真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤制备方法

摘要

真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤制备方法，首先将月壤筒(102a)连接固定在三维振动平台(4)上，选取颗粒形态碱性橄榄玄武岩作为模拟月壤原材料并混合搅拌，得到模拟月壤，然后多次称取模拟月壤填入到月壤筒(102a)中，并振动得到达到模拟月壤的最大干密度的模拟月壤，最后对模拟月壤的相对密实度进行检测，得到高密实度特征的模拟月壤，并抽真空，得到真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤。本发明通过模拟月壤颗粒级配配制与混合搅拌，解决了模拟月壤与实际月壤在粒径级配上存在差异的问题，另外本发明通过采用模拟月壤的底部抽真空的方法，能够保证模拟月壤不发生相对松散，从而保证模拟月壤高密实度特征。

说明书

技术领域

本发明涉及空间资源探测技术领域，特别是一种真空模拟环境中具有高密 实度特征的模拟月壤制备方法。

背景技术

钻取采样是中国探月工程三期的重要任务，其钻具面对的是真空环境下高 密实度、低导热率的深层月壤，相互作用会产生大量的热量，而且月面采样工 作过程是没有冷却液的干粉钻进，容易导致钻具的温度快速升高，可能导致取 芯钻具失效甚至无法继续钻进。因此，为了进行真空钻进热特性试验，确定极 限温度边界以及选择合理的钻进规程参数，需要制备在真空模拟环境下具有高 密实度特征的模拟月壤。

真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤制备主要有2个技术难点， 一是模拟月壤具有细密紧实的结构特点，其中的气体分子很难排出，使得模拟 月壤难以达到真空度指标要求；二是在抽真空的过程中很容易造成模拟月壤的 体积膨胀和相对松散，导致模拟月壤的相对密实度下降，从而降低摩擦角、内 聚力、剪胀性等关键物理力学指标。目前尚无真空模拟环境下具有高密实度特 征的模拟月壤制备先例。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种解决现有技 术无法在模拟月面真空的环境下制备具有100％超高密实度、大摩擦角、高内 聚力、高剪胀性等物理力学特性的高等效模拟月壤问题的真空模拟环境中具有 高密实度特征的模拟月壤制备方法。

本发明的技术解决方案是：真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤 制备方法，包括如下步骤：

a、将月壤筒垂直连接固定在三维振动平台上；所述的月壤筒为内壁、底壁 设有透气孔的圆柱体；

b、选取颗粒形态碱性橄榄玄武岩作为模拟月壤原材料并混合搅拌，得到模 拟月壤，其中，颗粒形态碱性橄榄玄武岩包括棱角状、次棱角状的碱性橄榄玄 武岩；

c、称取质量m_n的模拟月壤填入到月壤筒中，然后将模拟月壤表面抹平， 其中，n的初值为1，n＝1，2，3…N，m_n为第n次称取并放入到月壤筒中的模 拟月壤质量；

d、将配重放置在月壤筒，用防尘口袋盖住月壤筒口；

e、令三维振动平台首先在上下方向振动，然后在左右、前后、上下三个方 向同时振动，测量振动后的模拟月壤高度h'_n；所述的h'_n为添加第n次模拟月壤 并振动后的高度；

f、根据振动后的模拟月壤高度h'_n计算模拟月壤振动后密度ρ_d为

${\rho }_d=\frac{4\underset{1}{\overset{n}{\Sigma }}{m}_n}{{\mathrm{\pi D}}^2{h}^{\prime }}$

其中，D为月壤筒内径；

如果模拟月壤振动后密度ρ_d达到模拟月壤的最大干密度，则终止振动，否 则继续在X、Y、Z三个方向同时振动，直至模拟月壤振动后密度ρ_d达到模拟月 壤的最大干密度；

g、n＝n+1，重复步骤(c)～(f)，直至n＝N，其中，m_总为所 需要的模拟月壤质量；

h、利用质量体积法测定模拟月壤相对密实度D_r为

其中，h_总为N次添加模拟月壤并振动后的高度，当模拟月壤中5mm以上 的粒径级配比例不大于6％时，ρ′_dmax＝ρ_dmax，ρ′_dmin＝ρ_dmin，ρ_dmax为模拟月壤最大 干密度，ρ_dmin为模拟月壤最小干密度，当模拟月壤中5mm以上的粒径级配比 例大于6％时，

${\rho }_{dmax}^{\prime }=\frac{1}{\frac{1-P_5}{{\rho }_{dmax}}+\frac{P_5}{{\rho }_5}}$

${\rho }_{d\min }^{\prime }=\frac{1}{\frac{1-P_5}{{\rho }_{dmin}}+\frac{P_5}{{\rho }_5}}$

如果模拟月壤相对密实度D_r大于100％，则制备达标，得到高密实度特征 的模拟月壤，否则制备没有达标，其中，ρ₅为模拟月壤中粒径为5mm以上的 颗粒密度，P₅为模拟月壤中5mm以上的粒径级配比例。

i、将月壤筒吊入真空罐系统中，利用真空罐系统内的月壤筒锁紧结构连接 并锁紧月壤筒；

j、封闭真空罐系统，实时监测真空罐系统内各位置的真空度，当真空罐系 统内有位置不为真空时，令真空泵组抽出真空罐系统内气流直至真空罐为真空 环境。

所述的月壤筒内设有空隙800目的不锈钢滤网制作的内胆，内胆紧贴在月 壤筒内壁和底壁上。

所述的颗粒形态碱性橄榄玄武岩中颗粒粒径小于0.01mm的占13.51％， 在0.01-0.025mm之间的占11.99％，在0.025-0.05mm之间的占12.83％，在 0.05-0.075mm之间的占8.24％，在0.075-0.1之间的占5.53％，在0.1-0.25mm 之间的占14.2％，在0.25-0.5之间的占10.2％，在0.5-1mm之间的占8.5％， 大于1mm的占15％。

所述的三维振动平台首先在上下方向振动的时间为5分钟，左右、前后、 上下三个方向同时振动的时间为15分钟。

所述的三维振动平台振动的频率为30Hz。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明方法与现有技术相比，通过模拟月壤颗粒级配配制与混合搅拌， 解决了模拟月壤与实际月壤在粒径级配上存在差异的问题，实现了模拟月壤颗 粒粒径分布的高等效模拟；

(2)本发明与现有技术相比，通过采用模拟月壤的底部抽真空的方法，能 够保证模拟月壤不发生相对松散，从而保证模拟月壤高密实度特征；

(3)本发明与现有技术相比，通过将空隙800目的不锈钢滤网制作的内 胆紧贴月壤筒内壁和底部法兰放置，保证月壤在压实和钻进试验过程中颗粒不 外漏的同时，实现了模拟月壤的内部真空；

(4)本发明与现有技术相比，通过使用月壤筒内壁的多层不锈钢滤网以及 真空泵组中的粉尘过滤装置，减少了对真空泵组的污染，大大提高了真空泵组 的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一种真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤制备方法 装置图；

图2为本发明方法中模拟月壤三维振动压实方法图；

图3为本发明方法中具有高密实度特征的模拟月壤真空环境实施方法图。

具体实施方式

本发明提出一种真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟月壤制备方法， 能够在模拟月面真空的环境下，高等效模拟真实月壤的超高密实度、大摩擦角、 高内聚力、高剪胀性等物理力学特性，因此本发明不仅可以应用于月面真空环 境下各种采样探测活动的地面试验研究，而且还可以拓展应用于其他真空环境 下模拟星壤的制备。下面结合附图对本发明方法进行详细说明。

本发明月壤模拟方法通过模拟月壤制备与真空模拟装置实现，如图1所示 模拟月壤制备与真空模拟装置包括真空罐系统1、真空泵组2、控制与数据采 集系统3、三维振动平台4。

真空罐系统1实现模拟月壤的真空环境，真空罐系统1包括真空罐、月壤 筒、月壤筒锁紧结构。

真空罐为外径Φ640mm，内径Φ620mm的空心筒状结构，材料为结构钢， 分为真空罐上段、真空罐下段、真空罐底座，三段之间依次螺栓固定连接，真 空罐罐底座固定于地面上。月壤筒位于真空罐内部，为外径Φ500mm，内径Φ 484mm的空心圆筒，总高2m，材料结构钢，月壤筒整体由月壤筒102a的月 壤筒底部法兰102b组成，通过底部法兰102b与真空罐螺栓固定连接。月壤筒 锁紧机构设置在月壤筒腰部，与真空罐连接，防止月壤筒在钻进过程中转动和 倾倒。月壤筒包括操作把手与支撑杆，月壤筒扶持机构本质上为杠杆机构，支 撑杆筒内部装有弹簧，弹簧压紧支撑杆，支撑杆筒与支撑杆之间采用O型橡胶 圈密封。当把手处于压紧之后，把手与真空罐外壁用锁扣固定，此时月壤筒被 固定，不能够左右转动。月壤筒锁紧机构在月壤筒腰部周围均布三组。

真空罐抽气口设计在底部，从月壤筒的底部进行抽气，能够保证模拟月壤 不发生相对松散，从而保证模拟月壤高密实度特征。同时采用空隙800目的不 锈钢滤网制作的内胆紧贴月壤筒内壁和底部法兰放置，在透气孔处采用点焊技 术将不锈钢网内胆焊接到月壤筒内壁上，既保证月壤在压实和钻进试验过程中 颗粒不外漏，又有利于模拟月壤内部的气体排出。

真空泵组2将真空罐内气压抽到真空状态，真空泵组2包括扩散泵组、冷 却水循环机、气体压缩机、真空管道、粉尘过滤装置。

控制与数据采集系统3可对泵组进行控制，对真空罐内不同位置真空度进 行测量，位置分别位于真空罐上段中部、真空罐下段中部与真空泵组抽气口3 处，实时控制与监测真空罐内的真空度分布情况。

三维振动平台4进行振动压实，能够获得深度2m以上、100％超高相对密 实度，以及大摩擦角、高内聚力、高剪胀性等物理力学特性，确保与真实月壤 等效，并进行全剖面模拟月壤性质检测，利用质量体积在线检测法实时控制和 检测模拟月壤填筑压实的相对密实度，实现物理力学参数的量化可控。

首先将真空罐系统1拆卸，对月壤筒进行模拟月壤填筑，将月壤筒单独连 接固定在三维振动平台4上，通过三维振动平台4对月壤筒中填筑模拟月壤进 行振动压实。模拟月壤制备完成后，将月壤筒吊装入真空罐系统1中，通过控 制与数据采集系统3对真空泵2组进行抽真空，对真空罐内不同位置真空度进 行测量，实时控制与监测真空罐内的真空度分布情况，直至模拟月壤的真空环 境实现。

下面结合实施例对本发明方法做进一步的详细说明。如图2所示为本发明 中模拟月壤三维振动压实实施方法图，如图3所示为本发明实施例所述的具有 高密实度特征的模拟月壤真空环境实施方法图，具体实施过程如下：

(1)将月壤筒102a的月壤筒底部法兰102b利用螺栓连接固定在三维振 动平台4上；

(2)选取颗粒形态碱性橄榄玄武岩作为模拟月壤原材料并混合搅拌，得到 模拟月壤，其中，颗粒形态碱性橄榄玄武岩包括棱角状、次棱角状的碱性橄榄 玄武岩；

(3)利用质量体积法测定模拟月壤相对密度，对每一次输入的深层模拟月 壤质量进行记录，待振动完毕后测量试验槽内土壤高度，控制100％的高相对 密度。

(31)多次称取质量m_j的模拟月壤填入到月壤筒102a中，然后将模拟月 壤表面抹平，其中，j的初值为1，j＝1，2，3…N，m_j为第j次称取并放入到月 壤筒102a中的模拟月壤质量；

(32)将配重放置在月壤筒102a，用防尘口袋盖住月壤筒102a口，以防 粉尘污染；

(33)令三维振动平台1首先在上下方向振动，然后在左右、前后、上下 三个方向同时振动，测量振动后的模拟月壤高度h'_j；所述的h'_j为添加第j次模 拟月壤并振动后的高度；

(34)根据振动后的模拟月壤高度h'_j计算模拟月壤振动后密度ρ_d为

${\rho }_d=\frac{4m}{{\mathrm{\pi D}}^2{h^{\prime }}_j}$

其中，D为月壤筒102a内径；

如果模拟月壤振动后密度ρ_d达到模拟月壤的最大干密度，则终止振动，否 则继续在X、Y、Z三个方向同时振动，直至模拟月壤振动后密度ρ_d达到模拟月 壤的最大干密度；

(35)j＝j+1，重复步骤(31)～(34)，直至j＝N，其中，m_总为所需要的模拟月壤质量；

(36)利用质量体积法测定模拟月壤相对密实度D_r为

其中，h_总为N次振动后模拟月壤总高度，当模拟月壤中5mm以上的粒径 级配比例不大于6％时，ρ′_dmax＝ρ_dmax，ρ′_dmin＝ρ_dmin，ρ_dmax为模拟月壤最大干密度， ρ_dmin为模拟月壤最小干密度，当模拟月壤中5mm以上的粒径级配比例大于6％ 时，

如果模拟月壤相对密实度D_r大于100％，则制备达标，得到高密实度特征 的模拟月壤，否则制备没有达标。

(4)具有高密实度特征的模拟月壤制备完成后，将月壤筒102a吊入真空 罐系统1中，利用月壤筒底部法兰102b与真空罐系统1的月壤筒锁紧结构连 接并锁紧；

(5)关闭真空罐系统1舱门，通过控制与数据采集系统3对泵组进行启 动，对真空罐内不同位置真空度进行测量，实时控制与监测真空罐内的真空度 分布情况；

(6)月壤筒内壁和底部法兰102b都有透气孔，对真空罐系统1抽气时， 可同时对模拟月壤内部进行抽真空；同时采用空隙800目的不锈钢滤网制作的 内胆紧贴月壤筒内壁和底部法兰放置，在透气孔处采用点焊技术将不锈钢网内 胆焊接到月壤筒内壁上，既保证月壤在压实和钻进试验过程中颗粒不外漏，又 有利于模拟月壤内部的气体排出，提高了真空环境的实现效率；

(7)气流从模拟月壤内部排出，通过真空泵组2的真空管道201与粉尘 过滤装置203，最终达到扩散泵202，直至模拟月壤的真空环境实现。

通过上述步骤实现了本发明一种真空模拟环境中具有高密实度特征的模拟 月壤制备方法，对月球探测的研究与工程试验具有重要意义。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。