真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間資源探測技術領域，特別是一種真空模擬環(huán)境中具有高密實度特 征的模擬月壤制備方法。
【背景技術】
[0002] 鉆取采樣是中國探月工程三期的重要任務，其鉆具面對的是真空環(huán)境下高密實 度、低導熱率的深層月壤，相互作用會產生大量的熱量，而且月面采樣工作過程是沒有冷卻 液的干粉鉆進，容易導致鉆具的溫度快速升高，可能導致取芯鉆具失效甚至無法繼續(xù)鉆進。 因此，為了進行真空鉆進熱特性試驗，確定極限溫度邊界以及選擇合理的鉆進規(guī)程參數，需 要制備在真空模擬環(huán)境下具有高密實度特征的模擬月壤。
[0003] 真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備主要有2個技術難點，一是模 擬月壤具有細密緊實的結構特點，其中的氣體分子很難排出，使得模擬月壤難以達到真空 度指標要求；二是在抽真空的過程中很容易造成模擬月壤的體積膨脹和相對松散，導致模 擬月壤的相對密實度下降，從而降低摩擦角、內聚力、剪脹性等關鍵物理力學指標。目前尚 無真空模擬環(huán)境下具有高密實度特征的模擬月壤制備先例。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術問題是：克服現有技術的不足，提供了一種解決現有技術無法 在模擬月面真空的環(huán)境下制備具有100%超高密實度、大摩擦角、高內聚力、高剪脹性等物 理力學特性的高等效模擬月壤問題的真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備 方法。
[0005] 本發(fā)明的技術解決方案是：真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備方 法，包括如下步驟：
[0006] a、將月壤筒垂直連接固定在三維振動平臺上；所述的月壤筒為內壁、底壁設有透 氣孔的圓柱體；
[0007] b、選取顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖作為模擬月壤原材料并混合攪拌，得到模擬月 壤，其中，顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖包括棱角狀、次棱角狀的堿性橄欖玄武巖；
[0008] c、稱取質量!11"的模擬月壤填入到月壤筒中，然后將模擬月壤表面抹平，其中，η的 初值為1，η = 1，2, 3…N，mn為第η次稱取并放入到月壤筒中的模擬月壤質量；
[0009] d、將配重放置在月壤筒，用防塵口袋蓋住月壤筒口；
[0010] e、令三維振動平臺首先在上下方向振動，然后在左右、前后、上下三個方向同時振 動，測量振動后的模擬月壤高度h' n;所述的h' "為添加第η次模擬月壤并振動后的高度； [0011] f、根據振動后的模擬月壤高度h'n計算模擬月壤振動后密度P ,為
[0013] 其中，D為月壤筒內徑；
[0014] 如果模擬月壤振動后密度P d達到模擬月壤的最大干密度，則終止振動，否則繼續(xù) 在X、Y、Z三個方向同時振動，直至模擬月壤振動后密度P ,達到模擬月壤的最大干密度；
[0015] g、n = n+1，重復步驟（c)~（f)，直至η = N，其中，
為所需要的模 擬月壤質量；
[0016] h、利用質量體積法測定模擬月壤相對密實度隊為
[0018] 其中，h,&SN次添加模擬月壤并振動后的高度，當模擬月壤中5mm以上的粒徑級配 比例不大于6%時，
為模擬月壤最大干密度，P dmin 為模擬月壤最小干密度，當模擬月壤中5mm以上的粒徑級配比例大于6%時，
[0021] 如果模擬月壤相對密實度^大于100%，則制備達標，得到高密實度特征的模擬月 壤，否則制備沒有達標，其中，P 5為模擬月壤中粒徑為5mm以上的顆粒密度，P 5為模擬月壤 中5mm以上的粒徑級配比例。
[0022] i、將月壤筒吊入真空罐系統(tǒng)中，利用真空罐系統(tǒng)內的月壤筒鎖緊結構連接并鎖緊 月壤筒；
[0023] j、封閉真空罐系統(tǒng)，實時監(jiān)測真空罐系統(tǒng)內各位置的真空度，當真空罐系統(tǒng)內有 位置不為真空時，令真空栗組抽出真空罐系統(tǒng)內氣流直至真空罐為真空環(huán)境。
[0024] 所述的月壤筒內設有空隙800目的不銹鋼濾網制作的內膽，內膽緊貼在月壤筒內 壁和底壁上。
[0025] 所述的顆粒形態(tài)堿性橄欖玄武巖中顆粒粒徑小于0.01mm的占13. 51 %，在 0· 01-0. 025mm 之間的占 IL 99 %，在 0· 025-0. 05mm 之間的占 12. 83 %，在 0· 05-0. 075mm 之間的占8. 24 %，在0. 075-0. 1之間的占5. 53 %，在0. 1-0. 25mm之間的占14. 2 %，在 0.25-0. 5之間的占10.2%，在0.5-lmm之間的占8. 5%，大于Imm的占15%。
[0026] 所述的三維振動平臺首先在上下方向振動的時間為5分鐘，左右、前后、上下三個 方向同時振動的時間為15分鐘。
[0027] 所述的三維振動平臺振動的頻率為30Hz。
[0028] 本發(fā)明與現有技術相比的優(yōu)點在于：
[0029] (1)本發(fā)明方法與現有技術相比，通過模擬月壤顆粒級配配制與混合攪拌，解決了 模擬月壤與實際月壤在粒徑級配上存在差異的問題，實現了模擬月壤顆粒粒徑分布的高等 效模擬；
[0030] (2)本發(fā)明與現有技術相比，通過采用模擬月壤的底部抽真空的方法，能夠保證模 擬月壤不發(fā)生相對松散，從而保證模擬月壤高密實度特征；
[0031] (3)本發(fā)明與現有技術相比，通過將空隙800目的不銹鋼濾網制作的內膽緊貼月 壤筒內壁和底部法蘭放置，保證月壤在壓實和鉆進試驗過程中顆粒不外漏的同時，實現了 豐旲擬月壤的內部真空；
[0032] (4)本發(fā)明與現有技術相比，通過使用月壤筒內壁的多層不銹鋼濾網以及真空栗 組中的粉塵過濾裝置，減少了對真空栗組的污染，大大提高了真空栗組的使用壽命。
【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明一種真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備方法裝置 圖；
[0034] 圖2為本發(fā)明方法中模擬月壤三維振動壓實方法圖；
[0035] 圖3為本發(fā)明方法中具有高密實度特征的模擬月壤真空環(huán)境實施方法圖。
【具體實施方式】
[0036] 本發(fā)明提出一種真空模擬環(huán)境中具有高密實度特征的模擬月壤制備方法，能夠在 模擬月面真空的環(huán)境下，高等效模擬真實月壤的超高密實度、大摩擦角、高內聚力、高剪脹 性等物理力學特性，因此本發(fā)明不僅可以應用于月面真空環(huán)境下各種采樣探測活動的地面 試驗研究，而且還可以拓展應用于其他真空環(huán)境下模擬星壤的制備。下面結合附圖對本發(fā) 明方法進行詳細說明。
[0037] 本發(fā)明月壤模擬方法通過模擬月壤制備與真空模擬裝置實現，如圖1所示模擬月 壤制備與真空模擬裝置包括真空罐系統(tǒng)1、真空栗組2、控制與數據采集系統(tǒng)3、三維振動平 臺4〇
[0038] 真空罐系統(tǒng)1實現模擬月壤的真空環(huán)境，真空罐系統(tǒng)1包括真空罐、月壤筒、月壤 筒鎖緊結構。
[0039] 真空罐為外徑Φ640πιπι，內徑Φ620πιπι的空心筒狀結構，材料為結構鋼，分為真空 罐上段、真空罐下段、真空罐底座，三段之間依次螺栓固定連接，真空罐罐底座固定于地面 上。月壤筒位于真空罐內部，為外徑Φ500πιπι，內徑Φ484πιπι的空心圓筒，總高2m，材料結構 鋼，月壤筒整體由月壤筒l〇2a的月壤筒底部法蘭102b組成，通過底部法蘭102b與真空罐 螺栓固定連接。月壤筒鎖緊機構設置在月壤筒腰部，與真空罐連接，防止月壤筒在鉆進過程 中轉動和傾倒。月壤筒包括操作把手與支撐桿，月壤筒扶持機構本質上為杠桿機構，支撐桿 筒內部裝有彈簧，彈簧壓緊支撐桿，支撐桿筒與支撐桿之間采用〇型橡膠圈密封。當把手處 于壓緊之后，把手與真空罐外壁用鎖扣固定，此時月壤筒被固定，不能夠左右轉動。月壤筒 鎖緊機構在月壤筒腰部周圍均布三組。
[0040] 真空罐抽氣口設計在底部，從月壤筒的底部進行抽氣，能夠保證模擬月壤不發(fā)生 相對松散，從而保證模擬月壤高密實度特征。同時采用空隙800目的不銹鋼濾網制作的內 膽緊貼月壤筒內壁和底部法蘭放置，在透氣孔處采用點焊技術將不銹鋼網內膽焊接到月壤 筒內壁上，既保證月壤在壓實和鉆進試驗過程中顆粒不外漏，又有利于模擬月壤內部的氣 體排出。
[0041] 真空栗組2將真空罐內氣壓抽到真空狀態(tài)，真空栗組2包括擴散栗組、冷卻水循環(huán) 機、氣體壓縮機、真空管道、粉塵過濾裝置。
[0042] 控制與數據采集系統(tǒng)3可對栗組進行控制，對真空罐內不同位置真空度進行測 量，位置分別位于真空罐上段中部、真空罐下段中部與真空栗組抽氣口 3處，實時控制與監(jiān) 測真空罐內的真空度分布情況。
[0043] 三維振動平臺4進行振動壓實，能夠獲得深度2m以上、100%超高相對密實度，以 及大摩擦角、高內聚力、高剪脹性等物理力學特性，確保與真實月壤等效，并進行全剖面模 擬月壤性質檢測，利用質量體積在線檢測法實時控制和檢測模擬月壤填筑壓實的相對密實 度，實現物理力學參數的量化可控。<