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模拟月球真空试验及现实意义

文章出处:上海真空泵厂家当前分类:真空泵新闻

  模拟月球真空试验及现实意义:
  月球真空环境是怎样的?为了获得样品数量,抽速,含水量对真空度的影响相关数据,研究人员模拟月球真空试验。旋片式真空泵在本次实验中,充当一次主角。
  1模拟月球真空试验装置设计
  1.1 设计指标
  根据月面环境实际情况,试验装置设计指标如下:
  1) 空载真空度:空载(不含模拟月壤)情况下,装置真空度可达1.0×10-1 Pa.
  2) 密实度:能够对模拟月壤进行压实,密实度不低于1.9 g/cm3.
  3) 含水量:能够对模拟月壤进行烘干,烘干后含水量不高于0.1%.
  4) 温度:能够对模拟月壤进行150℃加热.
  1.2 模拟月球真空试验装置
  试验装置主体部分为真空环境模拟器,对模拟月壤进行抽真空试验,制取真空条件下的模拟月壤;此外,还包括模拟月壤干燥、压实与加热设备,分别用于对模拟月壤进行干燥除水、振动压实与加热升温.
  真空环境模拟器包含真空泵、真空计与月壤筒及其他相关配件,
  月壤筒内径308 mm,高度200 mm,304不锈钢材料,密封采用能够耐受高温并容忍粉尘的氟橡胶.装置使用800目的不锈钢网过滤粉尘,避免对泵造成损坏.月壤筒顶部、底部和侧壁各有一个抽气口,可连接真空泵或真空计测头.试验过程中采用适合于粗低真空的测量的电阻真空计记录月壤筒内真空度的变化情况
  根据设计指标空载(不含模拟月壤)真空度可达1.0×10-1Pa的要求,装置选用旋片式真空泵,其极限压力可达6.0×10-2Pa,根据真空设计手册[15],计算旋片式真空泵需要的抽速.
  2 模拟月球真空试验测试方法
  模拟月壤由颗粒状粉末组成,在真空抽气的过程中,内部的气体分子流动急剧,从而对模拟月壤的密实度造成影响.试验分别从月壤筒顶部、底部对模拟月壤进行真空抽气,研究抽气方式对模拟月壤密实度的影响.
  影响模拟月壤极限真空度的因素有:样品量、密实度、温度、旋片式真空泵抽速、含水量.通过设计对照组试验,研究每一个因素对样品极限真空度的影响.
  3 模拟月壤真空试验研究
  3.1 抽气方式对样品密实度的影响
  月球表层月壤一般处于高密实度状态,试验通过振动装置实现模拟月壤的高密实度.抽真空的过程中,由于气体分子的流动对样品的密实度产生影响.月壤筒分别设计了顶部和底部的抽气口,用于探究从不同方位抽气对样品密实度的影响.
  通过实验可以明显看出,从月壤筒底部抽气后的样品四周形成空隙供气流通过,样品能够很好地维持密实度;从月壤筒顶部抽气后的样品侧壁无空隙,样品表面松动成块状,抽气过程中造成扬尘,抽气结束后散落在样品表面.因此,从月壤筒底部抽气,样品上方和内部的气体分子通过样品被真空泵抽走,样品能够很好地保持密实度,是对模拟月壤比较理想的抽真空方式.
  3.2 影响样品极限真空度的因素分析
  影响模拟月壤样品极限真空度的因素有:样品量、抽速、温度、含水量和密实度.可以通过试验对比(见表 1),研究这些因素对模拟月壤极限真空度的影响.
  3.2.2 抽速对真空度的影响
  试验3和试验4模拟月壤均为松散状态装填,样品在月壤筒内高度80 mm,均未烘干,均未在抽气过程中加热,试验3真空泵抽速15 L/s,试验4旋片式真空泵抽速19 L/s.
  试验过程中月壤筒内的真空度变化,可以看出,虽然试验4比试验3的抽速只大4 L/s,试验4的极限真空度比试验3的极限真空度高出一个数量级,因此抽速对样品能够达到的极限真空度极为关键,为达到更高真空度可考虑进一步加大真空泵抽速。
  3.2.3 样品量对真空度的影响
  试验5和试验6模拟月壤均为松散状态装填、烘干,旋片式真空泵抽速19 L/s,抽气过程中不加热,月壤筒内的样品高度在试验5和试验6中分别为80 mm和190 mm.
  试验过程中月壤筒内的真空度变化如图 9所示,从图中可以看出,2组试验最后的极限真空度基本一样,因此模拟月壤样品量的多少,不影响抽真空的极限真空度.
  3.2.4 含水量对真空度的影响
  试验4和试验5模拟月壤样品在月壤筒内的高度均为80 mm,旋片式真空泵抽速19 L/s,抽气过程中不加热,试验4样品不烘干,试验5样品烘干.
  试验过程中月壤筒内的真空度变化如图 10所示,从图中可以看出,2组试验最后的极限真空度烘干组稍低(低87 Pa).未烘干的样品可能含有水汽,对空气分子有一定的黏滞性,导致真空度偏低,因此对样品进行干燥后抽气必须考虑干燥造成的影响.
  3.2.5 密实度对真空度的影响
  试验6和试验7模拟月壤样品在月壤筒内的高度均为190 mm,抽速19 L/s,抽气过程中不加热,样品均烘干,试验6采用松散样品,试验7采用压实样品.
  试验过程中月壤筒内的真空度变化如图 11所示,从图中可以看出,2组试验最后的极限真空度压实样品稍低(低75 Pa).压实的样品内部含有更少的空气分子,因此导致压实的样品能够具有更高的极限真空度.
  4 模拟月球真空试验结 论
  本文设计并搭建了一套模拟月壤真空试验系统,对模拟月壤的真空实现方法进行的试验研究得到以下结论:
  1) 从月壤筒底部抽气是保证样品密实度的合理抽气方式.
  2) 旋片式真空泵的抽速是影响模拟月壤样品极限真空度的关键因素;抽气过程中对样品进行加热、样品量对极限真空度无影响;烘干对极限真空度稍有降低;压实对极限真空度稍有提高.
  模拟月球真空试验及现实意义:
  可帮助科研人员了解月壤真空一些基本情况,可以对月球真空环境做到一个大概的还原。
  探月三期需在月面真空环境下钻采2 m深的月壤样品,为测试采样器在真空热环境下的性能,需首先在地面模拟一个接近月表的真空热环境.本文设计了一套模拟月壤真空试验装置,研究了模拟月壤真空实现方法.通过使用机械泵对模拟月壤进行抽真空,分析了抽速、样品量、含水量、密实度和温度等因素对模拟月壤真空度的影响情况.此外,分别分析了从容器顶部、底部抽气对模拟月壤抽真空效果的影响,提出了保证样品密实度的可行抽气方法.该试验研究对构建月面真空环境模拟器具备一定的参考价值.

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