一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置

1.本发明涉及一种样本制备装置，属于空间资源探测技术领域。


背景技术：

2.在基本完成绕、落、回三期探月工程背景下，探月四期工程着重探测月球极区；我国预计2024年实施探月四期工程任务—实现月球南极区无人自主采样及分析；月球极区由于其特殊的地质背景和轨道运行特征，存在太阳始终无法照射到的永久阴影区；而永久阴影区是水等挥发分富集的区域，保存着月球长期演化的重要信息；通过探测获取月球南极永久阴影区水含量、附存状态和分布特征，可以揭示水的形成和富集机制，这对人类认识月球具有重要意义。
3.目前，关于极区月壤剖面中水冰物质物理特性方面的研究较少，而且地面模拟的含水月壤样本，很难满足与真实月壤水冰的相似性、等效性和均一性等指标达到预期目标；水冰物质地面模拟及其力学特性研究，是开展月壤水冰物质探测研究的前提条件与保障基础；而模拟月壤与真实月壤的相似性和等效度等可直接影响潜入机具地面试验验证的可信度，甚至决定探测任务的成败；因此，含水模拟月壤物理力学特性研究及钻进采样用剖面样本制备是目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明为解决现有含水模拟月壤物理力学特性研究及钻进采样用剖面样本无法满足探月研究需求的问题，进而提出一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置。
5.本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括静载压力机、压力密实压块和低温密实机构；低温密实组件设置在静载压力机的平台上，且低温密实机构位于静载压力机的压力机头的下方，压力密实压块固定安装在压力机头下表面的中部，且压力密实压块位于低温密实机构的上方。
6.进一步的，所述低温密实机构包括月壤桶、低温液氮箱和多个传感器组件；月壤桶设置在低温液氮箱内，多个传感器组件由上至下依次插装在月壤桶的外壁上。
7.进一步的，每个传感器组件包括温度传感器、传感器套筒和外六角螺栓；月壤桶的外壁设有通孔，外六角螺栓固定在月壤桶外壁上的通孔处，且外六角螺栓轴线与所述通孔的轴线重合，温度传感器插装在外六角螺栓内，且温度传感器的探头穿过所述通孔设置在月壤桶内，传感器套筒套装在温度传感器上，且传感器套筒旋合在外六角螺栓上。
8.进一步的，每个传感器组件还包括生料带；生料带缠绕在温度传感器上，且生料带位于传感器套筒外端内壁与温度传感器的外壁之间。
9.进一步的，温度传感器是铂电阻温度传感器。
10.进一步的，月壤桶是上端开口的圆柱形桶体，月壤桶上端开口的边缘设有向外延伸的外沿，外沿的上表面沿圆周方向均布设有若干个连接孔。
11.进一步的，月壤桶底部的外壁设有加强筋，所述加强筋是直角三角形板体。
12.进一步的，多个传感器组件是指六个传感器组件，月壤桶上部的外壁对称安装两个传感器组件，月壤桶中部的外壁对称安装两个传感器组件，月壤桶下部的外壁对称安装两个传感器组件。
13.本发明的有益效果是：本发明通过压力压实的方式制备剖面样本，当在压实高度较大的样本时，会出现上部分密实度很高，而底部密实度较低的现象，这就是压力饱和效应，也称为粮仓效应，本发明工作过程中，当密实高度值小于86mm时，颗粒上表面受压时，底面颗粒受到的压强与上表面受到的压强近似相等，制备出来的样本相对密实度更加均一；本发明与现有技术相比，通过水壤混合冷冻胶结的方法配制了与真实月壤水冰具有的相似性和等效度的高拟实模拟月壤，解决了目前缺少极区含水月壤模拟方法方面的研究，为采样钻进负载特性地面验证性试验提供了样本支撑；本发明与现有技术相比，通过“水壤混合”制备方案制备的含水模拟月壤均一性好、颗粒胶结强度高，能耗低，制备周期短，制备工艺较容易实现；本发明与现有技术相比，通过分层静力压实的方式密实度重构，剖面样本密实度均一性好，减少了密实过程中对水分的扰动，大大提高了模拟月壤剖面与真实月壤的相似性和等效性；本发明与现有技术相比，通过梯度制冷的方式进行冷冻胶结，减少了快速冷冻导致样本产生冻胀裂纹，保证月壤样本的合格率。
附图说明
14.图1是本发明的整体结构示意图；
15.图2是低温密实机构的立体结构示意图；
16.图3是传感器组件的结构示意图；
17.图4是低温密实机构的主剖视图。
具体实施方式
18.具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置包括静载压力机1、压力密实压块2和低温密实机构3；低温密实组件3设置在静载压力机1的平台101上，且低温密实机构3位于静载压力机2的压力机头101的下方，压力密实压块2固定安装在压力机头101下表面的中部，且压力密实压块2位于低温密实机构3的上方。
19.具体实施方式二：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的所述低温密实机构3包括月壤桶301、低温液氮箱302和多个传感器组件303；月壤桶301设置在低温液氮箱302内，多个传感器组件303由上至下依次插装在月壤桶301的外壁上。
20.月壤桶301材料为304钢，内设外径60mm的空心圆柱，月壤桶301直径180mm，高300mm，壁厚5mm，月壤桶301内壁粗糙度要求ra1.6；
21.低温液氮箱302实现样本冷冻胶结，采用304钢，厚度为4mm，外形采用方形设计，方便与机架固定，月壤桶301内设有空心柱304，空心柱304的下端与月壤桶301的内底面固定连接，月壤桶301内底面设有通孔，所述通孔与空心柱304的内腔连通，低温液氮箱302的内底面设有槽孔，所述槽孔通过月壤桶301底面的通孔与空心柱304的内腔连通，当液氮倒入桶外腔时，液氮通过低温液氮箱302的底部槽孔与空心柱304的内腔形成贯通。
22.其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
23.具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的每个传感器组件303包括温度传感器3031、传感器套筒3032和外六角螺栓3033；月壤桶301的外壁设有通孔，外六角螺栓3033固定在月壤桶301外壁上的通孔处，且外六角螺栓3033轴线与所述通孔的轴线重合，温度传感器3031插装在外六角螺栓3033内，且温度传感器3031的探头穿过所述通孔设置在月壤桶301内，传感器套筒3032套装在温度传感器3031上，且传感器套筒3032旋合在外六角螺栓3033上。
24.其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
25.具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的每个传感器组件303还包括生料带3034；生料带3034缠绕在温度传感器3031上，且生料带3034位于传感器套筒3032外端内壁与温度传感器3031的外壁之间。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
26.具体实施方式五：结合图和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的温度传感器3031是铂电阻温度传感器。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
27.具体实施方式六：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的月壤桶301是上端开口的圆柱形桶体，月壤桶301上端开口的边缘设有向外延伸的外沿3011，外沿3011的上表面沿圆周方向均布设有若干个连接孔3012。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
28.具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的月壤桶301底部的外壁设有加强筋3013，所述加强筋3013是直角三角形板体。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
29.具体实施方式八：结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式所述一种极区含水模拟月壤及局部剖面样本制备装置的多个传感器组件303是指六个传感器组件，月壤桶301上部的外壁对称安装两个传感器组件303，月壤桶301中部的外壁对称安装两个传感器组件303，月壤桶301下部的外壁对称安装两个传感器组件303。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
30.工作原理
31.取一定量的干壤试样倒入月壤桶301内；用击实锤以每分钟40～60次的频率锤击试样，同时另外一人用振动叉以每分钟往返120～150次的频率敲击月壤桶301的外壁；多次添土和重复以上动作3～5次，当试样的高度超过月壤桶301上表面时需要添加护筒再进行锤击试样和敲打月壤桶301；添加完最后一层试样，取下护筒并刮平表面，称重；采用分层静力密实，每层压实高度特征值小于86mm，根据压实块上标记的刻度确定压实高度，压实到指定高度后，保压30s泄压，每压完一层需要对上表面进行粗糙化处理，防止样本出现分段；采用常温冰柜使样本从室温降至-20℃；然后，采用低温冰柜使样本降温至-40℃；接着，将样本放入超低温冰柜使其降至-80℃；最后，试验开始前，将样本从-80℃冰箱中取出放入低温液氮箱302中进行三级降温。
32.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人
员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。