一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种月面环境模拟装置，该装置可以模拟月面高真空、月壤表层高温、表层以下低温的环境特点，可与钻进装置进行密封连接，在模拟月面环境中对月壤筒内不同位置的模拟月壤进行钻取试验研究，属于空间资源探测技术领域。
【背景技术】
[0002]探月工程(三期)项目的任务为发射无人月面着陆器，在月面进行钻取和表面采样，并将采集到的月壤样品带回地球。为了完成钻取和采样的任务，需要设计钻取机构，并进行一系列钻取性质研究，为探月工程(三期)项目的任务提供相关知识储备，以保证机构的安全可靠性。
[0003]设计钻取机构时，需要合理选择钻具的结构参数，合理设置钻进过程中的相关参数(钻具转速、钻进行程、钻压力、冲击速度等)。根据探月项目规划要求，要求钻具能够钻到大于2m的深度，钻进距离长，钻进过程中月壤不能及时排出，并且无法通过注水等方式进行散热，使得钻具散热困难，可能造成钻杆折断、钻杆烧穿、高温改变样品性质等情况。因此，进行相关钻进过程热特性研究，通过实验分析选择合理参数显得尤为重要。
[0004]月球环境极为苛刻，月面环境中大气密度只有地球的1/1012，为超高真空环境。月球白天受太阳直接照射，极限温度可达150°C，黑夜受太阳辐射极少，极限温度可达-180°C，造成月球表面温度高，而300mm以下温度则很低的温度分布特点。在这种环境中，月壤具有导热性差、热导率底、高密实度等特点。月壤的物理特性与钻进过程中的热特性密切相关，同时会影响钻具的切削性能。地面与月面环境较大的差异可能会造成地面试验数据与月面试验数据有较大偏差，地面试验结果对钻取装置参数的合理设置、机构性能的提升可能有误导作用，且不易于发现一些隐藏的重大隐患。
[0005]因此，需要设计一种月面环境模拟装置，在此环境模拟装置中进行钻进过程热特性试验研究，以获得更接近事实的数据，识别苛刻工况中的风险，确定合理的钻进策略和安全钻进的临界条件，摸索月面环境中的热传播以及耗散途径。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种用于模拟月面钻进试验的月面环境模拟装置。该装置根据月面环境不同参数对钻进过程热特性的影响程度，选取其中影响较大的三个环境参数进行模拟，包括:高真空、月壤表层高温、表层以下低温，其中真空环境参数、月壤表层及以下环境温度参数可以调控。在此月面环境模拟装置中进行钻取试验，根据相关测量参数可分析评估钻进过程中的热特性。该环境模拟装置分为真空罐系统、真空获得系统、加热制冷系统、数据采集与控制系统。
[0007]所述真空罐系统为钻取试验提供一个真空密闭环境，并能够变换模拟月壤的位置，实现在模拟月壤表面多点钻取的功能。真空罐系统包括真空罐、月壤筒、月壤筒转动机构、月壤筒锁紧机构。其中真空罐抽气口设计在底部，从月壤筒底部抽气，可有效减少月尘飞扬现象。
[0008]所述真空获得系统的功能是将真空罐腔体内气压抽到试验所需要的真空度指标。真空获得系统包括真空栗组、冷却水循环机、空气压缩机、真空栗组控制柜、波纹管，其中各设备的型号、参数等根据真空度指标来进行选择。
[0009]所述加热制冷系统的功能是将不同深度的模拟月壤加热或制冷，模拟月面温度环境。加热制冷系统分为加热装置和制冷装置，其中加热装置采用碘钨灯加热，用来模拟月表的高温状态；制冷装置采用在月壤筒上缠绕冷却盘管的方式实现制冷，用来模拟月壤表层以下的低温状态。
[0010]所述数据采集与控制系统分为温度模块和真空测量模块。温度模块可对模拟月壤内部不同地方的温度进行测量，并根据测量数据进行闭环控制，提高对温度的控制精度与响应速度。真空测量模块可对真空罐内不同地方真空度进行测量，实时监测真空罐内的真空度分布情况。
[0011]本发明的优点在于:
[0012](I)本发明针对钻进过程热特性对月面环境因素的敏感性，合理选择环境模拟项目，为钻进试验模拟一个有效的月面试验环境，包括:高真空、表层高温、表层以下低温，忽略对试验结果几乎没有影响的环境模拟项目，经济有效；
[0013](2)本发明与钻进过程热特性试验所需的模拟环境大小、结构相适应，可充分利用资源、源动力，减少试验时间，提高试验环境质量；
[0014](3)本发明与钻机有相应的动密封接口，可将钻进机构置于真空系统外部，试验时只需将钻具伸入真空系统中进行钻取即可，因此不需要研制可应用于真空系统中的钻进机构，从而减少研制费用。动密封接口采用磁流体与波纹管组合密封，可在钻进过程中实现良好的密封效果；
[0015](4)本发明从真空罐底部抽气，使大部分气流从月壤筒底部流出，减少月尘飞扬；
[0016](5)本发明中真空栗组与真空罐安装平面有一定高度差，使真空栗组阀门正好与真空罐底部抽气口相对，减少真空栗组与真空室之间的管道长度，减少流导损失，提升栗组的有效抽速；
[0017](6)本发明中真空罐内部的机械结构简单，零件之间狭窄细长的缝隙较少，通气口径大，减少对真空栗组抽速的影响；
[0018](7)本发明可在真空罐外对月壤筒进行转动与锁紧操作，允许每次达到真空度指标后，不用开启真空罐即可进行多次钻取试验，操作简单，减少试验时间；
[0019](8)本发明选取扩散栗组来进行抽真空，并设有相关过滤装置，允许在抽气过程中存在少量粉尘；
[0020](9)本发明选取的加热制冷方式效率高，且制冷温度可以在一定范围内快速调
-K-
T ；
[0021](10)本发明在模拟月壤中多处设有温度传感器来测量月壤的温度环境，并根据测量温度对模拟温度环境进行闭环控制，控制精度较高。
【附图说明】
[0022]图1是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体侧视图；
[0023]图2是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体俯视图；
[0024]图3是本发明用于模拟月面钻取试验的月面环境模拟装置整体立体图；
[0025]图4是本发明中真空罐系统组成示意图；
[0026]图5是本发明中真空罐结构示意图；
[0027]图6是本发明月壤筒结构示意图；
[0028]图7是本发明中月壤筒转动机构示意图；
[0029]图8是本发明中小齿轮轴旋转密封结构示意图；
[0030]图9是本发明中回转支承结构示意图；
[0031]图10是本发明中月壤筒中连续钻取位置示意图；
[0032]图11是本发明中月壤筒锁紧机构整体示意图；
[0033]图12是本发明中月壤筒锁紧机构内部结构示意图；
[0034]图13为本发明中弹簧套筒往复运动密封结构示意图；
[0035]图14为本发明中月壤筒锁紧机构原理示意图；
[0036]图15为本发明中月壤筒锁紧机构不同工作状态示意图；
[0037]图16为本发明中锁紧插销结构示意图；
[0038]图17为本发明中锁紧插销工作原理示意图；
[0039]图18是本发明中真空获得系统组成示意图；
[0040]图19是本发明中真空栗组结构示意图；
[0041]图20是本发明中加热装置结构示意图；
[0042]图21为本发明中加热装置灯罩调节机构示意图；
[0043]图22是本发明中制冷装置结构示意图；
[0044]图23为本发明中制冷装置管道连接示意图；
[0045]图24为本发明中金属管低温密封结构示意图；
[0046]图25为本发明中温度传感器分布示意图；
[0047]图26为本发明中温度信号的传输、采集及反馈原理图；
[0048]图27为本发明中真空计分布示意图；
[0049]图28为本发明中真空度信号采集原理图。
[0050]图中:
[0051]1-真空罐系统2-真空获得系统3-加热制冷系统
[0052]4-数据采集与控制系统
[0053]101-真空罐102-月壤筒103-月壤筒转动机构
[0054]104-月壤筒锁紧机构
[0055]1la-真空罐上段1lb-真空罐下段1lc-真空罐底座
[0056]102a-月壤筒侧壁102b_月壤筒底部法兰
[0057]103a-防尘隔板103b_小齿轮103c_小齿轮轴
[0058]103d-操作杆103e_回转支承103f-轴承端盖
[0059]103g_深沟球轴承103h_J型密封平垫103i_J型密封压套
[0060]103J-J型密封端盖103k_J型密封圈
[0061]104a-操作把手104b_杠杆104c_弹簧端盖
[0062]104d-弹簧套筒104e_弹簧104f-压杆
[0063]104g-0型密封端盖104h-0型密封平垫104i_0型密封压套
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