑．模拟月壤真空试验装置设计及实现方法ⅣJ．北京航空航天大学学报，2015，41f11)：21J0-2¨5．ZhangT．AnYH．DingXL，Devicedesignandimplementationmethodoflunarsoilsimutantvticllllmte

8、stE】]．JournatofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，4101)：2110—2115(inChinese)．第11期张涛，等：模拟月壤真空试验装置设计及实现方法2111乏相关的文献．本文设计了一套模拟月壤真空试验装置，研究了模拟月壤的不同物理参数对其所能够达到的真空度的影响．1试验装置设计1．1设计指标根据月面环境实际情况，试验装置设计指标如下：1)空载真空度：空载(不含模拟月