阅读说明：本技术 月基环境模拟装置 (Moon-based environment simulation device ) 是由 *** 张国庆 高明忠 朱建波 李存宝 于 2019-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种月基环境模拟装置,包括连接设置的月球地面模拟系统及月岩模拟系统,所述月球地面模拟系统用于模拟装置模拟月球地面环境,所述月岩模拟系统用于模拟月岩环境。由于考虑模拟月球地面及月岩环境,提供较为系统的月球模拟环境,消除试验对象模拟试验时在不同环境中转换造成的精度影响和时间浪费问题,提高试验效率,提高模拟真实性和精确度。(The invention provides a lunar ground environment simulation device which comprises a lunar ground simulation system and a lunar rock simulation system which are connected, wherein the lunar ground simulation system is used for simulating a lunar ground environment by the simulation device, and the lunar rock simulation system is used for simulating a lunar rock environment. Because the simulated lunar ground and lunar rock environment are considered, a more systematic lunar simulated environment is provided, the problems of precision influence and time waste caused by conversion in different environments during the simulation test of a test object are solved, the test efficiency is improved, and the simulation authenticity and precision are improved.)

月基环境模拟装置

技术领域

本发明涉及月球环境模拟技术领域，特别涉及一种月基环境模拟装置。

背景技术

月球是距离地球最近的天体，是地球唯一的天然卫星。随着近代科学技术的进步和航天活动的发展，月球成为人类开展空间探测的首选目标，世界各国现已针对月球取芯开展了诸多研究。

目前，在地面开展的月球模拟环境试验大都为单一因素试验方法，例如，仅模拟真空或月尘等某一种极端环境，实验结果不足以反映月球复杂环境的综合作用情况，影响测试精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明实施例提供一种能够提高测试精确度的月基环境模拟装置。

一种月基环境模拟装置，包括连接设置的月球地面模拟系统及月岩模拟系统，所述月球地面模拟系统用于模拟装置模拟月球地面环境，所述月岩模拟系统用于模拟装置模拟月岩环境。

本发明提供的月基环境模拟装置，由于考虑模拟月球地面环境及月岩环境(地下环境)，提供较为系统的月球模拟环境，提高模拟真实性和精确度，以及提高了测试精度。由于月基环境模拟装置消除试验对象模拟试验时在不同环境中转换造成的精度影响和时间浪费问题，提高试验效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一实施例提供的月基环境模拟装置的立体组装示意图。

图2为图1所示的月基环境模拟装置去除部分结构的立体组装示意图。

图3为图1所示的月基环境模拟装置的另一视角示意图。

图4为图1所示的月基环境模拟装置的一剖视图。

图5为图1所示的月基环境模拟装置的微重力模拟系统的局部放大示意图。

图6为本发明第二实施例提供的月基环境模拟装置的立体组装示意图。

图7为图6所示的月基环境模拟装置的一剖视图。

图8为图6所示的月基环境模拟装置的另一视角示意图。

图9为图6所示的月基环境模拟装置去除部分结构的立体组装示意图。

图10为图6所示的月基环境模拟装置的温度调节系统的局部放大示意图。

图11为图6所示的月基环境模拟装置的微重力模拟系统的局部放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

第一实施例

请参阅图1和图2，图1为本发明第一实施例提供的月基环境模拟装置的立体组装示意图。图2为图1所示的月基环境模拟装置去除部分结构的立体组装示意图。

一种月基环境模拟装置100，包括连接设置的月球地面模拟系统101及月岩模拟系统103。月球地面模拟系统101用于模拟月球地面环境。月岩模拟系统103用于模拟月岩环境以模拟月球地下环境。

本实施方式提供的月基环境模拟装置100，考虑了月球地面及地下的综合复杂环境，提高了在地球上模拟月基环境的精确度，从而提高了测试精度。另外，由于试验对象无需在不同环境转换，节约了时间，提高了试验效率。

具体的，月球地面模拟系统101包括模拟舱10、月壤模拟系统20及真空模拟系统30。月壤模拟系统20、真空模拟系统30均与模拟舱10连通设置。月壤模拟系统20用于向模拟舱10提供月球的月壤模拟环境，真空模拟系统30用于对模拟舱10进行抽真空以模拟月球的真空环境。

月壤模拟系统20包括月壤模拟物21。模拟舱10固定设置于月壤模拟物21上，月岩模拟系统103设置于月壤模拟物21背离模拟舱10的一侧。试验对象(图未示)可以于月壤模拟物21上行走进行试验。可以理解，试验对象可以为取芯器系统、航天器等其他设备或者器件，在此不作限定。

月壤模拟系统20还包括固定于模拟舱10上的洒尘器22、带电粒子加速器23及紫外线产生装置25。洒尘器22固定于模拟舱10，用于向模拟舱10内提供月尘模拟物，以模拟月球表面的微尘环境。带电粒子加速器23用于产生质子束，以使月尘模拟物带静电。试验对象在月壤模拟物21上运动时，试验对象的表面能够粘附扬起的模拟月尘。紫外线产生装置23用于向模拟舱10内发射紫外线，以模拟月尘在紫外线作用下发生光电效应。由于月球地面模拟系统101设有带电粒子加速器23、紫外线产生装置25及洒尘器22，模拟了月球上的微尘环境，从而提高了月球地面环境的模拟精度。可以理解，月壤模拟系统20可以省略洒尘器22、带电粒子加速器23及紫外线产生装置25。

本实施方式中，月壤模拟物21的制备可参以下描述：月壤模拟物21是采用与月壤物理化学性质相近的土壤粉碎、尺寸分级、粒径级配、混合、出气预处理后获得，月壤的粒径很小，其中1毫米以下的颗粒占总质量的95％以上。

本实施例提供的矿物碎屑(这里定义为含某种矿物80％以上的颗粒，主要为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿、尖晶石等)、原始结晶岩碎屑(玄武岩、斜长岩、橄榄岩、苏长岩等)、角砾岩碎屑、各种玻璃(熔融岩、微角砾岩、撞击玻璃、黄色或黑色火成碎屑玻璃)、粘合集块岩、陨石碎片等，经过预处理之后，充当月尘月壤的模拟物。

月岩模拟系统103包括隔热容器1031及容纳于隔热容器1031中的月岩模拟物1033，月岩模拟物1033与月壤模拟物21层叠设置。月岩模拟物1033设置于月壤模拟物21背离模拟舱10的一侧。

本实施方式中，月岩模拟物1033的制备可参以下描述：根据月球地形特征，一般将月岩分为月海玄武岩和月陆斜长岩，因此模拟舱10内可以采用玄武岩块体与不同粒径玄武岩料混合制备，并根据月表不同深度的温度分布特征分区域对月岩模拟物1033进行加热，以模拟最真实月表环境，即月岩模拟物1033包括至少两个温度不同的区域。

更为具体的，模拟舱10包括第一舱体11及与第一舱体11连通的第二舱体13。第一舱体11上设有舱门111。舱门111用于开启或关闭第一舱体11。第一舱体11上设置有观察窗112。观察窗112用于试验员观察并记录第一舱体11内部的实验状况。其中，洒尘器22、带电粒子加速器23及紫外线产生装置25均设置于第二舱体11上。

可以理解，不限定舱门111的数量，例如，舱门111可以为一个或两个以上。可以理解，不限定观察窗112的数量，例如观察窗112可以为一个或两个以上。可以理解，不限定观察窗112的设置位置，观察窗112可以设置于第一舱体11及/或舱门111上。

请参阅图3，图3为图1所示的月基环境模拟装置的另一视角示意图。真空模拟系统30包括储气罐31、真空泵32、罗兹泵33、油扩散泵34及管道35，储气罐31、真空泵32、罗兹泵33及油扩散泵34依次通过管道35连通。真空泵32、罗兹泵33、油扩散泵35用于对模拟舱10进行抽气以模拟月球真空环境。可以理解，对真空模拟系统30的结构不作限定，其能够满足对模拟舱10进行抽气即可。

进一步地，真空模拟系统30还包括安装托架37，真空泵32、罗兹泵33设置于安装托架37上。

月球表面几乎没有大气层和大气活动，白天与夜晚的温差很大，白昼温度为403～423K，夜晚温度为93～113K。随着月球表面温度的变化，月表气压在10^-9～10^-13Pa范围内变化。在月球两极存在着常年不会受到太阳辐照的陨石撞击坑，温度为40～50K，其中水冰含量为(66～200)×10⁸t。请再次参阅图1与图2，本实施方式中，月球地面模拟系统101还包括设置于模拟舱10的温度调节系统40，用于调节模拟舱10内的温度以模拟月球的极端温度环境。可以理解，通过温度调节系统40调控模拟舱10内在不同时间点的温度。

进一步地，第一舱体11的内壁涂覆有热沉15，用于模拟月球环境极冷极黑的环境。温度调节系统40包括气氦调温系统41及与气氦调温系统41串联设置的液氮制冷系统43，以实现对热沉15进行温度调控。本实施方式中，通过气氦调温系统41提供的气氦对液氮制冷系统43提供的液氮进行进一步冷却至70K；在150～400K温度范围内，采用气氦调温系统41控制热沉15温度。可以理解，根据实际需求，控制气氦调温系统41与液氮制冷系统43对模拟舱10内的温度进行调控。

气氦调温系统41包括制氦机411、压缩机413、储氦装置415及气管417，压缩机413通过气管417与制氦机411相连接，制氦机411通过气管417与储氦装置415相连接。制氦机411用于制取氦气，压缩机413用于将制取的氦气进行压缩并存储于储氦装置415中。

液氮制冷系统43包括制氮机431、液氮存储装置433、压缩机435及气管437，压缩机435通过气管437与制氮机431相连接，制氮机431通过气管437与液氮存储装置433相连接。制氮机431用于制取氮气，压缩机435用于将制取的氮气进行压缩并存储于液氮存储装置433中。

温度调节系统40还包括阵列灯45(如图2所示)，阵列灯45收容于模拟舱10内，用于模拟太阳的准直光。由于采用阵列灯45模拟太阳光谱、热流通量、高度角，进一步提高月基环境装置100对于月球环境的模拟精确度。本实施方式中，阵列灯45为红外灯阵，以可同时作为部分热源，调节模拟舱10内的温度。

请参阅图4与图5，图4为图1所示的月基环境模拟装置的剖视图，图5为本发明的月基环境模拟装置一实施例的微重力模拟系统的局部放大示意图。

月球地面模拟系统101还包括微重力模拟系统50，微重力模拟系统50位于模拟舱10的第一舱体11内以给模拟舱10内的试验对象提供拉力，抵消试验对象所受到的部分地球重力，实现模拟试验对象在月球所处的微重力环境。

微重力模拟系统50包括支撑架51及移动悬吊装置53。支撑架51固定于第一舱体11的内壁上，用于支撑移动悬吊装置53。移动悬吊装置53可活动地设置于支撑架51上。移动悬吊装置53包括第一导轨511、第二导轨512、移动平台513、连接件514、第一驱动件515及第二驱动件516。第一导轨511固定设置于支撑架51上，第一导轨511沿第一方向(例如Y方向)延伸。第二导轨512与第一导轨511滑动相接。第二导轨512沿第二方向(例如X方向)延伸。移动平台513与第二导轨512滑动相接。连接件514悬挂于移动平台513上，用于与试验对象连接，以给试验对象提供拉力。连接件514背离移动平台513的一端设有吊钩(图未示)，使用时，吊钩的牵引点位于试验对象的质心位置。第一驱动件515固定于第一导轨511上，用于驱动第二导轨512沿第一导轨511运动。第二驱动件515固定于第二导轨512上，用于驱动移动平台513沿第二导轨512运动。第一驱动件515与第二驱动件516能够根据试验对象的运动轨迹调节移动平台513的位置，从而不影响试验对象的运动。

微重力模拟系统50在试验对象上利用重力补偿的原理，通过导轨、悬吊等结构的组合并加以配重，满足六自由度的完全无约束，真正模拟月球表面的运行。可以理解，不限定微重力模拟系统50为本实施例所示例的结构，微重力模拟系统50还可以为其他的结构或装置，例如微重力模拟系统50可以采用气球悬浮的方式。

请再次参阅图2，月基环境模拟装置100还包括辐射环境模拟系统60。辐射环境模拟系统60包括射线装置61及放射辐射件63。射线装置61装设于模拟舱10的第二舱体13上，用于向模拟舱10内发射射线以模拟宇宙射线。本实施方式中，射线装置61用于发射x与y射线。可以理解，射线装置61不限定发射x与y射线，例如，射线装置61可以仅发射x与y射线中的一种或者其他类型的射线。放射辐射件63位于模拟舱10的第一舱体11内部。本实施方式中，放射辐射件63为大致呈环状的放射辐射环，放射辐射件63的数量为两个，两个放射辐射件63间隔设置，放射辐射件63通过绝热层(图未示)与热沉15隔开。阵列灯45位于两个放射辐射件63之间。

可以理解，放射辐射件63的数量可以为一个、三个或多个；为使模拟舱10内各个位置辐射均匀，可采取增大放射辐射件63布置密度及尺寸的方式进行改进。在一实施例中，月基环境模拟装置100还包括探测器(图未示)，所述探测器用于探测模拟舱10的第一舱体11内的辐射强度，控制器根据探测器所探测的辐射强度来调控放射辐射件63的辐射强度。可以理解，辐射环境模拟系统60包括射线装置61与放射辐射件63中的至少一个

本发明第一实施例提供的月基环境模拟装置100，由于模拟了真空、微重力、极端温差、高宇宙辐射、微尘埃等极端月球地面环境，以及考量了模拟月岩的地下环境因素，提高了对月球环境模拟的真实性，提高了对试验对象于月基环境模拟装置100行走、探测及取芯等试验的精度。

第二实施例

请参阅图6与图7，图6为本发明第二实施例提供的月基环境模拟装置的立体组装示意图。图7为图6所示的月基环境模拟装置的剖视图。一种月基环境模拟装置200，包括连接设置的月球地面模拟系统201及月岩模拟系统203。月球地面模拟系统201用于模拟月球地面环境。月岩模拟系统203用于模拟月岩环境以模拟月球地下环境。

月球地面模拟系统201包括模拟舱70、月壤模拟系统80及真空模拟系统90。月壤模拟系统80、真空模拟系统90均与模拟舱70连通设置。月壤模拟系统80用于向模拟舱70提供月球的月壤模拟环境，真空模拟系统90用于对模拟舱70进行抽真空以模拟月球的真空环境。

月壤模拟系统80包括月壤模拟物81，月壤模拟物81收容于模拟舱70。

月球地面模拟系统201还包括固定于月壤模拟物81表面的轨道89。轨道89用于方便试验对象行走或者移动其他设备。可以理解，不限制轨道89的设置位置及设置方向。可以理解，不限制轨道89的数量。例如轨道89的数量可以为一个、三个或多个。

月壤模拟系统80还包括固定于模拟舱70上的洒尘器82、带电粒子加速器83及紫外线产生装置85。洒尘器82固定于模拟舱70，用于向模拟舱10内提供月尘模拟物，以模拟月球表面的微尘环境。带电粒子加速器83用于产生质子束，以使月尘模拟物带静电。试验对象在月壤模拟物81上运动时，试验对象的表面能够粘附扬起的模拟月尘。紫外线产生装置85用于向模拟舱70内发射紫外线，以模拟月尘在紫外线作用下发生光电效应。由于月球地面模拟系统201设有洒尘器82、带电粒子加速器83及紫外线产生装置85，模拟了月球上的微尘环境，从而提高了月球地面环境的模拟精度。

月岩模拟系统203埋设于月壤模拟物81内。月岩模拟系统203包括隔热容器2031及容纳于隔热容器2031中的月岩模拟物2033。月岩模拟物2033通过隔热容器2031与月壤模拟物81相互隔离。可以理解，月岩模拟系统203可以为两个、三个及以上。

更为具体的，模拟舱70包括第一舱体71及与第一舱体71连通的第二舱体73。第一舱体71上设有舱门711。舱门711用于开启或关闭第一舱体71。可以理解，在一些实施方式中，舱门711上可设置观察窗(图未示)。观察窗用于试验员观察并记录第一舱体11内部的实验状况。

可以理解，不限定舱门711的数量，例如，舱门711可以为一个或两个以上。

进一步地，舱门711包括舱门框7111、连接件7113、舱门扇7115。舱门扇7115通过连接件7113滑动连接于舱门框7111上，使舱门扇7115能沿着舱门框7111滑动，方便开启或关闭第一舱体71，从而提高试验效率。

请参阅图8，图8为图6所示的月基环境模拟装置的另一视角示意图。真空模拟系统90包括储气罐91、真空泵92、罗兹泵93、油扩散泵94及管道95，储气罐91、真空泵92、罗兹泵93及油扩散泵94依次通过管道95连通。真空泵92、罗兹泵93、油扩散泵95用于对模拟舱70进行抽气以模拟月球真空环境。可以理解，对真空模拟系统90的结构不作限定，其能够满足对模拟舱70进行抽气即可。

进一步地，真空模拟系统90还包括安装托架97，真空泵92、罗兹泵93设置于安装托架97上。

请参阅图9和图10，图9为图6所示的月基环境模拟装置去除部分结构的立体组装示意图。图10为图6所示的月基环境模拟装置的温度调节系统的局部放大示意图。

本实施方式中，月球地面模拟系统201还包括设置于模拟舱70的温度调节系统130，用于调节模拟舱70内的温度以模拟月球的极端的温度环境。可以理解，通过控制器控制温度调节系统130在不同时间点的温度。

进一步地，第一舱体71的内壁涂覆有热沉75，用于模拟月球环境极冷极黑的环境。温度调节系统130包括气氦调温系统102及与气氦调温系统102串联设置的液氮制冷系统104，以实现对热沉75进行温度调控，从而调节模拟舱70内的温度。本实施方式中，通过气氦调温系统102提供的气氦对液氮制冷系统104提供的液氮进行进一步冷却至70K；在150～400K温度范围内，采用气氦调温系统102控制热沉75温度。可以理解，根据实际需求，控制气氦调温系统102与液氮制冷系统104对模拟舱70内的温度进行调控。

气氦调温系统102包括制氦机1011、压缩机1013、储氦装置1015及气管1017，压缩机1013通过气管1017与制氦机1011相连接，制氦机1011通过气管1017与储氦装置1015相连接。制氦机1011用于制取氦气，压缩机1013用于将制取的氦气进行压缩并存储于储氦装置1015中。

液氮制冷系统104包括制氮机1035、液氮存储装置1036、压缩机1037及气管1038，压缩机1037通过气管1038与制氮机1035相连接，制氮机1035通过气管1038与液氮存储装置1036相连接。制氮机1035用于制取氮气，压缩机1037用于将制取的氮气进行压缩并存储于液氮存储装置1036中。

温度调节系统130还包括阵列灯105，阵列灯105收容于模拟舱70内，用于模拟太阳的准直光。由于采用阵列灯105模拟太阳光谱、热流通量、高度角，进一步提高月基环境装置100对于月球环境的模拟精确度。本实施方式中，阵列灯105为红外灯阵，以可同时作为部分热源，调节模拟舱70内的温度。

请再次参阅图7、图9与图11，图11为图6所示的月基环境模拟装置的微重力模拟系统的局部放大示意图。

月球地面模拟系统201还包括微重力模拟系统110，微重力模拟系统110位于模拟舱70的第一舱体71内以给模拟舱70内的试验对象提供拉力，抵消试验对象所受到的部分地球重力，实现模拟试验对象在月球所处微重力环境。

微重力模拟系统110包括支撑架1101及移动悬吊装置1103。支撑架1101固定于第一舱体71的内壁上，用于支撑移动悬吊装置1103。移动悬吊装置1103可活动地设置于支撑架1101上。移动悬吊装置1103包括第一导轨1104、第二导轨1105、移动平台1106、连接件1107、第一驱动件1108及第二驱动件1109。第一导轨1104固定设置于支撑架1101上，第一导轨1104沿第一方向(例如Y方向)延伸。第二导轨1105与第一导轨1104滑动相接。第二导轨1105沿第二方向(例如X方向)延伸。移动平台1106与第二导轨1105滑动相接。连接件1107悬挂于移动平台1106上，用于与试验对象连接，以给试验对象提供拉力。连接件1107背离移动平台1106的一端设有吊钩(图未示)，使用时，吊钩的牵引点位于试验对象的质心位置。第一驱动件1108固定于第一导轨1104上，用于驱动第二导轨1105沿第一导轨1104运动。第二驱动件1109固定于第二导轨1105上，用于驱动移动平台1106沿第二导轨1105运动。第一驱动件1108与第二驱动件1109能够根据试验对象的运动轨迹调节移动平台513的位置，从而不影响试验对象的运动。

微重力模拟系统110在试验对象上利用重力补偿的原理，通过导轨、悬吊等结构的组合并加以配重，满足六自由度的完全无约束，真正模拟月球表面的运行。可以理解，不限定微重力模拟系统110为本实施例所示例的结构，微重力模拟系统110还可以为其他的结构或装置，例如微重力模拟系统110还可以为气球悬浮的方式。

月基环境模拟装置200还包括射线装置121。射线装置121装设于模拟舱70的第二舱体72，用于向模拟舱70内发射射线以模拟宇宙射线。本实施方式中，射线装置121用于发射x与y射线。可以理解，射线装置121不限定发射x与y射线，例如，射线装置121可以仅发射x与y射线中的一种或者其类型的射线。

本发明第二实施例提供的月基环境模拟装置200，由于模拟了真空、微重力、极端温差、高宇宙辐射、微尘埃等极端月球地面环境，以及考虑模拟月岩的地下环境的模拟，提高了对月球环境模拟的真实性，提高了对试验对象于月基环境模拟装置200行走、探测及取芯等试验的精度。

以上所述是本发明的优选实施例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。