一种月球极区含水模拟月壤的制备方法与流程

本发明属于深空探测，特别涉及一种月球极区含水模拟月壤的制备方法。

背景技术：

1、月球基地可以为人类提供科考、生活及资源开采等基础条件，是未来人类走向更远深空的前哨站。月球基地的建设已成为当前热点目标，近年来中国、美国等国家都正在开展各自的月球基地建设目标选址。通过初步分析，月球永久阴影区中可能存在的大量水冰。而月球水冰其对探究月球水的来源和演化机制、反演地月系统的起源与演化历史，人类月球活动，月球水资源的开采与利用、极区无人或载人月球基地的构建与运行和以月球作为前进基地制取燃料前往更远的深空等工程设想具有重要的科学意义与利用价值。为更好的利用和开采月球水资源，需在地面开展含水模拟月壤的制备和开采试验。

2、含水模拟月壤的制备需要满足以下要求：在基础原料状态符合要求前提下，(1)粒径分布与水分分布均一性满足要求；(2)级配和水份含量均满足公差要求；(3)相对密实度满足设计要求；(4)降温至-180℃以下，含水模拟月壤力学特性满足要求。以上要求目前普通制备方法无法满足要求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，通过控制加水方式、压实方式以及制冷方式等，保证水分布均匀性、相对密实度以及低温力学特性满足要求。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，包括：

4、将不同粒径的模拟月壤干壤按照要求的配比进行充分搅拌混合；

5、称取混合后的模拟月壤干壤并搅拌，按照月球极区含水月壤的含水率，采用喷雾洒水方式向搅拌过程中的模拟月壤干壤加水，得到i阶段含水模拟月壤；

6、根据月球极区含水月壤的相对密实度和模拟体积确定需要称取的i阶段含水模拟月壤的质量，将i阶段含水模拟月壤分多次加入月壤桶压实，得到ii阶段含水模拟月壤；

7、在ii阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷，使月壤桶内月壤温度低于-180℃，得到最终的目标含水模拟月壤。

8、进一步地，采用喷雾洒水方式加水后，继续搅拌20min以上，得到i阶段含水模拟月壤。

9、进一步地，i阶段含水模拟月壤制备完成后，随机取至少3份i阶段含水模拟月壤样品测量含水率，含水率均需控制在误差允许范围内，且含水率测量值最大偏差需满足要求，否则进行含水率修正，直到含水率满足要求。

10、进一步地，制备ii阶段含水模拟月壤时，将i阶段含水模拟月壤分多次等量加入月壤桶压实。

11、进一步地，制备ii阶段含水模拟月壤时，采用液压机进行压实，压实速度不高于30mm/min，压实压力为1～315吨(9.8～3090kn)。

12、进一步地，所述月壤桶为夹层桶结构，夹层内能够容纳冷却介质液氮，用于后续含水模拟月壤的梯度制冷；桶壁上安装至少一个贯穿筒壁的金属管，筒壁内外层壳体与金属管焊接固定，金属管内部形成传感器安装孔，在安装传感器前，通过密封件密封。

13、进一步地，ii阶段含水模拟月壤压实完成后，采用防水膜或防水布对盛放ii阶段含水模拟月壤的月壤桶进行包覆。

14、进一步地，所述在ii阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷步骤中，包括：采用钻头经传感器安装孔在包覆好的ii阶段含水模拟月壤中钻出测温孔，插入温度传感器，并用保温材料或i阶段含水模拟月壤将温度传感器填实。

15、进一步地，所述在ii阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷步骤中，包括：将月壤桶放置在-30℃低温冰箱内进行一级降温，直到月壤桶内部温度达到-30±3℃；再将月壤桶放入-80℃超低温冰箱内，进行二级降温，直到月壤桶内部温度达到-80±5℃；将月壤桶移出超低温冰箱，在月壤桶夹层中循环通入液氮，月壤桶侧壁和上表面包裹保温层，采用温度传感器进行温度监测，使月壤桶内月壤温度低于-180℃时，得到最终的目标含水模拟月壤。

16、第二方面，一种月球极区含水模拟月壤，其特征在于，通过第一方面所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法制得。

17、根据本发明提供的一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，具有以下有益效果：

18、(1)本发明提供的一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，在搅拌过程中采用喷雾加水方式，优化了加水方式，保证了含水模拟月壤水分分布的均匀性；

19、(2)本发明提供的一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，在搅拌时实时检测含水率，直到含水率满足要求，且含水率测量值(至少三次)最大偏差不超过0.2％，同时对含水模拟月壤填筑压实后进行包覆防水包覆，保证了含水率满足要求；

20、(3)本发明提供的一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，利用液压机，采用多次填筑，分层进行压实的方法，保证了含水模拟月壤在高度方向上的低密实度偏差；

21、(4)本发明提供的一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，采用低温冰箱、超低温冰箱以及液氮腔体循环制冷等逐级梯度制冷方法，优化了制冷方式，保证制备的含水模拟月壤力学特性满足要求，不出现裂纹等缺陷。

技术特征：

1.一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，采用喷雾洒水方式加水后，继续搅拌20min以上，得到i阶段含水模拟月壤。

3.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，i阶段含水模拟月壤制备完成后，随机取至少3份i阶段含水模拟月壤样品测量含水率，含水率均需控制在误差允许范围内，且含水率测量值最大偏差需满足要求，否则进行含水率修正，直到含水率满足要求。

4.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，制备ii阶段含水模拟月壤时，将i阶段含水模拟月壤分多次等量加入月壤桶压实。

5.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，制备ii阶段含水模拟月壤时，采用液压机进行压实，压实速度不高于30mm/min，压实压力为1～315吨。

6.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，所述月壤桶为夹层桶结构，夹层内能够容纳冷却介质液氮，用于后续含水模拟月壤的梯度制冷；桶壁上安装至少一个贯穿筒壁的金属管，筒壁内外层壳体与金属管焊接固定，金属管内部形成传感器安装孔，在安装传感器前，通过密封件密封。

7.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，ii阶段含水模拟月壤压实完成后，采用防水膜或防水布对盛放ii阶段含水模拟月壤的月壤桶进行包覆。

8.根据权利要求6所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，所述在ii阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷步骤中，包括：采用钻头经传感器安装孔在包覆好的ii阶段含水模拟月壤中钻出测温孔，插入温度传感器，并用保温材料或i阶段含水模拟月壤将温度传感器填实。

9.根据权利要求1所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法，其特征在于，所述在ii阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷步骤中，包括：将月壤桶放置在-30℃低温冰箱内进行一级降温，直到月壤桶内部温度达到-30±3℃；再将月壤桶放入-80℃超低温冰箱内，进行二级降温，直到月壤桶内部温度达到-80±5℃；将月壤桶移出超低温冰箱，在月壤桶夹层中循环通入液氮，月壤桶侧壁和上表面包裹保温层，采用温度传感器进行温度监测，使月壤桶内月壤温度低于-180℃时，得到最终的目标含水模拟月壤。

10.一种月球极区含水模拟月壤，其特征在于，通过权利要求1至9之一所述的月球极区含水模拟月壤的制备方法制得。

技术总结
本发明提供了一种月球极区含水模拟月壤的制备方法，包括：将不同粒径的模拟月壤干壤按照要求的配比进行充分搅拌混合；称取混合后的模拟月壤干壤并搅拌，按照月球极区含水月壤的含水率，采用喷雾洒水方式向搅拌过程中的模拟月壤干壤加水，得到I阶段含水模拟月壤；根据月球极区含水月壤的相对密实度和模拟体积确定需要称取的I阶段含水模拟月壤的质量，将I阶段含水模拟月壤分多次加入月壤桶压实，得到II阶段含水模拟月壤；在II阶段含水模拟月壤中安装温度传感器后进行梯度制冷，使月壤桶内月壤温度低于‑180℃，得到最终的目标含水模拟月壤。本发明通过控制加水方式、压实方式以及制冷方式等，保证水分布均匀性、相对密实度以及低温力学特性满足要求。

技术研发人员：张兴旺,庞勇,赵曾,王露斯,孙启臣,王储,莫桂冬,王国欣,张云凤,方金,吕东
受保护的技术使用者：北京卫星制造厂有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17