一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐

摘要

本发明公开一种模拟月球真空环境的内筒可旋转真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、真空泵组。真空罐采用上下两段构成，上段固定于底面，下段安装在可移动升降平台；通过可移动升降平台实现上段与下段间的对接。真空罐通过真空罐组进行抽真空；真空罐顶部安装有钻具，且钻具与真空罐不同轴；真空罐内部同轴设置有月壤筒；月壤筒通过月壤筒转动机构驱动，实现在真空罐内的转动。通过上述结构，每抽一次真空，可进行多次钻削试验，节约了大量的时间和资源；同时，真空罐设计为上下两段结构，通过可移动升降平台调节位置，实现对接，便于模拟月壤的制备和装卸等，具有操作方便、快捷的优点。

说明书

技术领域

本发明属于空间探测技术领域，具体来说，是一种可模拟月球真空环境的内筒可旋转真 空罐。

背景技术

能源短缺和资源匮乏已经成为阻碍现代人类社会发展的紧要问题，人们不断的寻找新能 源以满足生产和生活的需要，但是地球本身的资源是有限的，向太空获取资源是人类发展的 必然趋势。月球是环绕地球的一个卫星，它是地球唯一的一颗天然卫星，也是离地球最近的 天体。月球蕴藏有丰富的铀、钍、钾、氧、硅、镁、铁、钛、钙、铝及氢等元素，月壤中还 含有丰富的He-3，利用氘和He-3进行的氦聚变可作为核电站的能源，因此月球上的资源对 于地球未来能源的获取具有重大的意义。

近年来，世界各国先后对月球进行了多方面的探索。美国在1967年代发射了“阿波罗 11号”，开始了人类首次登月的太空征程，并成功收集了月壤样品返回地球；前苏联也发射 了“luna”系列的探月航天器，实现了月球上自动取样并返回地球；1994年美国发射的“克 莱门汀”计划和1988年发射的“月球勘探者”计划对月球进行了全方位的探测工作；我国 也实施启动了“嫦娥工程”探月计划，探月计划分为“绕”、“落”、“回”三个战略发展阶段， 目前已实现了“绕”和“落”这两个目标，探月三期要将实现对月球样品的自动采集与返回， 在探月任务中明确提出了要探测月球物质成分、探测月壤特性的要求，探月三期已列入国家 中长期科技发展规划重大专项。

为了实现月壤的自动采集，我国已设计并研制了多种月壤采样器，其中钻取式采样器是 最常使用的采样器形式，它既可以采集松散的表层样品，也可以进行深层采样，经过特殊的 设计还可以进行坚硬的岩石的采样，使得可以采集的样品种类较多。而钻具是钻取式采样器 的核心部件，它的工作性能直接影响整个采样效果。由于月球具有微重力、强辐射、高真空 的特殊环境，为了使采样器能在月球苛刻的环境下安全、可靠地运行，需设计一种模拟月球 真空环境的真空设备，用于采样器钻具的钻削试验，验证钻具的可靠性。目前，国内外还没 有专门针对月球环境设计的真空设备，成熟的真空技术能使真空罐达到月球的真空度，但是 由于真空罐中要盛装模拟月壤，抽真空过程中还要保证模拟月壤的密实度和真空度的均匀性， 还要实现每抽一次真空，进行多次钻削试验，因此需设计一种专门针对月球真空环境，可以 完成多次钻削试验的真空罐。

发明内容

本发明的目的是针对月球微重力、强辐射和高真空的特殊环境，提出一种模拟月球真空 环境的内筒可旋转真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、真空泵组。

所述真空罐由真空罐上段与真空罐下段构成。其中，真空罐上段与地面间相对固定；真 空罐下段安装在可移动升降平台上；通过升降平台实现真空罐下段与真空罐上段间的对接与 分离。所述真空罐上段顶端通过法兰固定安装有上端盖，上端盖上开有钻具安装孔，用来安 装钻具；且钻具安装孔与真空罐不同心。真空罐通过真空泵组进行抽真空，真空泵组同样安 装在可移动升降平台上。

所述月壤筒用来盛装模拟月壤，同轴设置于真空罐下段内部。月壤筒通过月壤筒转动机 构实现在真空罐内的定位，以及旋转驱动。所述月壤筒转动机构包括吊装盘、齿轮盘、驱动 电机与传动齿轮。其中，吊装盘与齿轮盘均同轴空套在月壤筒上；吊装盘与月壤筒外壁间存 在间隙，吊装在真空罐下段上。齿轮盘与月壤筒间固定。吊装盘顶面与齿轮盘底面间通过滚 珠实现周向上的动摩擦连接。驱动电机，驱动电机的输出端端部同轴固定安装有传动齿轮， 传动齿轮与齿轮盘啮合；通过驱动电机带动传动齿轮与齿轮盘间传动。

通过上述结构，可保证钻具钻削试验在模拟月球真空环境下进行，且通过驱动电极驱动 齿轮盘带动月壤筒转动，使一次钻削试验可实现多次钻取，大大节约了钻削试验的时间。

本发明的优点在于：

1、本发明内筒可旋转真空罐，因此每抽一次真空，可进行多次钻削试验，节约了大量的 时间和资源；且旋转机构位于月壤筒的上端，可防止转动过程带来的晃动，使真空罐工作更 加稳定可靠。

2、本发明内筒可旋转真空罐，设计为上下两段结构，真空罐下段可随移动升降平台移动， 月壤筒与真空罐独立分开，便于模拟月壤的制备和装卸等，具有操作方便、快捷的优点；

3、本发明内筒可旋转真空罐，可根据钻具的长度、真空罐的真空度进行参数化设计，通 用性强；

4、本发明内筒可旋转真空罐，结构简单，成本低，且便于维护。

附图说明

图1为本发明内筒可旋转真空罐整体结构示意图；

图2为本发明内筒可旋转真空罐中月壤筒结构示意图；

图3为本发明内筒可旋转真空罐中月壤筒旋转机构示意图。

图中：

1-真空罐                   2-月壤筒                   3-月壤筒转动机构

4-真空泵组                 5-冷肼                     101真空罐上段

102-真空罐下段             103-固定架                 104-支撑台架

105-升降平台               106-滚轮                   107-导轨

108-测距传感器             109-钻具                   110-钻头

111-螺旋段                 112-光轴段                 113-动密封接头A

114-热沉罩                 115-下端盖                 201-吊耳

202-透气孔                 203-内胆                   204-封口法兰

205-泄压口                 301-吊装盘                 302-齿轮盘

303-驱动电机               304-传动齿轮               305-滚珠

306-定位轴承               307-动密封接头B

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明内筒可旋转真空罐，包括真空罐1、月壤筒2、月壤筒转动机构3、真空泵组4， 如图1所示。

所述真空罐1竖直设置，为由圆筒状真空罐上段101与圆筒状真空罐下段102构成的 立式圆筒形两段式结构，满足便于拆卸，试验操作方便的要求。其中，真空罐上段101中部 通过法兰固定安装在固定架103上；真空罐上段101通过固定架103固定安装在地面上， 实现真空罐上段101与地面间的相对固定。真空罐下段102通过支撑台架104固定安装在 升降平台105上；升降平台105底面上安装有滚轮106，构成可移动的升降平台105。由 此，通过升降平台105，调节真空罐下段102的空间位置，实现真空罐下段101与真空罐 上段102间的同轴对接与分离，且保证了整个对接与分离过程中真空罐上段101的静止不 动。上述真空罐上段101与真空罐下段102对接后，通过螺栓将真空罐上段101底端与真 空罐下段顶端102设计的连接法兰固连形成整体真空罐1；且真空罐上段101底端与真空罐 下段102顶端间安装有O型密封圈，实现真空罐上段101与真空罐下段102对接接缝处的 密封。为了便于真空罐上段101与真空罐下段102间的对接，本发明中在真空罐下段102 顶端法兰上设计有锥形定位销钉，真空罐上段101底端法兰上开有销钉定位孔；由此，当真 空罐下段102通过升降平台105与真空罐上段101对接时，通过锥形定位销钉配合销钉定 位孔进行对准；定位销上段设计为锥形结构，可使得对准过程具有一定的调整误差。上述升 降平台105底部的滚轮106设置在导轨107上，通过导轨107进行滚轮106的滚动进行 导向，进而实现对升降平台105的移动进行导向，使升降平台105可沿导轨107设置方向 移动，增加了升降平台105在对接时移动的稳定性。同时，在导轨107上安装有测距传感 器108，通过测距传感器108实时检测自身与升降平台105间的距离信号，发送至外部控 制设备，直至距离信号与设定阈值相等时，则由控制设备控制升降平台105停止移动，此时 控制升降平台105上升即可完成真空罐上段101与真空罐下段102间的对接，大大方便了 真空罐上段101与真空罐下段102间的对接过程。上述升降平台105的沿导轨的运动，通 过直线电机进行驱动。

上述真空罐上段101顶端通过法兰固定安装有上端盖108，且上端盖108与真空罐上 段101顶端间还安装有O型密封圈，实现真空罐上段101顶端的密封。上端盖108上开有 钻具安装孔，用来安装进行模拟月球真空环境钻削试验的钻具109。在进行模拟月球真空环 境钻削试验时，钻具109的钻头110与螺旋段111需要在真空罐1中的真空环境内，是整 个钻具101的工作部分，直接进行钻削试验；而驱动钻具109的钻进试验驱动平台在真空 罐外。因此本发明中将钻具109设计为分段式结构，一段为螺旋段111，另一段为光轴段 112，螺旋段111与光轴段112的一端相互嵌合，保证螺旋段111与光轴段112的同轴度， 并通过端部的对接法兰相互固定，拆装方便，性能可靠。光轴段112通过动密封接头A113 实现与上端盖108的钻具安装孔间的动密封，保证钻进试验过程中真空罐1的密封性。所述 动密封接头113采用磁流体密封接头，磁流体密封接头外侧具有冷却水套，用来使磁流体保 持在工作温度，消除真空罐1内的高温对磁流体密封效果的影响，是一种适用于高真空、高 速度的动密封装置，工作稳定可靠。所述螺旋段111另一端为钻头110；光轴段112的另 一端与外部钻进试验驱动平台，由此可见通过光轴段112在实现动密封的同时，连接真空罐 1外部的钻具驱动机构和位于真空罐1内部的螺旋段111，传递驱动钻具109旋转和钻进的 扭矩和钻压力。上述上端盖108上的钻具安装孔与真空罐1不同心，由此在钻具109安装 后，钻具109的轴线和真空罐1的轴线不重合。

所述月壤筒2用来盛装模拟月壤，与真空罐1相互独立，同轴设置于真空罐下段102 内部。如图2所示，月壤筒2上端周向上具有定位法兰，定位法兰上安装有吊耳201，用于 月壤筒2在更换模拟月壤的过程中天车的起吊。月壤筒2筒壁上开有透气孔202，使月壤筒 2内部模拟月壤和真空罐上段101真空度更均匀。月壤筒2内壁上安装有空隙小于模拟月壤 颗粒的不锈钢网，作为内胆203；在透气孔202处采用点焊技术将内胆203与月壤筒2内 壁焊接；通过内胆203可减小模拟月壤填充、压实和钻进试验的过程中，模拟月壤颗粒不漏。 本发明中为使钻削试验后换模拟月壤方便，将月壤筒2底部设计为收缩口，开口处铰接有封 口法兰204，通过封口法兰204将收缩口密封；将封口法兰204打开后，可进行月壤卸载。 本发明中在月壤筒2侧壁上收缩口位置周向上开有泄压口205，泄压口205处安装端盖，通 过端盖将泄压口密封，且在试验结束后打开泄压口205的端盖，可预先对月壤筒2进行泄压， 避免封口法兰204打开过程中由于压力过大，使封口法兰204与月壤筒2间的铰接结构在 封口法兰204打开的过程中由于受力不均而损坏。

上述结构月壤筒2通过月壤筒转动机构3实现在真空罐1内的定位，以及旋转驱动。 所述月壤筒转动机构3包括吊装盘301、齿轮盘302、驱动电机303与传动齿轮304，如 图3所示。其中，吊装盘301与齿轮盘302均同轴空套在月壤筒2上；吊装盘301与月壤 筒2外壁间存在间隙，且吊装盘301通过立柱吊装在真空罐下段102顶端的连接法兰上。 齿轮盘302通过定位销与月壤筒2顶端周向上设计的定位法兰相连，使月壤筒2与齿轮盘 302间不会产生相对运动。吊装盘301顶面与齿轮盘302底面间周向上安装有滚珠305， 通过滚珠305实现齿轮盘302与吊装盘301间周向上的动摩擦连接，使齿轮盘302可在吊 装盘301上自由转动，进而实现月壤筒2的自由转动。上述吊装盘301的周向上还均匀安 装有定位轴承306，与定位轴承306内圈配合的轴通过螺纹连接安装在吊装盘301上，定 位轴承306外圈与齿轮盘302侧壁接触配合，由此通过定位轴承306在不影响齿轮盘302 正常转动的前提下，实现齿轮盘302的横向移动限位，由此保证月壤筒2与真空罐1间的旋 转同心度。上述齿轮盘302的转动动力通过驱动电机303提供；所述驱动电机303选用带 变频输出的直流电机或是由脉冲信号控制的脉冲电机，该电机转速可调，精度较高。驱动电 机303通过电机支架固定安装在支撑台架104上，驱动电机303输出轴端部穿过真空罐下 段102侧壁，位于真空罐下段102内部；驱动电机303输出轴与真空罐下段102侧壁间通 过动密封接头B307实现旋转动密封；动密封接头B307同样采用磁流体接头。由此，驱动 电机303产生的扭矩可通过输出轴传入真空罐下段102内。驱动电机303的输出端端部同 轴固定安装有传动齿轮304，传动齿轮304与齿轮盘302外围周向上的轮齿啮合；进而通 过驱动电机303带动传动齿轮304与齿轮盘302间传动，使月壤筒2随着齿轮盘302一同 转动。由此，在进行钻具钻削试验过程中，通过月壤筒2的旋转，保证一次钻削试验可实现 多次钻取，大大节约了钻削试验的时间。本发明中在真空罐下段102内部还安装有热沉罩 114，套在月壤筒2外部，有助于钻削试验的散热。同时考虑到真空罐下段102在抽真空过 程中可能有月壤漏入真空罐1内，因此，本发明中真空罐下段102设计为开口，且安装有下 端盖115，便于清扫漏入真空罐1内的月壤，如图1所示。

所述真空泵组4用来为真空罐1内部进行抽真空操作，真空泵组4可根据要求的真空度， 选择不同的型号。本发明中真空泵组4通过冷肼5与真空罐1相连，具体为：真空泵组4的 真空管道与冷肼5一端口通过冷肼封口法兰连接，冷肼5另一端口通过冷肼封口法兰与抽气 管道一端连通，抽气管道的另一端通过抽气法兰与真空罐下段102底部间密封连接，保证模 拟月壤在抽真空过程中的密实度。由此，通过冷肼5可防止真空罐1内的细小粉尘通过真空 抽气孔进入真空管道，损坏真空泵组4，同时避免试验过程中的热量对真空泵组4造成影响。 考虑到真空罐1密封的可靠性，真空抽气接头不能常拆卸，因此，真空泵组4固定安装于升 降平台105上，实现真空泵组4与同真空罐下段102一同移动。

本发明中真空罐1还通过管路连接氮气气瓶，通过阀门控制氮气气瓶内的流量；由此， 在钻削试验结束后，打开阀门向真空罐1内部充入氮气，使得真空罐1内压强恢复至常压。

通过本发明内筒可旋转真空罐进行钻具钻取试验时，通过下述过程实现：

a、将真空罐上段101安装固定在固定架103上，将钻具109通过磁流体密封接头1 安装在真空罐上段101顶部钻具安装孔处，并调整钻具109的位置，使钻具109的光轴段 112通过动密封接头A113与钻具安装孔间动密封。同时，将真空泵组4安装在升降平台105 上，使真空泵组4通过真空管道与冷肼5一端连接，并将冷肼5另一端通过抽气管道与真空 罐下段102连接。

b、在月壤筒2中填装模拟月壤，为了保证模拟月壤的密实度，分多次装入体积松散的 模拟月壤，每次装入后通过振动电机压实。随后，用天车通过月壤筒2顶部的吊耳201将月 壤筒2装入真空罐下段102中，并与月壤筒转动机构3中的齿轮盘302固定。

c、通过直线电机，驱动升降平台105，连同真空罐下段102、真空泵组4和月壤筒2 沿着导轨107直线运动到真空罐上段101正下方，通过测距传感器108，使真空罐下段102 和真空罐上段101间精确定位。随后，升起升降平台105，将整个真空罐下段102向上移 动，通过真空罐下段102顶端的定位销钉和真空罐上段101底端的销钉定位孔间配合，实 现真空罐下段102与真空罐上段101间的对接，然后通过锁紧螺栓压紧O型橡胶密封圈实 现密封；至此完成真空罐上段101与真空罐下段102间的对接密封。

d、真空泵组4开始工作，完成对真空罐1抽真空；通过真空泵组4使真空罐1达到设 定的真空度后，钻具驱动机构驱动钻具109完成旋转和钻进运动，对模拟月壤进行钻削试验。 当钻具109完成第一次钻削试验时，钻具驱动机构驱动钻具向上提升至初始位置；此时，月 壤筒旋转机构3启动，驱动电机303通过齿轮盘302驱动月壤筒2转动一定的角度，由于 钻具109和月壤筒2不同轴，因此月壤筒2旋转后可将钻头110对准未经钻削的模拟月壤 上，再次通过钻具驱动机构驱动钻具109进行第二次钻削试验，并根据需要，按照此顺序完 成钻具109的多次钻削试验；钻削试验完成后，钻具109始终保持在初始位置。

最后，钻削试验结束后，先往真空罐1内部充入氮气，使得真空罐1内压强恢复至常压， 松开真空罐上段101与真空罐下段102上连接法兰的锁紧螺栓，并使真空罐下段102在升 降平台105作用下下移，然后将真空罐下段102推出真空罐上段101正下方。接着用天车 将月壤筒2吊出真空罐下段102，打开月壤筒2底部封口法兰204卸出月壤。至此，完成 了钻具109在模拟月球环境真空罐的钻削工作。