模拟月壤真空试验装置设计及实现方法

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［1］.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1/1012，属于超高真空环境［2］.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［3］.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［4］.美国 University of California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10 Pa时，随着气压的降低，月壤的热导率变化很小;当气压接近1 Pa时，随着气压降低，月壤的热导率基本上不再变化［5］.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［6］.

世界各国制作了大量的模拟月壤，用以模拟真实月壤的力学、热学特性［7］，开展探月前期研究工作［8］.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［9］;侯佑松在常压下，对模拟月壤进行了低温(－30℃)钻采试验，有效钻进行程 350mm［10］;崔金生等研究了钻具在真空度1.0×101～1.0×102 Pa环境中的温升情况［11］;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［3，12］.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，常压下研究了钻进过程的生热情况［13］.

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(不含模拟月壤)情况下，装置真空度可达 1.0 ×10－1 Pa.

2)密实度:能够对模拟月壤进行压实，密实度不低于 1.9 g/cm3.

3)含水量:能够对模拟月壤进行烘干，烘干后含水量不高于0.1%.

4)温度:能够对模拟月壤进行150℃加热.

1.2 试验装置

试验装置主体部分为真空环境模拟器，对模拟月壤进行抽真空试验，制取真空条件下的模拟月壤;此外，还包括模拟月壤干燥、压实与加热设备，分别用于对模拟月壤进行干燥除水、振动压实与加热升温.

真空环境模拟器包含真空泵、真空计与月壤筒及其他相关配件，图1为试验装置实物图.

图1 真空环境模拟器
Fig.1 Vacuum environment simulator

月壤筒内径308mm，高度200mm，304不锈钢材料，密封采用能够耐受高温并容忍粉尘的氟橡胶.装置使用800目的不锈钢网过滤粉尘，避免对泵造成损坏.月壤筒顶部、底部和侧壁各有一个抽气口，可连接真空泵或真空计测头.试验过程中采用适合于粗低真空的测量的电阻真空计记录月壤筒内真空度的变化情况，真空计测量范围1.0×105～1.0 ×10－1 Pa.

根据设计指标空载(不含模拟月壤)真空度可达1.0×10－1 Pa的要求，装置选用旋片式机械泵，其极限压力可达6.0×10－2 Pa，根据真空设计手册［15］，计算泵需要的抽速.

月壤筒内表面积为

式中:d为月壤筒内径;h为月壤筒内部高度.

真空腔体总出气率为

式中:q为304不锈钢出气率，1h之后出气率约为2.3 ×10 －5 Pa·L/(s·cm2).

因为是低真空状态，相比月壤筒的出气率，漏率忽略不计，则抽速为

式中:真空室压 p=1.0 ×10－1 Pa.计算得 v=0.8 L/s.

考虑安全系数1.5和管道的流导损失(一般泵的有效抽速是泵的额定抽速的1/3左右)，最终选取抽速为4L/s的旋片式机械泵.试验表明，在密封空载情况下，使用4 L/s真空泵，装置15min可达1.0×10－1 Pa真空度.试验考虑粉末状模拟月壤出气率高，同时选用一台抽速15 L/s的旋片式机械泵用于研究抽气速度对模拟月壤真空度的影响.

高密实度模拟月壤采用振动电机振实，振动电机下端带圆形不锈钢托盘，不锈钢托盘为直径300mm、厚度20mm的不锈钢板.振动电机振动力2.5 kN，振频50Hz，额定功率 0.22 kW，振动体质量14 kg.压实策略采用分层方法，测得压实情况下模拟月壤密度为1.90 g/cm3.振动器的实物如图2所示.

图2 振动器实物
Fig.2 Vibrator entity

采用电热鼓风干燥箱对模拟月壤进行干燥，120℃环境中烘干16 h，测得模拟月壤的含水量低于 0.1%.

采用加热带对月壤筒外壁包裹加热，开启真空泵抽气时开启加热带，每隔5min调高30℃，30min后调节到最高温度150℃，随后保持加热带的加热状态直到试验结束.

2 试验测试方法

模拟月壤由颗粒状粉末组成，在真空抽气的过程中，内部的气体分子流动急剧，从而对模拟月壤的密实度造成影响.试验分别从月壤筒顶部、底部对模拟月壤进行真空抽气，研究抽气方式对模拟月壤密实度的影响.

影响模拟月壤极限真空度的因素有:样品量、密实度、温度、泵抽速、含水量.通过设计对照组试验，研究每一个因素对样品极限真空度的影响.

试验完整的流程如图3所示.

图3 试验流程
Fig.3 Test flowchart

试验流程分为如下步骤:

1)准备工作:清扫月壤筒，用纱布蘸酒精将月壤筒内的粉尘清除干净，并擦洗所有密封口，往月壤筒底部铺4层直径308mm、800目的不锈钢过滤网.连接真空计电源，对真空计进行零位校正.

2)装填模拟月壤(模拟月壤由北京卫星制造厂提供):根据试验设计所需样品的多少装填模拟月壤，如需要对模拟月壤进行压实，则每次填入40mm高度样品，利用振动装置振动压实，直至填充至所需样品量;如不需压实，则填充松散样品至所需量.

3)对模拟月壤样品干燥除水:如需要对样品进行烘干，将装填好样品的月壤筒整体放入120℃电热鼓风干燥箱中干燥16 h后取出.

4)真空抽气与数据记录:开启真空泵抽气，如需对样品在抽气过程中加热，则开启加热带加热，每隔5min记录一个真空计显示真空度数据.

5)试验结束:真空度基本维持不变超过30min，则认为已达到恒压状态，关机结束试验.

3 模拟月壤真空试验研究

3.1 抽气方式对样品密实度的影响

月球表层月壤一般处于高密实度状态，试验通过振动装置实现模拟月壤的高密实度.抽真空的过程中，由于气体分子的流动对样品的密实度产生影响.月壤筒分别设计了顶部和底部的抽气口，用于探究从不同方位抽气对样品密实度的影响.

压实的模拟月壤初始状态如图4所示.

图4 压实后的月壤表面状态
Fig.4 Surface condition of lunar soil after compaction

从底部抽气和从顶部抽气后模拟月壤状态分别如图5、图6所示，从图中可以明显地看出从月壤筒底部抽气后的样品四周形成空隙供气流通过，样品能够很好地维持密实度;从月壤筒顶部抽气后的样品侧壁无空隙，样品表面松动成块状，抽气过程中造成扬尘，抽气结束后散落在样品表面.因此，从月壤筒底部抽气，样品上方和内部的气体分子通过样品被真空泵抽走，样品能够很好地保持密实度，是对模拟月壤比较理想的抽真空方式.

图5 从月壤筒底部抽气后样品状态
Fig.5 Sample condition after pumping from bottom of vehicle

图6 从月壤筒顶部抽气后样品状态
Fig.6 Sample condition after pumping from top of vehicle

3.2 影响样品极限真空度的因素分析

影响模拟月壤样品极限真空度的因素有:样品量、抽速、温度、含水量和密实度.可以通过试验对比(见表1)，研究这些因素对模拟月壤极限真空度的影响.

列出了7组试验，每组试验列出了试验条件和样品的极限真空度，均采用从月壤筒底部抽气的方式，真空计测量位置为月壤筒的顶部.

表1 试验对比分析
Table 1 Test contrast analysis

3.2.1 温度对真空度的影响

试验1和试验2模拟月壤均为压实状态，真空泵抽速15L/s，样品在月壤筒内高度190mm，均未烘干，试验2开始抽真空过程中使用加热带对样品加热.

试验过程中月壤筒内真空度的变化如图7所示，从图中可以看出，2组试验的极限真空度基本相当.因此，抽真空过程中对样品进行150℃的加热，不影响样品所能够达到的极限真空度.

图7 温度对真空度的影响
Fig.7 Vacuum degree influenced by temperature

3.2.2 抽速对真空度的影响

试验3和试验4模拟月壤均为松散状态装填，样品在月壤筒内高度80mm，均未烘干，均未在抽气过程中加热，试验3真空泵抽速15 L/s，试验4真空泵抽速19 L/s.

试验过程中月壤筒内的真空度变化如图8所示，从图中可以看出，虽然试验4比试验3的抽速只大4 L/s，试验4的极限真空度比试验3的极限真空度高出一个数量级，因此抽速对样品能够达到的极限真空度极为关键，为达到更高真空度可考虑进一步加大真空泵抽速.

图8 抽速对真空度的影响
Fig.8 Vacuum degree influenced by pumping velocity

3.2.3 样品量对真空度的影响

试验5和试验6模拟月壤均为松散状态装填、烘干，抽速19 L/s，抽气过程中不加热，月壤筒内的样品高度在试验5和试验6中分别为80mm和190mm.

试验过程中月壤筒内的真空度变化如图9所示，从图中可以看出，2组试验最后的极限真空度基本一样，因此模拟月壤样品量的多少，不影响抽真空的极限真空度.

图9 样品量对真空度的影响
Fig.9 Vacuum degree influenced by sample volume

3.2.4 含水量对真空度的影响

试验4和试验5模拟月壤样品在月壤筒内的高度均为80mm，抽速19L/s，抽气过程中不加热，试验4样品不烘干，试验5样品烘干.

试验过程中月壤筒内的真空度变化如图10所示，从图中可以看出，2组试验最后的极限真空度烘干组稍低(低87Pa).未烘干的样品可能含有水汽，对空气分子有一定的黏滞性，导致真空度偏低，因此对样品进行干燥后抽气必须考虑干燥造成的影响.

图10 含水量对真空度的影响
Fig.10 Vacuum degree influenced by water content

3.2.5 密实度对真空度的影响

试验6和试验7模拟月壤样品在月壤筒内的高度均为190mm，抽速19 L/s，抽气过程中不加热，样品均烘干，试验6采用松散样品，试验7采用压实样品.

图11 密实度对真空度的影响
Fig.11 Vacuum degree influenced by density

试验过程中月壤筒内的真空度变化如图11所示，从图中可以看出，2组试验最后的极限真空度压实样品稍低(低75Pa).压实的样品内部含有更少的空气分子，因此导致压实的样品能够具有更高的极限真空度.

4 结论

本文设计并搭建了一套模拟月壤真空试验系统，对模拟月壤的真空实现方法进行的试验研究得到以下结论:

1)从月壤筒底部抽气是保证样品密实度的合理抽气方式.

2)泵的抽速是影响模拟月壤样品极限真空度的关键因素;抽气过程中对样品进行加热、样品量对极限真空度无影响;烘干对极限真空度稍有降低;压实对极限真空度稍有提高.