一种月球多因素综合环境模拟装置的制作方法

1.本发明涉及一种月球多因素综合环境模拟装置，属于空间环境模拟技术领域。


背景技术：

2.月球综合环境模拟装置将实现月表尘埃环境及效应的模拟，开展月表尘埃物理理论研究，阐明月尘充电、放电、扬尘、迁移、沉降、沉积等物理过程和规律。同时，开展月表尘埃环境效应研究，包括人为干扰扬尘与防尘技术、月尘对月球探测车运动部件摩擦磨损与机构卡死机制、航天服的月尘粘附与磨损机制、太阳能电池表面月尘吸附与覆盖效应、热控系统月尘覆盖效应研究、探测仪器防尘与撞击损伤效应研究，建立月表尘埃环境下航天器服役环境效应理论与评价技术体系。


技术实现要素：

3.本发明为了解决如何实现月表尘埃环境及效应的模拟，开展月表尘埃物理理论研究，提出一种月球多因素综合环境模拟装置。
4.本发明提出一种月球多因素综合环境模拟装置，包括真空热系统、月尘充电系统、月尘预处理及淋撒系统和集成控制系统，
5.所述真空热系统包括真空容器、真空系统、热沉系统和低温系统，所述真空容器的内部装有热沉系统，真空容器上连接有真空系统和低温系统，
6.所述月尘充电系统包括电子加速器、两个紫外辐照源和x射线源，所述真空容器上安装有电子加速器、两个紫外辐照源和x射线源，紫外辐照源照射样品台，x射线源照射样品台，电子加速器设计为两种辐照模式，直射时照射淋潵过程，偏转时照射样品台，
7.所述月尘预处理及淋撒系统包括月尘预处理系统、月尘淋撒系统和测控系统，所述月尘预处理系统包括辐照扫描车，所述月尘淋撒系统包括铺尘车、振动筛、接尘斗和接尘开合机构，所述辐照扫描车包括红外与紫外灯，所述铺尘车上方安装有接尘斗，所述振动筛上设置有辐照扫描车，所述铺尘车下方安装有接尘开合机构，所述接尘开合机构的下方安装有接尘盒。
8.优选地，所述紫外辐照源安装于真空容器筒壁，用于照样品台和淋潵过程，其法兰接口轴线与真空容器的轴线夹角为60
°
。
9.优选地，所述紫外辐照源采用氘灯直接照射的方式来实现，结构上采用对侧并联照射的方式，单侧法兰上布置37只功率为150w的氘灯。
10.优选地，所述x射线源安装于真空容器筒壁，用于照射样品台表面，其法兰接口轴线与真空容器轴线夹角为45
°
。
11.优选地，所述铺尘车包括铺尘小车、导轨、小车驱动机构、月尘扫匀机构及撒尘机构，
12.所述铺尘小车一侧安装有防倾翻滚轮，铺尘小车上方安装有接尘斗，月尘通过接尘斗进入铺尘小车的撒尘腔体内，铺尘小车两侧安装有滚轮，所述铺尘小车的小车驱动机
构安装在铺尘小车的底面，电机减速机的驱动齿轮旋转，齿轮与安装在导轨上的齿条啮合，通过滚轮带动小车在导轨上移动；
13.所述月尘扫匀机构通过月尘扫匀机构电机驱动，月尘扫匀机构电机安装在撒尘腔上盖上，月尘扫匀机构电机驱动链轮旋转，链轮带动链条水平移动，链条上安装有扫杆，扫杆将月尘在撒尘腔内均匀扫平；
14.所述撒尘机构的撒尘腔侧面安装有撒尘机构箱，撒尘机构箱内安装有传动的链轮及链条，撒尘机构电机安装在铺尘小车上面，撒尘机构电机驱动链轮转动，通过链条传动带动撒尘杆旋转，撒尘杆上开有轴向长槽，长槽带动月尘均匀的撒落在振动筛网上。
15.优选地，所述振动筛包括电机、振动杆、振动缸、振动筛侧面支架和振动筛网，振动筛侧面支架安装在2个振动缸上面，振动缸与框架刚性连接。电机减速机安装在振动框架的一端，电机减速机驱动双联链轮旋转，双联链轮通过两条传动链带动两根振动杆旋转，每一根振动杆上通过键连接并安装有两个振动轮，振动轮驱动振动缸内的缸杆向上移动，通过振动杆与振动缸撞击实现振动。
16.本发明所述的月球多因素综合环境模拟装置的有益效果为：
17.(1)本发明所述的月球多因素综合环境模拟装置能够实现月球表面高低温、真空、紫外辐照、电子辐射、x射线辐照、带电月尘等多因素综合环境与效应的等效模拟，实现月表尘埃环境及效应的模拟，开展月表尘埃物理理论研究，阐明月尘充电、放电、扬尘、迁移、沉降、沉积等物理过程和规律。同时，开展月表尘埃环境效应研究，包括人为干扰扬尘与防尘技术、月尘对月球探测车运动部件摩擦磨损与机构卡死机制、航天服的月尘粘附与磨损机制、太阳能电池表面月尘吸附与覆盖效应、热控系统月尘覆盖效应研究、探测仪器防尘与撞击损伤效应研究，建立月表尘埃环境下航天器服役环境效应理论与评价技术体系。
附图说明
18.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.在附图中：
20.图1为本发明所述的一种月球多因素综合环境模拟装置的结构框架示意图；
21.图2为本发明所述的一种月球多因素综合环境模拟装置的切面立体结构示意图；
22.图3为本发明所述的一种月球多因素综合环境模拟装置的外部结构示意图；
23.图4为本发明所述的真空容器的结构示意图；
24.图5为本发明所述的真空系统的结构框架示意图；
25.图6为本发明所述的真空系统的原理示意图；
26.图7为本发明所述的热沉系统的结构示意图；
27.图8为本发明所述的低温系统的结构示意图；
28.图9为本发明所述的紫外辐照源的辐射原理图；
29.图10为本发明所述的x射线源的辐射原理图；
30.图11为本发明所述的月尘预处理及淋撒系统在月球综合环境模拟装置中的位置简图；
31.图12为本发明所述的月尘预处理及淋撒系统的结构示意图；
32.图13为本发明所述的铺尘车的结构示意图；
33.图14为本发明所述的振动筛的结构示意图；
34.图15为本发明所述的接尘开合机构的结构示意图；
35.图16为本发明所述的月尘预处理及淋撒控制系统的结构示意图；
36.图17为月球综多因素合环境模拟装置试验流程图；
37.其中，1
‑
真空容器，2
‑
电子加速器，3
‑
紫外辐照源，4
‑
x射线源，5
‑
样品台，6
‑
月尘预处理及淋撒系统，7
‑
铺尘车，8
‑
振动筛，8
‑1‑
电机，8
‑2‑
振动杆，8
‑
3振动缸，8
‑4‑
传动链，8
‑5‑
振动筛侧面支架，8
‑6‑
振动筛网，9
‑
辐照扫描车，9
‑
1红外与紫外灯，10
‑
接尘开合机构，10
‑1‑
卷帘收放筒，10
‑2‑
卷帘，10
‑3‑
钢丝绳，10
‑4‑
开合电机，11
‑
接尘斗，12
‑
支撑架，13
‑
导轨，14
‑
月尘扫匀机构电机，15
‑
小车驱动机构，16
‑
撒尘机构电机，17
‑
铺尘小车，18
‑
真空系统，19
‑
低温系统，20
‑
颈部热沉，21
‑
大门热沉，22
‑
底部热沉，23
‑
筒体热沉，24
‑
过冷器，25
‑
液氮泵。
具体实施方式
38.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
39.具体实施方式一：参见图1
‑
17说明本实施方式。本实施方式所述的月球多因素综合环境模拟装置，包括真空热系统、月尘充电系统、月尘预处理及淋撒系统和集成控制系统，
40.所述真空热系统包括真空容器1、真空系统18、热沉系统和低温系统19，所述真空容器1的内部装有热沉系统，真空容器1上连接有真空系统18和低温系统19，
41.所述月尘充电系统包括电子加速器2、两个紫外辐照源3和x射线源4，所述真空容器1上安装有电子加速器2、两个紫外辐照源3和x射线源4，紫外辐照源3照射样品台5，x射线源4照射样品台5，电子加速器2设计为两种辐照模式，直射时照射淋潵过程，偏转时照射样品台5，
42.所述月尘预处理及淋撒系统包括月尘预处理系统、月尘淋撒系统和测控系统，所述月尘预处理系统包括辐照扫描车9，所述月尘淋撒系统包括铺尘车7、振动筛8、接尘斗11和接尘开合机构10，所述辐照扫描车9包括红外与紫外灯9
‑
1，所述铺尘车7上方安装有接尘斗11，所述振动筛8上设置有辐照扫描车9，所述铺尘车7下方安装有接尘开合机构10，所述接尘开合机构10的下方安装有接尘盒。
43.(1)真空热系统是月球多因素综合环境模拟装置的基本组成部分，主要在月表尘埃模拟环境中实现月球表面真空(空载真空度优于10
‑4pa，工作真空度优于5
×
10
‑3pa)、低温环境(热沉温度小于100k)的模拟，真空热系统主要由真空容器1、真空系统18、热沉系统和低温系统19等组成。
44.所述真空容器1是月尘的结构主体，内部装有热沉系统，真空容器1上开有各类真空法兰密封接口与真空系统18、低温系统19等分系统连接，并预留用户所需的试验用法兰接口等。
45.所述真空容器1设计为立式结构，主体材料为304不锈钢，直筒段设计长度为5500mm，内径为φ4000mm，直筒段壁厚为18mm，容器总高约8270mm。
46.所述真空容器1筒体的两端为椭圆形封头，直筒段下部为直径3000mm大门，大门开
关方式为绕双轴铰链旋转侧开，大门开启可供试件及人员进出容器。
47.所述真空容器1筒体外圈上焊有约5个材料为碳钢的工字截面的加强筋圈，筒体内部安装有热沉吊挂点和试件导轨。容器采用材料为碳钢的8个支腿进行支撑，容器直筒沉于地下，大门下缘最低点距离地面约100mm。
48.所述真空容器1接口法兰以及大门法兰均采用氟橡胶密封圈进行真空密封。容器大门密封采用φ24mm的o型氟橡胶密封圈进行密封，密封圈安装在直筒段法兰的梯形密封槽内。
49.所述真空容器1内设置有样品台5，考虑到试验对象的复杂性，不进行复杂自由度的设计，采取简单的工装支撑模式来实现不同试样和测试状态下的试验内容。根据不同样品及试验内容的需求，样品台设计为可拆分式结构，用于实现大范围高度的调节。
50.所述真空容器1内空载真空度优于10
‑4pa，有尘工作真空度优于5
×
10
‑3pa，测压范围：105～10
‑5pa,。其中高真空系统采用低温泵作为主抽泵，分子泵作为辅助泵来实现，粗抽系统则与综合辐照舱子系统共用粗抽机组。系统组成如图5所示，系统的抽真空原理图如图6所示。
51.热沉系统的功能是向热沉内通入液氮，为热试验提供试验所需的低温背景，模拟太空的冷黑环境。试验工况结束后，向热沉内通入高温氮气，使热沉的温度恢复到室温，以便容器复压开门。热沉是一个大型换热器，热沉内流动的液氮与热沉壁面进行对流换热，将冷量传递给热沉壁板；热沉壁板再通过辐射换热的方式将冷量传递给试验件。
52.月球多因素综合环境模拟装置需要模拟空间低温环境，环境温度要求小于100k，需要通过增加热沉方式实现。考虑到工程实现的可行性，月球多因素综合环境模拟装置内部靠近样品及样品台的舱体下半部舱布置热沉。
53.所述热沉系统简图如图7所示，其φ3500mm(内径)
×
3100mm；月尘粒径0.1～100μm；热沉温度：小于100k；热沉温度均匀性误差：小于
±
5℃；热负荷75kw。
54.月球多因素综合环境模拟装置罐体上半舱已经布满各类模拟源，导致开口密集无法布置热沉，因此设计热沉高度与样品表面齐平，尽可能包裹样品台与样品。
55.热沉系统包括主容器热沉和侧门热沉。主容器热沉为立式热沉，有效空间为：ф3500mm
×
3100mm(直筒段)，包括筒体热沉23和底部热沉22；侧门热沉为卧式热沉，包括颈部热沉20和大门热沉21，有效空间为：ф2500mm
×
1000mm(直筒段)。热沉系统中的底部热沉22为圆盘形热沉，直径φ3500mm。
56.在热沉面向试验件的表面喷涂特制黑漆，黑漆的性能指标为半球向发射率≥0.88
±
0.02，耐受最高温度为 120℃。
57.热沉面向试验件表面布置pt100铂电阻，用于测量热沉表面温度，测温范围
‑
200℃
‑
200℃，其中每片热沉胀板上平均布置2个测温点。
58.月球多因素综合环境模拟装置模拟低速或静态粉尘效应，只存在粉尘对热沉的吸附污染效应，通过后期的除尘和清洗即可清除沉积粉尘，不需要做特殊防护。
59.所述低温系统19为月球多因素综合环境模拟装置热沉及样品台等设备提供液氮和氮气；同时为月球综合环境模拟装置提供复压氮气。主要由液氮泵25和过冷器24组成，系统原理如图8所示。
60.(2)月尘充电系统是月球综合环境模拟装置的重要组成部分，主要包括电子加速
器2、紫外辐照源3和x射线源4，主要用来模拟月表辐照充电及带电粉尘环境。
61.辐照源布局设计主要考虑各辐照源照射对象及工作状态。紫外辐照源3照射样品台5；x射线源4照射样品台5；电子加速器系统2设计为两种辐照模式，直射时照射淋潵过程，偏转时照射样品台5。各类充电源在月球综合环境模拟装置上的布局如图2所示。
62.紫外辐照源3布局：紫外辐照源3安装段尺寸采用dn1100法兰，将紫外辐照源3安装于真空容器1筒壁，主要照样品台5和淋潵过程，法兰接口轴线与真空容器1 z轴夹角为60
°
；在真空容器1上的照射区域如图9所示。
63.为了有效避免紫外能量的衰减和损失，紫外辐照源3采用氘灯直接照射的方式来实现，结构上采用对侧并联照射的方式，单侧法兰上布置37只功率为150w的氘灯，总共74只氘灯。
64.x射线源4布局：x射线源4安装段尺寸采用dn600法兰，将x射线源4安装于真空容器1筒壁，主要照射样品台5表面，法兰接口轴线与真空容器1 z轴夹角为45
°
；在真空容器1内的照射区域如图10所示。
65.所述电子加速器2是月球综合环境模拟装置的电子源，为月球综合环境模拟装置提供能量30～150kev的能量可调的电子束，用于对尘埃进行电子充电。其安装于月球综合环境模拟装置罐体筒壁，主要工作模式有偏转和直射两种，其中直射工作模式照射振动筛和撒落过程，偏转工作模式照射撒落过程和样品台表面。系统主要由三部分组成：直流高压电子枪、电子束输运线、电子束扫描系统组成。
66.电子束源主要性能参数如下表所示：
67.表1电子束参数
[0068][0069]
电子束扫描系统主要性能参数如下表所示：
[0070]
表2电子束扫描系统参数
[0071][0072]
(3)月尘预处理及淋撒系统是月球综合环境模拟装置重要组成部分，主要由月尘预处理系统、月尘淋撒系统和测控系统等组成。预处理系统主要对粉尘进行红外加热、紫外辐照处理，模拟月表粉尘干燥、高活性、没有小分子和有机物污染等特点；淋撒系统实现月尘均匀沉降，模拟月球表面真空状态下粉尘动态迁移和沉降过程。月尘预处理系统主要由辐照扫描车9、红外与紫外灯9
‑
1组成。月尘淋撒系统主要由铺尘车7、振动筛8、接尘开合机构10等组成。月尘预处理及淋撒控制系统如图16所示。
[0073]
月球综合环境模拟装置以模拟空间月尘环境为主要目标，因此所有模拟源设备布局围绕月尘源为中心开展。首先需要确定月尘源的位置，然后根据其工作状态的不同，相应布置各类辐照源，详细布局方案如下。
[0074]
月尘源位于立式舱体上方(沿 z轴)，采用dn300法兰接口安装于粉尘舱真空罐体顶端的蝶形封头上；粉尘散落装置(即粉尘筛)的支撑梁安装于真空容器1封头上，粉尘筛上表面距离月球综合环境模拟装置弧顶中心竖直距离为1450mm，布局如图11所示。
[0075]
所述月尘预处理及淋撒系统主要功能：将预处理后的模拟月尘均匀淋撒在测试装备上，该装置采用机械、电气等技术设计而成，可实现模拟月尘的自动淋潵。
[0076]
模拟月尘预处理及淋撒系统的主要组成：铺尘车7、振动筛8、红外加热与紫外辐照扫描车9、接尘开合机构10，如图12所示。
[0077]
所述铺尘车7的功能主要是将处理后的模拟月尘均匀铺撒在1000mm
×
1000mm的筛面上，铺尘车7主要由铺尘小车17、小车驱动机构15、月尘扫匀机构及撒尘机构组成。
[0078]
所述铺尘小车17采用整体焊接件制造，在铺尘小车17一侧安装有防倾翻滚轮，铺尘小车17上方安装有接尘斗11，月尘通过接尘斗11进入铺尘小车17的撒尘腔体内，铺尘小车17两侧安装有滚轮，滚轮在导轨13上滚动，小车沿导轨13移动。
[0079]
所述小车驱动机构15：铺尘小车17采用电机及减速器驱动，电机减速机的支座安装在铺尘小车17的底面，电机减速机的驱动齿轮旋转，齿轮与安装在导轨13上的齿条啮合，通过滚轮带动小车在导轨13上移动。
[0080]
所述月尘扫匀机构：采用月尘扫匀机构电机14驱动，电机安装在撒尘腔上盖上，电机驱动链轮旋转，链轮带动链条水平移动，链条上安装有扫杆，扫杆将月尘在撒尘腔内均匀扫平。
[0081]
所述撒尘机构：在撒尘腔侧面安装有撒尘机构箱，撒尘机构箱内安装有传动的链轮及链条。撒尘机构电机16安装在铺尘小车上面，电机驱动链轮转动，通过链条传动带动撒尘杆旋转，撒尘杆上开有轴向长槽，长槽带动月尘均匀的撒落在振动筛网8
‑
6上。
[0082]
所述振动筛8是月尘预处理及淋撒系统的关键设备，它决定了淋撒粉尘的均匀性。如图14所示，振动筛8工作原理位：振动筛侧面支架8
‑
5安装在2个振动缸8
‑
3上面，振动缸8
‑
3与框架刚性连接。电机8
‑
1安装在振动框架的一端，电机8
‑
1驱动双联链轮旋转，双联链轮通过两条传动链8
‑
4带动两根振动杆8
‑
2旋转，每一根振动杆8
‑
2上通过键连接并安装有两个振动轮，振动轮驱动振动缸8
‑
3内的缸杆向上移动，通过振动杆8
‑
2与振动缸8
‑
3撞击实现振动。
[0083]
所述接尘开合机构10的驱动电机10
‑
4安装在振动框架的一侧，电机10
‑
4驱动收绳轴旋转，钢丝绳10
‑
3通过支撑轮带动铝制卷帘10
‑
2移动，用于接住淋撒时落下的月尘。当需要振动时，电机反转，钢丝绳10
‑
3放松，铝制卷帘通过自动的卷簧缩回，铝制卷帘10
‑
3上的月尘回落到卷帘一侧的月尘回收盒内，接尘机构可自动开合。
[0084]
(4)月球综合环境模拟装置集成控制系统主要由测控计算机、通讯网络和辅助测量和操作设备组成。它通过各种通信接口和网络将月球综合环境模拟装置的真空、热沉、月尘预处理与淋撒系统、月尘充电系统、原位机构及各类光学电学测量仪器连接到一台计算机上，从而可以通过一台计算机实现整个设备的集中控制。通过软硬件开发，测控计算机能够按照既定的通讯协议和试验流程实现月球综合环境模拟装置各设备动作的自动控制。此
外，测控系统还可集成了多自由操纵杆，可以实现原位机构遥操作，再配合集成的视觉测量系统可以对仪器探头进行精确定位，进而实现被测样品的舱内原位测量、测控计算机还可以对部分仪器进行远程操作实现测量数据的自动采集、存储和上传。测控系统可以大大提高月球综合环境模拟装置仪器设备的操作的自动化成度，进而提高科学试验的效率。
[0085]
月球综合环境模拟装置试验流程如图17所示。具体流程如下：
[0086]
1)用户培训；
[0087]
2)设计试验方案；
[0088]
3)试验前系统检测；
[0089]
4)打开月球综合环境模拟装置进尘口门，放入经过前处理的月尘样品至铺尘车7中，铺尘车7将额定尘量均匀铺设至振动筛8上；
[0090]
5)开启舱门，将样品装夹到样品台5上，关闭舱门；
[0091]
6)开启真空系统，抽真空并检测至5pa；
[0092]
7)粉尘在预处理系统加热、紫外灯辐照，检测舱中残留气氛至达标；
[0093]
8)同时开启热沉系统，检测样品温度达标；
[0094]
9)同时真空低温泵组继续抽真空至检测达到10
‑4pa；
[0095]
10)振动筛8振动淋撒粉尘；粉尘淋撒过程中开启电子加速器2，粉尘带负电；带电粉尘淋撒到样品或粉尘槽上至设定量；
[0096]
11)或淋撒过程中不开启电子枪而先淋撒定量粉尘至样品表面或粉尘槽上之后，再开启电子枪辐照使得粉尘带负电；
[0097]
12)或淋撒定量粉尘至样品表面或粉尘槽上之后，再开启紫外辐照系统或x射线源，使得样品表面粉尘带正电；
[0098]
13)试验样品在带电粉尘环境中进行试验；
[0099]
14)相应原位仪器分析测试，数据分析处理；
[0100]
15)关闭热沉，真空复压；
[0101]
16)开启舱门，取出样品；
[0102]
17)离线检测样品，数据处理；
[0103]
18)清理舱内粉尘污染，完成试验。
[0104]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。