[发明专利]一种磁拟月球表面重力场真空环境试验装置和试验方法

说明书

本发明公开了一种磁拟月球表面重力场真空环境试验装置和试验方法，所述装置主要由真空饱和桶、不锈钢盖板、真空泵和密封结构组成。密封结构由上、下固定锁帽和两个密封圈共同组成，实现密封环境中的轴向加载。利用本发明装置可以开展模拟月球表面重力场、真空环境下模拟月壤等多种岩土体材料的单轴压缩试验、拉伸试验、平板静载荷及静力触探物理模型试验，可模拟不同的真空环境，多种颗粒尺度、级配和加载速率条件；获得模拟月壤的变形、强度力学性质和工程特性与重力场、真空等因素之间的相关关系，分析、揭示月壤力学特性，特别是月壤弱内聚力、小抗拉强度的形成机理与演化规律，为典型地区月面工程所需月壤的基本力学与工程参数提供试验支撑。

技术领域

本发明涉及一种磁拟月球表面重力场真空环境试验装置和试验方法，适用于在磁场、真空环境下开展模拟月壤、黏性土等岩土材料的拉伸、直接剪切、侧限压缩和静载荷模型试验，研究岩土材料的变形、强度等力学与工程特性与重力场和真空环境的耦合效应。

背景技术

外空资源开发是航天事业发展和空间应用的前沿领域，也是近年来国际空间外交舞台及各国航天科技界、空间法学界的热议话题。随着人口持续增长、地球资源的日益枯竭，人类在地球环境实现长期可持续发展将面临巨大挑战，这就迫切需要开发潜在的月球资源。“嫦娥探月”工程按照“绕、落、回”三步走的方针，已借助嫦娥1号、2号和3号探测器实现了“绕”、“落”，后续发射“嫦娥5号”月球探测器将首次开展月面无人钻孔取样返回试验，为我国开展更深入的月球科学探测和建设月球空间基地奠定坚实的基础。但是月球表面的重力场仅为地球的1/6，同时其表面大气非常稀薄，近月空间和月表环境中的大气密度仅有地球的1/10¹²，属于超高真空环境。相关研究已经表明，月壤等岩土体颗粒材料的物理力学参数与真空度存在一定的环境耦合效应。ALS模拟月壤的原始压实模量随着真空度的增大而呈现线性减小趋势，在真空度为5×10^-3Torr时三轴压缩试验应力-应变曲线的起始模量达到了地面环境试验的4.6倍。当气压低于10Pa时，随着气压的继续降低，Apollo系列月壤的导热系数变化很小，但当气压接近1Pa时，月壤的导热系数基本不再变化。此外，关于真空度对月壤力学及工程特性影响规律方面的研究成果甚少，因此为了保证探测器、巡回器在月球表面的安全稳定工作，需要在地面模拟月球表面的小重力、真空环境进行测试实验，同时小重力、真空环境试验系统的构建为揭示月壤变形和强度特性的形成、演化及其对工程的影响机制具有极其重要的学术和工程应用价值。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种磁拟月球表面重力场真空环境试验装置和试验方法，使用方便快捷、精度可靠，且可同时在月球表面小重力场和真空环境中开展模拟月壤、黏性土等岩土材料物理力学与模型试验。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于待检测样品的磁学特性，通过其在磁场中受到均匀的电磁场力来模拟月球表面小重力环境，因此设计的试验装置需要放置在特定强度的磁场环境(磁场强度约0-1T)中，试验装置在结构材料选取上既要考虑气压作用下的强度和变形特性，同时也要考虑磁场中的磁化特性，避免产生附加的干扰磁场。

一种磁拟月球表面重力场真空环境试验装置，包括真空饱和桶、不锈钢盖板、真空泵和光滑的加载圆杆，真空饱和桶为透明有机玻璃材质的、有底无盖的空心圆柱体结构，不锈钢盖板盖在真空饱和桶上，并通过环形硅胶密封圈实现密封；

在不锈钢盖板上设置有排气孔、进气孔、仪器安装孔和加载孔，在排气孔内设置有内外丝球阀，在进气孔内设置有进气孔球阀，在仪器安装孔内设置耐震真空表，真空泵的高压气管通过气动快速接头与排气孔连通，通过真空泵对真空饱和桶进行抽真空，通过内外丝球阀的闭合开关调节抽真空速率，通过进气孔球阀平衡抽真空和试验过程中真空饱和桶内外的气压，通过耐震真空表对真空饱和桶内真空度进行检测；加载圆杆贯穿加载孔，在加载圆杆的下端设置有法兰加载端头，加载孔内设置有密封结构，在保证加载圆杆能够相对自由移动的同时保证真空饱和桶的密封性；