张润华 梁宸 张智鹏 蔡悦 彭瑀璇 姬嘉骏 姚赛铖
摘 要：探月工程具有很大的科学意义，月球表面具有很多地球稀缺的矿产资源，月球探测将为人类的可持续发展带来新的动力。因此，月球基地建设与矿产资源开发已是当下月球开发的重中之重。现有研究缺少对真空环境的真实模拟，难以系统、可靠、准确地揭示月壤力学、工程特性与诸影响因素之间的关系，特别是真空等特殊环境效应。该文基于月球采矿工程背景，研制可模拟月球真空环境的装置，搭建月球真空模拟试验系统，为人类研究月球时在解决模拟真空环境问题方面奠定基础，对于“中国探月工程”及其太空开发战略的实施具有重要意义。
关键词：月球真空环境 真空装置 真空箱 真空泵
中图分类号：TB753 文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）06（c）-0048-03
Research of Lunar Ultra Vacuum System
ZHANG Runhua LIANG Chen ZHANG Zhipeng CAI Yue PENG Yuxuan JI Jiajun YAO Saicheng
（Sun Yueqi honors College of China University of Mining and Technology，Xuzhou，Jiangsu Province，221000 China）
Abstract： The lunar exploration project is of great scientific significance. There are many rare mineral resources on the surface of the moon. Lunar exploration will bring new impetus to human sustainable development. Therefore， the construction of lunar base and the development of mineral resources have become the top priority of lunar development. The existing research lacks the real simulation of vacuum environment， so it is difficult to systematically， reliably and accurately reveal the relationship between lunar soil mechanics， engineering characteristics and various influencing factors， especially the special environmental effects such as vacuum. based on the background of lunar mining engineering， this paper develops a device that can simulate the lunar vacuum environment and builds a lunar vacuum simulation test system， which lays a foundation for human beings to solve the problem of simulating the vacuum environment when studying the moon. It is of great significance to the implementation of "China Lunar Exploration Project" and its space development strategy.
Key Words： Lunar vacuum environment; Vacuum device; Vacuum box; Vacuum pump
1 研究目的、內容及方案
1.1 研究目的
月球作为地球唯一的天然卫星，拥有着丰富的资源，是人类开展深空探测的首选目标，也是人类进行外层空间探测的理想基站[1]。目前，永久性基地建设、资源开采与原地利用是新一轮全球深空工程的焦点[2]。月面拥有丰富的太阳能，实现太阳能的综合利用是各阶段月球基地共同的目标，月壤中含有丰富的氦-3资源，是核聚变反应清洁、高效、安全的原料[3]。同时，月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物，月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题[4]。在信息时代，最具开发价值的月球资源不但包括有形的月球自然资源，还包括符合时代发展的无形资源以及有形资源和无形资源的结合体[5]。
1.2 研究内容及方案
该文拟研发一套真空系统，营造超真空环境物理环境，实现月表真空环境的可靠模拟。采用“旋片式机械泵+扩散泵”二级真空泵联动结构，通过一级泵和二级泵联合工作模式将试验箱内部的气体排出试验箱外营造真空环境;采用最大限度减少出口、多重密闭、高精度低扰动抽取等手段控制试验空间的真空度，从而获得与月球相似的真空环境。同时，在动密封加载杆传动机构中，加入真空盖的部分以金属波纹管加以密封，真空盖上表面和加载杆之间以橡胶垫片密封。
2 真空箱设计
箱体为304不锈钢，高500 mm，内径500 mm;下侧有抽气管道，碳钢制，长700 mm，内径100 mm。箱盖与箱体之间以密封圈加强密封。真空容器经过整体检漏后，漏率优于1×10-9 Pa·m3/s，内部封头上焊接两角钢用来支撑热沉，角钢上采用环氧树脂进行隔热[6]。
2.1 箱体壁厚计算
箱体壁厚计算公式中[7]：
（1）
式（1）中，S为圆筒壁厚;D为圆筒内径;P为外压设计压力，MPa;L为圆筒长度，取500 mm;Et为材料温度为t时的弹性模量，取3 000 MPa;C1为钢板的最大负公差附加量，取0.5 mm;C2为腐蚀裕度，取1 mm;C3为封头冲压时的拉伸减薄量，取0。
注：壁厚由实际壁厚和附加量组成，1.25
为实际壁厚，为壁厚附加量。
取d=500 mm，p=0.1 MPa，计算出壁厚S=12.616 mm。
2.2 抽气管道壁厚计算
2.2.1 壁温≤120℃
（2）
式（2）中，S为管子壁厚，mm;S0为计算壁厚，mm;da为管子外径，mm; p为设计压力，MPa;[σ]为管子材料许用应力，MPa;C1为壁减薄量的附加量，mm（对于无缝钢管查冶金部标准）; C2为腐蚀裕度或磨损量，mm;γ为纵焊缝的焊缝系数，对无缝钢管γ=1。
2.2.2 许用应力[σ]
工作溫度≤120 ℃时，钢材可取20 ℃的屈服限σs，除以安全系数ns，即：
取[σ]=137 MPa，算得壁厚s=1.500 375 915152 6 mm。
3 真空系统参数计算
3.1 空载时长期抽气后真空室的气体负荷Q0计算
在该真空装置中，Q0近似分为3个部分：Q0=Q1+Q2+Q3，分别是：真空容器各部件的漏气率、气体通过固体壁面的渗透速率以及真空容器壁面的放气速率。
其中，Q=1.33×10-10 Pa·m3/s。
Q2： 对于双原子气体分子离解后的原子态渗透（如氢对金属的渗透），有：
Q=KA△p1/2/d
式中，Q为气体透过固体壁面的渗透速率;P为壁两侧的气压差;D为壁厚;A为壁的面积;K为某种气体对某种固体的渗透系数。
由图1可知，氢气在100C对304不锈钢的渗透系数为10-9，又A=2×3.14×15×40 cm2，d为12.616 mm，经计算可知：
Q2=3.96×10-5 Pa L/s=3.96×10-8 Pa·m3/s
Q3由表1计算可知：Q3=2×10-12×133.3×2×3.14×
15×40=1.005×10-6 Pa·L/s=1.005×10-9Pa·m3/s。
综上，Q0=Q1+Q2+Q3
=1.33×10-10+3.96×10-8+1.005×10-9
=4.07×10-8 Pa·m3/s
即Q0=4.07×10-5 Pa·L/s。
3.2 有效抽速S的计算
真空室的极限真空，由下式决定：
式（3）中：为真空室所能达到的极限真空，Pa;（3）为真空泵的极限真空，Pa;为空载时，长期抽气后真空室的气体负荷（包括漏气、材料表面出气等），Pa·L/s;S为真空室抽气孔附近泵的有效抽速，L/s。
已知真空室极限真空Pj为10-6 Pa，扩散泵的极限真空为5×10-7 Pa，Q0为4.07×10-5 Pa·L/s，由极限真空公式可得有效抽速：
3.3 流导U的计算
外真空室及低温阀箱主要是为超导磁体的正常运行提供真空绝热环境[8]。真空室的气体负荷Q（Pa·L/s），通过流导为U的管道被真空泵抽走。图中S为真空室抽气孔的有效抽速，而P、PP分别为管道入口和出口压力，SP则为真空泵的抽速。
依据流量定义有：
Q=U（P-PP）
泵口压力为PP，泵的抽速为SP，泵抽走的气体流量为：
Q=SPPP
管道入口压力为P，有效抽速为S，通过入口的气流量为：
Q=SP
在动态平衡时，流经任意截面的气体流量相等。由前几式可得：
或
已知有效抽速S=81.4 L/s，扩散泵的抽速SP=
300 L/s，由公式可得流导：
3.4 真空装置抽气管道尺寸验算
下面以圆截面短管为例进行分析。
长度L≤20 d的管道称为短管，d为管道直径，在分子流时其流导用克劳辛系数计算20 ℃空气通过管道的流导公式如下：
（5）
式中，为分子流时20 ℃空气圆截面短管流导，m3/s;A0为圆孔面积，m2;α为克劳辛系数，见表2。
设定管道内径为0.1 m=10 cm，由此可算得α=0.123，因此L/d约为9，为使结果符合极限真空要求，确定L/d为8，因此管道内径为10 cm，管道长度应小于等于80 cm。实际设计取的70 cm，符合计算要求。
3.5 抽气时间计算
采用高真空下抽气时间计算的方法。
（1）计算真空室平衡压力为1.332×10-4 Pa的允许出气量。
q=p.s=1.332×10-4×1.202×10-3=1.601064×10-7pa.l/s
（2）计算出气管道的平均出气率。
假设出气管道长150 mm，内径100 mm，材料为碳钢。
（3）由图2数据可以得到：出气率为3.64×10-9 Pa·L/（s·cm2）时的抽气时间为0.8 h（假设该曲线为直线）。
4 结语
经过理论计算，该装置可达到1.332×10-4 Pa的真空度，而真空室的极限真空为1×10-6 Pa。因此，实验装置能满足研究要求。
参考文献
[1] 李琛，魏奎先，李阳，等.月球表面矿产资源原位利用研究进展[J].中南大学学报，2020，51（12）：
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[3] 任德鹏，李青，许映乔.月球基地能源系统初步研究[J].深空探测学报，2018，5（6）：561-568.
[4] 周国庆.月球采矿中月壤/岩力学问题的理论与试验方法[J].煤炭学报，2019，44（1）：183-191.
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