一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒轉動機構、真空泵組。真空罐采用上下兩段構成，上段固定于底面，下段安裝在可移動升降平臺；通過可移動升降平臺實現上段與下段間的對接。真空罐通過真空罐組進行抽真空；真空罐頂部安裝有鉆具，且鉆具與真空罐不同軸；真空罐內部同軸設置有月壤筒；月壤筒通過月壤筒轉動機構驅動，實現在真空罐內的轉動。通過上述結構，每抽一次真空，可進行多次鉆削試驗，節(jié)約了大量的時間和資源；同時，真空罐設計為上下兩段結構，通過可移動升降平臺調節(jié)位置，實現對接，便于模擬月壤的制備和裝卸等，具有操作方便、快捷的優(yōu)點。
【專利說明】一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于空間探測【技術領域】，具體來說，是一種可模擬月球真空環(huán)境的內筒可
旋轉真空罐。
【背景技術】
[0002]能源短缺和資源匱乏已經成為阻礙現代人類社會發(fā)展的緊要問題，人們不斷的尋找新能源以滿足生產和生活的需要，但是地球本身的資源是有限的，向太空獲取資源是人類發(fā)展的必然趨勢。月球是環(huán)繞地球的一個衛(wèi)星，它是地球唯一的一顆天然衛(wèi)星，也是離地球最近的天體。月球蘊藏有豐富的鈾、釷、鉀、氧、硅、鎂、鐵、鈦、鈣、鋁及氫等元素，月壤中還含有豐富的He-3，利用氘和He-3進行的氦聚變可作為核電站的能源，因此月球上的資源對于地球未來能源的獲取具有重大的意義。
[0003]近年來，世界各國先后對月球進行了多方面的探索。美國在1967年代發(fā)射了“阿波羅11號”，開始了人類首次登月的太空征程，并成功收集了月壤樣品返回地球；前蘇聯(lián)也發(fā)射了“l(fā)ima”系列的探月航天器，實現了月球上自動取樣并返回地球；1994年美國發(fā)射的“克萊門汀”計劃和1988年發(fā)射的“月球勘探者”計劃對月球進行了全方位的探測工作；我國也實施啟動了“嫦娥工程”探月計劃，探月計劃分為“繞”、“落”、“回”三個戰(zhàn)略發(fā)展階段，目前已實現了 “繞”和“落”這兩個目標，探月三期要將實現對月球樣品的自動采集與返回，在探月任務中明確提出了要探測月球物質成分、探測月壤特性的要求，探月三期已列入國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃重大專項。
[0004]為了實現月壤的自動采集，我國已設計并研制了多種月壤采樣器，其中鉆取式采樣器是最常使用的采樣器形式，它既可以采集松散的表層樣品，也可以進行深層采樣，經過特殊的設計還可以進行堅硬的巖石的采樣，使得可以采集的樣品種類較多。而鉆具是鉆取式采樣器的核心部件，它的工作性能直接影響整個采樣效果。由于月球具有微重力、強輻射、高真空的特殊環(huán)境，為了使采樣器能在月球苛刻的環(huán)境下安全、可靠地運行，需設計一種模擬月球真空環(huán)境的真空設備，用于采樣器鉆具的鉆削試驗，驗證鉆具的可靠性。目前，國內外還沒有專門針對月球環(huán)境設計的真空設備，成熟的真空技術能使真空罐達到月球的真空度，但是由于真空罐中要盛裝模擬月壤，抽真空過程中還要保證模擬月壤的密實度和真空度的均勻性，還要實現每抽一次真空，進行多次鉆削試驗，因此需設計一種專門針對月球真空環(huán)境，可以完成多次鉆削試驗的真空罐。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對月球微重力、強輻射和高真空的特殊環(huán)境，提出一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，包括真空罐、月壤筒、月壤筒轉動機構、真空泵組。
[0006]所述真空罐由真空罐上段與真空罐下段構成。其中，真空罐上段與地面間相對固定；真空罐下段安裝在可移動升降平臺上；通過升降平臺實現真空罐下段與真空罐上段間的對接與分離。所述真空罐上段頂端通過法蘭固定安裝有上端蓋，上端蓋上開有鉆具安裝孔，用來安裝鉆具；且鉆具安裝孔與真空罐不同心。真空罐通過真空泵組進行抽真空，真空泵組同樣安裝在可移動升降平臺上。
[0007]所述月壤筒用來盛裝模擬月壤，同軸設置于真空罐下段內部。月壤筒通過月壤筒轉動機構實現在真空罐內的定位，以及旋轉驅動。所述月壤筒轉動機構包括吊裝盤、齒輪盤、驅動電機與傳動齒輪。其中，吊裝盤與齒輪盤均同軸空套在月壤筒上；吊裝盤與月壤筒外壁間存在間隙，吊裝在真空罐下段上。齒輪盤與月壤筒間固定。吊裝盤頂面與齒輪盤底面間通過滾珠實現周向上的動摩擦連接。驅動電機，驅動電機的輸出端端部同軸固定安裝有傳動齒輪，傳動齒輪與齒輪盤嚙合；通過驅動電機帶動傳動齒輪與齒輪盤間傳動。
[0008]通過上述結構，可保證鉆具鉆削試驗在模擬月球真空環(huán)境下進行，且通過驅動電極驅動齒輪盤帶動月壤筒轉動，使一次鉆削試驗可實現多次鉆取，大大節(jié)約了鉆削試驗的時間。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0010]1、本發(fā)明內筒可旋轉真空罐，因此每抽一次真空，可進行多次鉆削試驗，節(jié)約了大量的時間和資源；且旋轉機構位于月壤筒的上端，可防止轉動過程帶來的晃動，使真空罐工作更加穩(wěn)定可靠。
[0011]2、本發(fā)明內筒可旋轉真空罐，設計為上下兩段結構，真空罐下段可隨移動升降平臺移動，月壤筒與真空罐獨立分開，便于模擬月壤的制備和裝卸等，具有操作方便、快捷的優(yōu)點；
[0012]3、本發(fā)明內筒可旋轉真空罐，可根據鉆具的長度、真空罐的真空度進行參數化設計，通用性強；
[0013]4、本發(fā)明內筒可旋轉真空罐，結構簡單，成本低，且便于維護。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明內筒可旋轉真空罐整體結構示意圖；
[0015]圖2為本發(fā)明內筒可旋轉真空罐中月壤筒結構示意圖；
[0016]圖3為本發(fā)明內筒可旋轉真空罐中月壤筒旋轉機構示意圖。
[0017]圖中:
[0018]1-真空罐2-月壤筒3-月壤筒轉動機構
[0019]4-真空泵組5-冷肼101真空罐上段
[0020]102-真空罐下段103-固定架104-支撐臺架
[0021]105-升降平臺106-滾輪107-導軌
[0022]108-測距傳感器109-鉆具110-鉆頭
[0023]111-螺旋段112-光軸段113-動密封接頭A
[0024]114-熱沉罩115-下端蓋201-吊耳
[0025]202-透氣孔203- 內膽204-封口法蘭
[0026]205-泄壓口301-吊裝盤302-齒輪盤
[0027]303-驅動電機304-傳動齒輪305-滾珠
[0028]306-定位軸承307-動密封接頭B【具體實施方式】
[0029]下面將結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0030]本發(fā)明內筒可旋轉真空罐，包括真空罐1、月壤筒2、月壤筒轉動機構3、真空泵組4，如圖1所示。
[0031]所述真空罐I豎直設置，為由圓筒狀真空罐上段101與圓筒狀真空罐下段102構成的立式圓筒形兩段式結構，滿足便于拆卸，試驗操作方便的要求。其中，真空罐上段101中部通過法蘭固定安裝在固定架103上；真空罐上段101通過固定架103固定安裝在地面上，實現真空罐上段101與地面間的相對固定。真空罐下段102通過支撐臺架104固定安裝在升降平臺105上；升降平臺105底面上安裝有滾輪106，構成可移動的升降平臺105。由此，通過升降平臺105，調節(jié)真空罐下段102的空間位置，實現真空罐下段101與真空罐上段102間的同軸對接與分離，且保證了整個對接與分離過程中真空罐上段101的靜止不動。上述真空罐上段101與真空罐下段102對接后，通過螺栓將真空罐上段101底端與真空罐下段頂端102設計的連接法蘭固連形成整體真空罐I ;且真空罐上段101底端與真空罐下段102頂端間安裝有O型密封圈，實現真空罐上段101與真空罐下段102對接接縫處的密封。為了便于真空罐上段101與真空罐下段102間的對接，本發(fā)明中在真空罐下段102頂端法蘭上設計有錐形定位銷釘，真空罐上段101底端法蘭上開有銷釘定位孔；由此，當真空罐下段102通過升降平臺105與真空罐上段101對接時，通過錐形定位銷釘配合銷釘定位孔進行對準；定位銷上段設計為錐形結構，可使得對準過程具有一定的調整誤差。上述升降平臺105底部的滾輪106設置在導軌107上，通過導軌107進行滾輪106的滾動進行導向，進而實現對升降平臺105的移動進行導向，使升降平臺105可沿導軌107設置方向移動，增加了升降平臺105在對接時移動的穩(wěn)定性。同時，在導軌107上安裝有測距傳感器108，通過測距傳感器108實時檢測自身與升降平臺105間的距離信號，發(fā)送至外部控制設備，直至距離信號與設定閾值相等時，則由控制設備控制升降平臺105停止移動，此時控制升降平臺105上升即可完成真空罐上段101與真空罐下段102間的對接，大大方便了真空罐上段101與真空罐下段102間的對接過程。上述升降平臺105的沿導軌的運動，通過直線電機進行驅動。
[0032]上述真空罐上段101頂端通過法蘭固定安裝有上端蓋108，且上端蓋108與真空罐上段101頂端間還安裝有O型密封圈，實現真空罐上段101頂端的密封。上端蓋108上開有鉆具安裝孔，用來安裝進行模擬月球真空環(huán)境鉆削試驗的鉆具109。在進行模擬月球真空環(huán)境鉆削試驗時，鉆具109的鉆頭110與螺旋段111需要在真空罐I中的真空環(huán)境內，是整個鉆具101的工作部分，直接進行鉆削試驗；而驅動鉆具109的鉆進試驗驅動平臺在真空罐夕卜。因此本發(fā)明中將鉆具109設計為分段式結構，一段為螺旋段111，另一段為光軸段112，螺旋段111與光軸段112的一端相互嵌合，保證螺旋段111與光軸段112的同軸度，并通過端部的對接法蘭相互固定，拆裝方便，性能可靠。光軸段112通過動密封接頭A113實現與上端蓋108的鉆具安裝孔間的動密封，保證鉆進試驗過程中真空罐I的密封性。所述動密封接頭113采用磁流體密封接頭,磁流體密封接頭外側具有冷卻水套，用來使磁流體保持在工作溫度，消除真空罐I內的高溫對磁流體密封效果的影響，是一種適用于高真空、高速度的動密封裝置，工作穩(wěn)定可靠。所述螺旋段111另一端為鉆頭110 ;光軸段112的另一端與外部鉆進試驗驅動平臺，由此可見通過光軸段112在實現動密封的同時，連接真空罐I外部的鉆具驅動機構和位于真空罐I內部的螺旋段111，傳遞驅動鉆具109旋轉和鉆進的扭矩和鉆壓力。上述上端蓋108上的鉆具安裝孔與真空罐I不同心，由此在鉆具109安裝后，鉆具109的軸線和真空罐I的軸線不重合。
[0033]所述月壤筒2用來盛裝模擬月壤，與真空罐I相互獨立，同軸設置于真空罐下段102內部。如圖2所示，月壤筒2上端周向上具有定位法蘭，定位法蘭上安裝有吊耳201，用于月壤筒2在更換模擬月壤的過程中天車的起吊。月壤筒2筒壁上開有透氣孔202，使月壤筒2內部模擬月壤和真空罐上段101真空度更均勻。月壤筒2內壁上安裝有空隙小于模擬月壤顆粒的不銹鋼網，作為內膽203 ;在透氣孔202處采用點焊技術將內膽203與月壤筒2內壁焊接；通過內膽203可減小模擬月壤填充、壓實和鉆進試驗的過程中，模擬月壤顆粒不漏。本發(fā)明中為使鉆削試驗后換模擬月壤方便，將月壤筒2底部設計為收縮口，開口處鉸接有封口法蘭204，通過封口法蘭204將收縮口密封；將封口法蘭204打開后，可進行月壤卸載。本發(fā)明中在月壤筒2側壁上收縮口位置周向上開有泄壓口 205，泄壓口 205處安裝端蓋，通過端蓋將泄壓口密封，且在試驗結束后打開泄壓口 205的端蓋，可預先對月壤筒2進行泄壓，避免封口法蘭204打開過程中由于壓力過大，使封口法蘭204與月壤筒2間的鉸接結構在封口法蘭204打開的過程中由于受力不均而損壞。
[0034]上述結構月壤筒2通過月壤筒轉動機構3實現在真空罐I內的定位，以及旋轉驅動。所述月壤筒轉動機構3包括吊裝盤301、齒輪盤302、驅動電機303與傳動齒輪304，如圖3所示。其中，吊裝盤301與齒輪盤302均同軸空套在月壤筒2上；吊裝盤301與月壤筒2外壁間存在間隙，且吊裝盤301通過立柱吊裝在真空罐下段102頂端的連接法蘭上。齒輪盤302通過定位銷與月壤筒2頂端周向上設計的定位法蘭相連，使月壤筒2與齒輪盤302間不會產生相對運動。吊裝盤301頂面與齒輪盤302底面間周向上安裝有滾珠305，通過滾珠305實現齒輪盤302與吊裝盤301間周向上的動摩擦連接，使齒輪盤302可在吊裝盤301上自由轉動，進而實現月壤筒2的自由轉動。上述吊裝盤301的周向上還均勻安裝有定位軸承306，與定位軸承306內圈配合的軸通過螺紋連接安裝在吊裝盤301上，定位軸承306外圈與齒輪盤302側壁接觸配合，由此通過定位軸承306在不影響齒輪盤302正常轉動的前提下，實現齒輪盤302的橫向移動限位，由此保證月壤筒2與真空罐I間的旋轉同心度。上述齒輪盤302的轉動動力通過驅動電機303提供；所述驅動電機303選用帶變頻輸出的直流電機或是由脈沖信號控制的脈沖電機，該電機轉速可調，精度較高。驅動電機303通過電機支架固定安裝在支撐臺架104上，驅動電機303輸出軸端部穿過真空罐下段102側壁，位于真空罐下段102內部；驅動電機303輸出軸與真空罐下段102側壁間通過動密封接頭B307實現旋轉動密封；動密封接頭B307同樣采用磁流體接頭。由此，驅動電機303產生的扭矩可通過輸出軸傳入真空罐下段102內。驅動電機303的輸出端端部同軸固定安裝有傳動齒輪304，傳動齒輪304與齒輪盤302外圍周向上的輪齒嚙合；進而通過驅動電機303帶動傳動齒輪304與齒輪盤302間傳動，使月壤筒2隨著齒輪盤302 —同轉動。由此，在進行鉆具鉆削試驗過程中，通過月壤筒2的旋轉，保證一次鉆削試驗可實現多次鉆取，大大節(jié)約了鉆削試驗的時間。本發(fā)明中在真空罐下段102內部還安裝有熱沉罩114，套在月壤筒2外部，有助于鉆削試驗的散熱。同時考慮到真空罐下段102在抽真空過程中可能有月壤漏入真空罐I內，因此，本發(fā)明中真空罐下段102設計為開口，且安裝有下端蓋115，便于清掃漏入真空罐I內的月壤，如圖1所示。[0035]所述真空泵組4用來為真空罐I內部進行抽真空操作，真空泵組4可根據要求的真空度，選擇不同的型號。本發(fā)明中真空泵組4通過冷肼5與真空罐I相連，具體為:真空泵組4的真空管道與冷肼5 —端口通過冷肼封口法蘭連接，冷肼5另一端口通過冷肼封口法蘭與抽氣管道一端連通，抽氣管道的另一端通過抽氣法蘭與真空罐下段102底部間密封連接，保證模擬月壤在抽真空過程中的密實度。由此，通過冷肼5可防止真空罐I內的細小粉塵通過真空抽氣孔進入真空管道，損壞真空泵組4，同時避免試驗過程中的熱量對真空泵組4造成影響?？紤]到真空罐I密封的可靠性，真空抽氣接頭不能常拆卸，因此，真空泵組4固定安裝于升降平臺105上，實現真空泵組4與同真空罐下段102 —同移動。
[0036]本發(fā)明中真空罐I還通過管路連接氮氣氣瓶，通過閥門控制氮氣氣瓶內的流量；由此，在鉆削試驗結束后，打開閥門向真空罐I內部充入氮氣，使得真空罐I內壓強恢復至常壓。
[0037]通過本發(fā)明內筒可旋轉真空罐進行鉆具鉆取試驗時，通過下述過程實現:
[0038]a、將真空罐上段101安裝固定在固定架103上，將鉆具109通過磁流體密封接頭I安裝在真空罐上段101頂部鉆具安裝孔處，并調整鉆具109的位置，使鉆具109的光軸段112通過動密封接頭A113與鉆具安裝孔間動密封。同時，將真空泵組4安裝在升降平臺105上，使真空泵組4通過真空管道與冷肼5 —端連接，并將冷肼5另一端通過抽氣管道與真空罐下段102連接。
[0039]b、在月壤筒2中填裝模擬月壤，為了保證模擬月壤的密實度，分多次裝入體積松散的模擬月壤，每次裝入后通過振動電機壓實。隨后，用天車通過月壤筒2頂部的吊耳201將月壤筒2裝入真空罐下段102中，并與月壤筒轉動機構3中的齒輪盤302固定。
[0040]C、通過直線電機，驅動升降平臺105，連同真空罐下段102、真空泵組4和月壤筒2沿著導軌107直線運動到真空罐上段101正下方，通過測距傳感器108，使真空罐下段102和真空罐上段101間精確定位。隨后，升起升降平臺105，將整個真空罐下段102向上移動，通過真空罐下段102頂端的定位銷釘和真空罐上段101底端的銷釘定位孔間配合，實現真空罐下段102與真空罐上段101間的對接，然后通過鎖緊螺栓壓緊O型橡膠密封圈實現密封；至此完成真空罐上段101與真空罐下段102間的對接密封。
[0041]d、真空泵組4開始工作，完成對真空罐I抽真空；通過真空泵組4使真空罐I達到設定的真空度后，鉆具驅動機構驅動鉆具109完成旋轉和鉆進運動，對模擬月壤進行鉆削試驗。當鉆具109完成第一次鉆削試驗時，鉆具驅動機構驅動鉆具向上提升至初始位置；此時，月壤筒旋轉機構3啟動，驅動電機303通過齒輪盤302驅動月壤筒2轉動一定的角度，由于鉆具109和月壤筒2不同軸，因此月壤筒2旋轉后可將鉆頭110對準未經鉆削的模擬月壤上，再次通過鉆具驅動機構驅動鉆具109進行第二次鉆削試驗，并根據需要，按照此順序完成鉆具109的多次鉆削試驗；鉆削試驗完成后，鉆具109始終保持在初始位直。
[0042]最后，鉆削試驗結束后，先往真空罐I內部充入氮氣,使得真空罐I內壓強恢復至常壓，松開真空罐上段101與真空罐下段102上連接法蘭的鎖緊螺栓，并使真空罐下段102在升降平臺105作用下下移，然后將真空罐下段102推出真空罐上段101正下方。接著用天車將月壤筒2吊出真空罐下段102，打開月壤筒2底部封口法蘭204卸出月壤。至此，完成了鉆具109在模擬月球環(huán)境真空罐的鉆削工作。
【權利要求】
1.一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:包括真空罐、月壤筒、月壤筒轉動機構、真空泵組； 所述真空罐由真空罐上段與真空罐下段構成；其中，真空罐上段與地面間相對固定；真空罐下段安裝在可移動升降平臺上；通過升降平臺實現真空罐下段與真空罐上段間的對接與分離；所述真空罐上段頂端通過法蘭固定安裝有上端蓋，上端蓋上開有鉆具安裝孔，用來安裝鉆具；且鉆具安裝孔與真空罐不同心；真空罐通過真空泵組進行抽真空，真空泵組同樣安裝在可移動升降平臺上； 所述月壤筒用來盛裝模擬月壤，同軸設置于真空罐下段內部；月壤筒通過月壤筒轉動機構實現在真空罐內的定位，以及旋轉驅動；所述月壤筒轉動機構包括吊裝盤、齒輪盤、驅動電機與傳動齒輪；其中，吊裝盤與齒輪盤均同軸空套在月壤筒上；吊裝盤與月壤筒外壁間存在間隙，吊裝在真空罐下段上；齒輪盤與月壤筒間固定；吊裝盤頂面與齒輪盤底面間通過滾珠實現周向上的動摩擦連接；驅動電機，驅動電機的輸出端端部同軸固定安裝有傳動齒輪，傳動齒輪與齒輪盤嚙合；通過驅動電機帶動傳動齒輪與齒輪盤間傳動。
2.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述真空罐下段頂端上設計有錐形定位銷釘，真空罐上段底端法蘭上開有銷釘定位孔，且定位銷上段設計為錐形結構，使真空罐上段與真空罐下段間對接時，通過錐形定位銷釘配合銷釘定位孔進行對準。
3.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述鉆具為分段式結構，一段為螺旋段，另一段為光軸段，螺旋段與光軸段的一端相互嵌合固定；光軸段通過動密封接頭實現與上端蓋的鉆具安裝孔間的動密封；所述螺旋段另一端為鉆頭；光軸段的另一端 與外部鉆進試驗驅動平臺。
4.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述月壤筒上端安裝有吊耳，筒壁上開有透氣孔；內壁上安裝有空隙小于模擬月壤顆粒的網狀內膽；且月壤筒底部設計為收縮口，開口處安裝有封口法蘭；月壤筒側壁上收縮口位置周向上開有泄壓口，泄壓口處安裝端蓋。
5.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述吊裝盤的周向上均勻安裝有定位軸承，定位軸承外圈與齒輪盤側壁接觸配合實現齒輪盤的橫向移動限位。
6.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述真空泵組通過冷肼與真空罐相連。
7.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述真空罐下段內部還安裝有熱沉罩，套在月壤筒外部。
8.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述真空罐下段設計為開口，且安裝有下端蓋。
9.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述可移動升降平臺通過導軌進行移動導向，且導軌上安裝有測距傳感器，測距傳感器實時檢測自身與升降平臺間的距離信號，發(fā)送至外部控制設備，直至距離信號與設定閾值相等時，則由控制設備控制升降平臺停止移動，此時控制升降平臺上升即可完成真空罐上段與真空罐下段間的對接。
10.如權利要求1所述一種模擬月球真空環(huán)境的內筒可旋轉真空罐，其特征在于:所述真空罐還通過管路 連接氮氣氣瓶，通過閥門控制氮氣氣瓶內的流量。
【文檔編號】B64G7/00GK103786907SQ201410033225
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權日:2014年1月23日
【發(fā)明者】丁希侖, 李京霖, 張濤, 張武翔 申請人:北京航空航天大學