基于激光烧结升温特性分析的月壤原位成型技术研究

摘要

目的分析利用激光烧结技术实施月壤原位成型的特点及方案,为月壤原位成型工程化设计和分析提供借鉴。方法基于国内外月壤原位成型技术路径,对比分析激光烧结成型技术方案的优势。通过激光照射条件下多层月壤颗粒升温模型,分析加热温度随激光器输出功率、月壤粒径、聚焦光斑直径及激光扫描速度的变化规律。基于“纪念碑”成型任务,提出一种基于封闭烧结腔和补给移动机构的激光烧结方案。结果激光烧结成型技术方案的优势是成型体性能及精度较高,无需添加辅料,非接触式,便于操作和控制,能耗及体积可接受。月壤颗粒能达到的温度取决于能够接受到的辐射能量,无论是提升激光器输出功率,还是缩小光斑直径,都能提升颗粒接受到的辐射能量密度。降低扫描速度,则颗粒接收辐射能量的时间增长,而月壤颗粒粒径变小,由于颗粒质量与粒径是三次方的关系,也能够提高单个颗粒接收到的辐照能量。激光烧结成型系统由控制装置、激光光源、补给装置、移动装置及电源组成,基于初步的分析计算,建议的系统耗能约为300 W,光斑直径为50μm,成型效率约为38 g/h。结论基于激光烧结技术路径的月壤原位成型技术具有一定的优势,建议采用低功率、小光斑、低扫描速度的技术策略,初步估算的技术指标具有工程可实现性。