探月工程(三期)项目的任务为发射无人月面着陆器，在月面进行钻取和采样工作，并将采集到的月壤样品带回地球[1]。为了保证钻取机构的可靠性，需要在地面开展一系列模拟月面钻进过程的热特性试验研究。由于近月空间和月面环境中，真空度高达10-11Pa[2]，此高真空环境中，月壤导热性差、热导率低和密实度高等特点会对钻进过程热特性试验的结果产生较大影响。因此，钻进试验需要在一个模拟月面的真空环境中进行[3]，以选择合理的钻进策略和安全钻进的临界条件。
目前，国外普遍采用全比模型分析法来检验机构，苏联将整个采样器放置在月球环境模拟器中观察其工作状况，此研究方法对环境模拟器的空间和采样器的真空适应性要求较高[4]。美国国家航天局(NASA)的Fountain和West[5]将少量模拟月壤置于真空度达1.33×10-6Pa的离子泵真空系统中来研究模拟月壤的热导率。美国肯塔基大学的Cremers等[6]将6g Apollo 12月壤样品置于直径为300mm、高为400mm的不锈钢真空室内进行热导率相关实验，真空环境可达10-4Pa，由分子泵实现。以上2个真空系统均需要严格控制粉尘污染，真空室内只能放置少量模拟月壤，无法满足深层钻进试验的要求。美国喷气推进实验室Bernett等[7]通过实验发现真空环境对细粒橄榄玄武岩热导率有很大影响，其实验所用的真空室采用玻璃制成，直径为304.8mm，真空环境可达6.6×10-4Pa，由口径为100mm的扩散泵组实现，但是由于真空室体积较小，无法容纳过多的模拟月壤。美国Honeybee实验室将其研制的LunarVader钻取采样装置放置在真空环境中进行性能测试，真空室的长宽各1m、高3.5m，内置1m长的细长圆柱体模拟月壤，模拟月壤掺满水后压实冻结，钻进深度达750mm，真空度可维持在853Pa[8]，该试验中模拟月壤需要为掺水状态，与真实月壤参数有较大不同，且真空室内真空度过低。中国哈尔滨工业大学崔金生等[9]在真空环境中进行钻进试验，钻进深度不超过50mm，真空环境采用旋片式机械泵来实现，真空度变化范围为30~230Pa，此试验环境真空度同样过低，另外允许钻进深度也较小。北京航空航天大学张涛等[10]用旋片式机械泵对模拟月壤进行抽真空实验，真空室直径为308mm、高为200mm，内部置满烘干压实的模拟月壤，极限真空度达19Pa，该真空系统可允许放置大量模拟月壤，但是并未与钻进试验相结合，真空度也较低。
目前，国内外月面真空环境模拟技术均处于试验探究阶段，模拟月壤因其硬度等特性，对真空泵叶片有较大损害[11]，因此真空装置内不能放置过多模拟月壤，或选择将模拟月壤冻结。此外，目前应用于钻进试验的真空室尺寸较小，不能进行深层多次钻进采样试验。
针对月面钻进过程热特性试验研究的需求，本文设计了一种用于深层多次钻进过程热特性试验研究的月面真空环境模拟装置，并验证了其不同工作条件下的真空性能。
1 真空度指标的确定1963年，美国喷气推进实验室Bernett等[7]研究了真空环境中模拟月壤的热扩散率与热导率，发现在1.33~13.3Pa与1.33×10-4~1.33×10-1Pa真空环境中，模拟月壤的热导率并没有明显不同，可知在10Pa左右与更低的真空度环境中，模拟月壤的热导率基本为常值。
1965年，NASA研究者Wechsler和Glaser[12]对几种不同成分的模拟月壤进行了真空热导率测试实验。实验结果显示，当周围气压低于10Pa后，玄武岩粉末、浮石粉末和花岗岩等的热导率随气压变化很小，变化范围不超过10-5W/(cm·K)。
1975年，美国加利福尼亚大学研究者Tien和Nayak[13]对Apollo系列样品在真空中的热导率变化进行了对比，发现在1.33 ~133 Pa范围内月壤热导率变化曲线与Yovanovich和Kitscha[14]的理论模型趋于一致：当气压低于10Pa时，随着气压降低，月壤的热导率变化很小，变化范围不超过10-5W/(cm·K)；当气压接近1Pa时，随着气压降低，月壤的热导率基本上不再变化。
由以上可知，气压低于10Pa后，随着气压降低，月壤的热导率变化很小。在地面环境中模拟月面极高的真空度有很大难度，若将月面真空环境模拟装置的真空度设置在10Pa以下，则由于月壤的热导率变化很小，钻进试验过程中的热特性与在真实月面环境中的结果近似等效。
2 月面真空环境模拟装置的研制 2.1 设计指标根据月面钻进过程热特性试验研究对真空环境的需求，月面真空环境模拟装置的设计指标如下：
1) 钻杆钻进行程：≥2m。
2) 月面真空环境模拟装置空载(不内置模拟月壤)真空度：10-1Pa，抽真空时间：<24h。
3) 月面真空环境模拟装置带载(内置模拟月壤)真空度：<10Pa，抽真空时间：<24h。
4) 每次达到真空度指标后，可连续进行3次钻进试验。
2.2 方案设计根据第2.1节设计指标和要求，提出如下月面真空环境模拟装置的方案，装置由真空罐模块、月壤筒模块和真空获得模块组成，其具体功能模块组成如图 1所示。
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| 图 1 装置的功能模块组成 Fig. 1 Composition of device’s function modules |
根据各个功能模块设计了月面真空环境模拟装置的三维模型，如图 2所示。
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| 图 2 月面真空环境模拟装置的三维模型 Fig. 2 Three-dimensional model of lunar surface vacuum environmental simulation device |
月面真空环境模拟装置的工作流程为：首先完成月壤筒模块的安装，将盛满模拟月壤的月壤筒固定在真空罐内部转动机构上；然后完成真空罐模块的安装，将真空罐各部分之间采用橡胶圈压紧密封；最后由真空获得模块对真空罐抽气来实现目标真空环境，至此月面真空环境模拟装置内部的类月面环境模拟完成。在模拟类月面环境中进行钻进试验时，真空获得模块保持工作状态，以维持真空罐内部的真空环境，每进行一次钻进试验，可在转动月壤筒后进行下一次钻进试验，以满足在不改变真空模拟环境的前提下进行多次钻进的试验要求。
2.2.1 真空罐模块根据模拟月壤钻进试验的几何尺寸、密封性要求、安装与操作的方便性及与其他模块的连接关系，将真空罐设计为上、中、下3段，如图 3所示。真空罐总体高度为5.9m，容积为4.148m3。由于从月壤筒底部抽气，可减轻月尘飞扬现象，将抽气口设计在真空罐底部。往罐内充入氮气采用皂泡检漏法对真空罐进行正压检测，通过压力表的读数变化可计算出真空罐的漏率约为80Pa·L/s。
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| 图 3 真空罐 Fig. 3 Vacuum chamber |
试验所采用的钻机不能在真空环境中工作，因此将钻机设计在真空罐顶端，钻杆伸入真空罐内，钻杆光轴段与真空罐顶盖之间的动密封接口采用磁流体与波纹管组合密封。钻杆在真空罐内的部分达2.3m，钻进深度为2m，在钻进过程中，极有可能出现失稳变形[15]，因此需要在真空罐内设计对钻杆的导向装置，导向平台安装在真空罐上段的底端。
2.2.2 月壤筒模块根据钻进深度2m要求、钻杆尺寸等，将月壤筒设计为图 4所示结构，内径为500mm，高为2050mm，安装在真空罐内部。为方便更换模拟月壤，月壤筒壁和底部之间设计为螺栓连接，更换模拟月壤时，将连接螺栓拆除即可。为了实现对真空罐抽气时，可同时对模拟月壤内部进行抽气的效果，在月壤筒侧壁和底部设计有均布的直径为30mm透气孔，并且根据模拟月壤颗粒大小，选择20目铁丝网、800目不锈钢网、20目铁丝网作为内胆由外至内依次紧贴月壤筒内壁放置。图 5所示为月壤筒强度分析图(将模拟月壤假设为流体)，验证得其强度满足试验要求。
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| 图 4 月壤筒 Fig. 4 Lunar soil container |
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| 图 5 月壤筒强度分析 Fig. 5 Strength analysis of lunar soil container |
钻进试验要求在不改变真空模拟环境的前提下可进行多次钻进试验，因此将钻杆设计在与月壤筒偏心的位置，转动月壤筒即可变换模拟月壤表面钻进点。如图 6所示，月壤筒重量较大，选择可承受大重量的回转支承来实现月壤筒的转动，回转支承外圈带有缺齿齿轮，缺齿用于粗略定位。执行转动操作时，在真空罐外转动操作杆带动小齿轮轴转动，进而带动小齿轮转动，小齿轮通过齿轮副带动回转支承外圈转动，月壤筒跟随回转支承外圈转动，完成转动操作。小齿轮轴穿过真空罐壁，与真空罐壁之间属于低速旋转密封，选择适用于此密封状态的J型动密封结构。转动机构上方设置防尘隔板，可隔离部分模拟月壤粉尘。
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| 图 6 转动机构 Fig. 6 Slewing mechanism |
根据真空度要求与可耐粉尘特性要求，真空泵组选用扩散泵组，其组成如图 7所示，包括：扩散泵TK-630，作为维持泵的旋片式真空泵2X-15，作为主预抽泵的罗茨泵ZJP-600，作为辅助预抽泵的2台旋片式真空泵2X-70。在扩散泵的入口与高真空阀门之间安装水冷挡板，用于阻挡扩散泵中的油蒸汽，降低泵的返油率。整个扩散泵组配有水冷系统，为各个泵散热。
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| 图 7 扩散泵组 Fig. 7 Diffusion pump set |
为减少扩散泵组抽气口与真空罐抽气口之间管道的长度，降低抽速损失，扩散泵组的安装面比真空罐固定平台低1.4m。扩散泵组抽气口与真空罐抽气口之间连接有波纹管，可允许对接装配中存在一定范围的误差，同时也能吸收扩散泵组产生的振动。
真空罐空载性能的理论分析如下[16]。
真空罐极限真空Pj为
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(1) |
式中：P0=5×10-4Pa为真空泵组的极限真空；S=1800L/s为有效抽速，高真空状态下有效抽速受管道流导影响较大，按照泵组抽速的30%计算；Q1=80Pa·L/s为真空罐漏率，相比于真空罐漏率，材料表面出气率忽略不计。计算得Pj=4.49×10-2Pa。
真空罐的工作压力应比极限真空高一个数量级，则工作压力Pg=1×10－1Pa，满足设计指标要求。
用2台旋片式真空泵2X-70从大气抽到260Pa，时间t1为
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(2) |
式中：Kq=1.5为机械泵抽速修正系数；V=4.148m3为真空罐容积；Sp=70L/s为名义抽速，考虑抽速在泵组内管道的损失，按2台旋片式真空泵抽速的50%计算；Pi、P分别为抽真空前、后真空罐内的压强。计算得t1=8.8min。
用罗茨泵ZJP-600从260Pa抽到1.2Pa，Kq=4，Sp=600L/s为罗茨泵的名义抽速，用式(2)计算得时间t2=2.5min。
打开扩散泵组，从1.2Pa开始抽真空，1h后不锈钢出气率q=2.3×10－5Pa·L/(s·cm2)，真空罐内表面出气量Q2为
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(3) |
式中：A=22×104cm2为真空罐内不锈钢总面积。计算得Q2=5Pa·L/s。
高真空状态下，真空罐内气体总负荷Q3=Q2+Q1=85Pa·L/s。
1h后真空罐内压强P为
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(4) |
计算得P=4.7×10－2Pa，可见1h后即可达到工作压力。
综上，空载状态下总抽气时间t不超过1.5h。
3 性能验证实验 3.1 实验方法采用2个压阻电阻复合真空计测量真空罐内的真空度，真空计1、真空计2位置如图 3所示。
实验过程如下：
1) 空载真空实验
目的：验证真空罐本身的焊接密封性能和一些动接口的密封性能。
步骤：
① 真空罐内不放置月壤筒，进行空载真空实验：先打开2台旋片式真空泵，待真空计1达260Pa时打开罗茨泵，待1.2Pa时打开扩散泵。全过程中，每隔1s记录一次真空计1、真空计2的数值。
② 待2个真空计数值稳定后，分别顺时针、逆时针转动转动机构中的小齿轮轴，每隔1s记录一次真空计1的数值，测试转动机构接口的密封性能。
③ 待2个真空计数值稳定后，控制钻杆回转速度为120r/min，进给速度为150mm/min，每隔0.5s记录一次真空计2的数值，测试真空罐顶盖与钻机接口的密封性能。
2) 真空罐静态升压实验
目的：校核真空罐的漏率。
步骤：关闭泵组阀门，将真空罐与泵组阻断隔开，每隔1s记录一次真空计1、真空计2的数值。
3) 带载真空实验
目的：验证装置所模拟的真空环境是否满足钻进试验的真空度指标要求。
步骤：
① 在月壤筒内置满烘干后的模拟月壤(模拟月壤由玄武岩和玄武质火山渣组成)，分4次放置，每次放置后均在三维振动台(见图 8)上振动压实30min。三维振动台的振动频率为60Hz，振幅为2mm。
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| 图 8 三维振动台 Fig. 8 Three-dimensional vibrator |
② 月壤筒顶端固定一个纸板盖，可防止抽真空时模拟月壤喷射。将月壤筒固定在真空罐内的转动机构上，然后将真空罐封闭。
③ 进行带载真空实验：先打开2台旋片式真空泵，待真空计1达500Pa时打开罗茨泵，待7Pa时打开扩散泵。全过程中，每隔1s记录一次真空计1、真空计2的数值。
3.2 空载真空实验 3.2.1 空载真空度变化曲线图 9为空载真空实验真空度曲线。可以看出，打开旋片式真空泵后，气压从大气降到260Pa所用时间约为11min，打开罗茨泵后，气压从260Pa降到1.2Pa所用时间约为2.2min，均与理论值接近。打开扩散泵13min后，真空计1达到工作压力Pg=1×10-1Pa，真空计2压力仅为1.8×10-1Pa，原因是抽速经过转动机构后有所损失。
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| 图 9 空载真空实验真空度曲线 Fig. 9 Vacuum curves of no-load experiment |
真空计1离转动机构接口较近，转动小齿轮轴驱动转动机构工作时，由图 10可得真空计1示数变化范围仅为4×10-4Pa，可以得出转动机构中小齿轮轴与真空罐壁之间采用的J型密封结构具有良好的密封性能，可保证真空罐内的真空度在转动月壤筒的过程中仍满足钻进试验要求。
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| 图 10 转动机构接口密封性能测试 Fig. 10 Sealing performance test of slewing mechanism’s interface |
真空计2离钻机接口较近，钻杆同时以120r/min转速回转，150mm/min速度进给时，由图 11可得真空计2示数变化范围仅为3×10-4Pa，可以得出光轴与真空罐顶盖之间所采用的磁流体与波纹管组合密封结构具有良好的密封性能，可满足高速旋转与往复直线同步运动过程中的密封要求。
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| 图 11 钻机接口密封性能测试 Fig. 11 Sealing performance test of drill’s interface |
真空罐与泵组阻断隔开后，真空度-时间曲线近似为一条具有一定斜率的直线，如图 12所示，表明容器中的漏气是压力上升的主要因素，金属放气量可以忽略。
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| 图 12 静态升压实验真空度曲线 Fig. 12 Vacuum curves of static pressurization experiment |
采用静态升压法计算真空罐漏率，曲线斜率k=1.78×10－2Pa/s，漏率Q′1为
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(5) |
经计算得真空罐漏率Q′1=73.83Pa·L/s。
3.4 带载真空实验 3.4.1 带载真空度变化曲线图 13为第1次带载真空实验真空度曲线。可以看出，打开旋片式真空泵后，气压从大气降到500Pa所用时间约为13min。打开罗茨泵后，真空计2示数先于真空计1迅速下降，这是因为放置月壤筒与防尘隔板后，到达真空计1测量处的抽速大大减小。4.5min后，真空罐内气流趋于平稳，此后模拟月壤内部的气体开始慢慢释放。真空计2位于月壤筒附近，受模拟月壤出气量的影响，后期其示数较大。80min后关闭真空泵组，此时真空计1达25Pa，真空计2达34Pa。
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| 图 13 第1次带载真空实验真空度曲线 Fig. 13 Vacuum curves of the first load experiment |
在第1次带载真空实验的基础上进行第2次带载真空实验，2次实验操作过程相同，实验结果如图 14所示。可以看出，真空计1从大气降到25Pa仅用了25min，原因是在第1次带载真空实验时，模拟月壤内部的部分气体已被抽出，缩短了第2次带载真空实验的时间。最终4.5h后，真空计1达7Pa，真空计2达8.2Pa，均小于10Pa，满足钻进试验对真空度的要求。
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| 图 14 第2次带载真空实验真空度曲线 Fig. 14 Vacuum curves of the second load experiment |
真空计1达7Pa后，打开扩散泵，真空度几乎没有变化，因此带载条件下，扩散泵几乎不起作用。
实验证明，第3次带载真空实验仅需2.5 h即可达到目标真空度值10Pa。
3.4.2 模拟月壤出气量曲线真空罐内60Pa以下时，相比模拟月壤出气量，不锈钢罐体出气、漏率等可忽略不计，因此真空罐内真空度主要受模拟月壤出气量的影响。真空罐内模拟月壤出气量Qg为
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(6) |
式中：Pd为真空罐内带载真空度；S=300L/s为有效抽速，按罗茨泵抽速50%计算。
可得真空罐内模拟月壤出气量变化曲线，如图 15所示。
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| 图 15 模拟月壤出气量曲线 Fig. 15 Outgassing amount curve of lunar soil simulant |
图 16所示为带载真空实验结束后真空罐内的状态。真空罐内壁上仅附有一层很薄的模拟月尘，可见抽真空过程中，并未发生模拟月壤喷射现象，模拟月尘飞扬现象也不严重。
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| 图 16 带载真空实验后真空罐内状态 Fig. 16 Situation in vacuum chamber after load experiment |
本文设计并研制了一种用于深层多次钻进过程热特性试验研究的月面真空环境模拟装置，包括可从底部抽气的三段式可多次拆装的真空罐结构；筛网状具有多层过滤结构的月壤筒；可从外部操作的具有缺齿结构的月壤筒转动机构和三级扩散泵组。对装置的各个功能模块及真空度性能进行了一系列实验验证，实验结果表明：
1) 在真空罐外即可对月壤筒进行转动操作，满足连续3次钻进试验的要求，转动机构接口所采用的J型密封结构密封性能良好，满足低速旋转密封要求。
2) 钻机与真空罐顶盖之间接口所采用的磁流体与波纹管组合密封结构密封性能良好，满足高速旋转与往复直线同步运动过程中的密封要求。
3) 带载真空实验中，真空罐内真空度可达10Pa以下，满足钻进过程热特性试验对真空度的要求。
4) 在不更换模拟月壤的条件下，随着带载真空实验的次数增多，模拟月壤内部越来越多的气体被抽出，所需要的抽真空时间也越来越短。
5) 该装置通过多层过滤网结构和从真空罐底部抽气的设计，在实现对模拟月壤内部抽气的同时，可有效减轻模拟月尘飞扬现象，解决了创建真空环境中防止尘土污染的技术难题。
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