一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法技术

本发明专利技术公开了一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法。原位测量试验方法主要包括了环境模拟方法与试验方法两部分。其中环境模拟方法是基于地面真空热试验技术，设计了主要由真空热模拟室、低温热沉、压力控制系统、电子天平、电子天平扩展载物装置、电子天平热控系统、试样热控系统组成的试验系统构建方案，能同时实现试样所处的月表原位测量环境模拟与测量设备地面工作环境的模拟。试验方法是基于称重法，设计了包含试验条件组合、试验流程设计、试验数据处理的试验步骤，通过此方法，能获取真空度、温度、含水率和密实度对含水模拟月壤水升华速率影响的定量结果，为探月工程任务的原位采样设计提供支撑。任务的原位采样设计提供支撑。任务的原位采样设计提供支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法


[0001]本专利技术涉及原位测试技术与真空热试验方法
，尤其涉及一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法。

技术介绍

[0002]在历经几十年的探索中，科学家发现，月壤表层、次表层以及剖面层中存在含量不定的各种化合物甚至可能是生命之源—水冰。目前针对月壤水冰的探测大多是遥感观测手段，这些手段各有局限性无法准确获知水冰的实际存在情况，而采样返回地球进行测量则极可能被地球环境污染，得不到真实数据。由此，原位勘查与利用技术对于月球的科学探测具有重要意义。
[0003]在我国的探月工程任务中，嫦娥七号预计将在2024年发射，登陆月球南极，并在月球轨道上对月球南极进行全面的考察。此次嫦娥一项重要科学探测目标是通过原位探测的手段，首次直接证认月球南极永久阴影区域存在水冰并确定其来源与分布。为实现该项科学目标，需原位采集含水月壤，经加热之后释放其中挥发成分，用光谱和质谱对H2O含量和其同位素比例(D/H)进行测量。为尽量保证样品初始状态，需降低样品采集和转移过程中温升产生的水分子损失和同位素比例变化。相关研究表明，同位素比例变化与水分子损失量相关，控制水分子损失量可以达到控制同位素比例变化的目的。
[0004]为了减少原位采集过程中月壤水分子损失量，准确获取月表环境因素与月壤自身特性对水升华速率影响是基础，真实模拟月表原位采集环境，精确测量含水模拟月壤水损失升华率是解决问题的关键。因此，本专利技术提出一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法。
专利
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于：为了解决上述问题，而提出的一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：
[0007]一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法，在试验系统中设置有试样试验实时重量数据的真空模拟装置，用于记录不同特性的试样在各试验工况中的实时重量数据，同时，在模拟月表环境中，利用称重法测量计算含水月壤水升华损失率，并获取不同低温区、真空度、含水率和密实度因素对含水月壤水升华速率的影响，具体包括以下步骤：
[0008](1)制备试样，包括纯水冰和多组不同含水率、不同密实度的含水模拟月壤，在每种试样中分别预埋温度传感器；
[0009](2)对真空模拟装置进行误差标定；
[0010](3)开展真空度对含水模拟月壤水升华损失率影响的试验研究；
[0011](4)开展低温温度对模拟月壤水升华率影响的试验研究。
[0012]优选地，所述真空模拟装置包括：真空热模拟室、低温热沉、压力控制系统、两个电
子天平、电子天平扩展载物装置、电子天平热控系统、试样热控系统，电子天平热控系统由热控小舱、薄膜加热器、防辐射罩、温度传感器、程控电源组、控温仪组成，所述电子天平扩展载物装置由1个上连接法兰、1个下连接法兰、2组隔热圈、1个隔热片、1组连接螺栓、1个托盘组成，所述试样热控系统由红外加热笼、温度传感器、程控电源组、控温仪组成，其中，温度传感器在制作试样时，预埋在试样内部；真空热模拟室用于模拟月表冷黑环境；低温热沉与红外加热笼综合作用可调节试样温度；通过压力控制系统可调节真空热模拟室内真空度；电子天平用于测量样品在各工况试验过程中的重量数据，两个电子天平位置在真空热模拟室内与红外加热笼内保持相对对称，保证试样受到的辐射换热环境一致；电子天平扩展载物装置主要用于将电子天平的托盘延伸至热控小舱外，采用隔热材料聚酰亚胺制成，并用多层隔热组件包覆电子天平扩展载物装置上表面，防止电子天平温度与试样温度之间的相互干扰；
[0013]所述热控小舱由底框与盖板两部分组成，底框两侧带耳片，盖板中间开圆孔，在底框耳片与对应的盖板位置开通孔，用于安装螺钉组装热控小舱，热控小舱采用具有导热性的金属材料制成，热控小舱外表面使用多层隔热组件包覆，减少外界环境温度变化对热控小舱控温稳定性影响；
[0014]所述薄膜加热器贴在热控小舱六个内表面，用于实现主动控温；
[0015]所述防辐射罩采用隔热材料聚四氟乙烯制成，其外表面使用多层隔热组件包覆，二次减少外界环境温度变化对热控小舱控温稳定性影响。
[0016]优选地，所述步骤(2)中对真空模拟装置进行误差标定的方法具体包括以下步骤：
[0017](2A)用两块金属配重代替试样，放置在真空热模拟室内的电子天平上，启动压力控制系统使真空度达到最高值，同时低温热沉建立低温背景。调节电子天平热控系统，使两个热控小舱温度均稳定在电子天平正常工作温度区域内某一固定温度，记录天平一段时间内的示数随时间变化情况，由此依据公式获得该温度下，两台电子天平示数波动率：
[0018][0019]式中，l为电子天平示数波动率，m
max
、m
min
分别为时间内，电子天平示数的最大值与最小值；
[0020](2B)当在正式试验中，测量计算得到的水升华率小于电子天平示数波动值时，该值不能作为试验结果使用。
[0021]优选地，所述步骤(3)中开展真空度对含水模拟月壤水升华损失率影响的试验研究方法具体包括以下步骤：
[0022](3A)先用纯水冰进行试验,启动压力控制系统使真空度达到最高值、低温热沉建立低温背景，调节电子天平热控系统,使热控小舱温度稳定在步骤(2)对应的同一温度，然后调节产品热控系统，使纯水冰温度保持在低温区某一固定温度；
[0023](3B)纯水冰温度稳定后，调节压力控制系统，使真空热模拟室内真空度逐渐降低，直至目标真空度，记录真空度与电子天平示数随时间变化情况；
[0024](3C)取各真空度稳定区间的前后两个电子天平示数分别作为初始重量和变化后重量，依据公式(2)计算出不同真空度下的含水模拟月壤水升华损失率。
[0025][0026]式中，s为水升华损失率，m0、m
t
分别为Δt时间区间中试样的初始重量和变化后重量，V为试样制作时的表面积；
[0027](3D)分析水升华损失率计算结果，判断真空度对水升华损失率的影响是否明显，如果明显，依次用不同含水率、不同密实度的含水模拟月壤作为试样，按照步骤(3)开展试验，获得真空度变化对不同含水率、不同密实度含水模拟月壤水升华损失率的影响；如果不明显，直接可得出结论，真空度对模拟月壤水升华损失率无明显影响。
[0028]优选地，所述步骤(4)中开展低温温度对模拟月壤水升华率影响的试验研究的方法具体包括以下步骤：
[0029](4A)先用纯水冰进行试验，启动压力控制系统使真空度达到最高值、低温热沉建立低温背景，调节电子天平热控系统，使热控小舱温度稳定在步骤(2)对应的同一温度，然后调节产品热控系统，使纯水冰温度降至初始低温；
[0030](4B)纯水冰温度稳定后，在初始低温至目标低温区间设置多个节点，调节产品热控系统，使纯水冰温度达一个节点后，保持一段时间，再转至下一个节点，记录温度与电子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法，其特征在于，在试验系统中设置有试样(1)试验实时重量数据的真空模拟装置，用于记录不同特性的试样(1)在各试验工况中的实时重量数据，同时，在模拟月表环境中，利用称重法测量计算含水月壤水升华损失率，并获取不同低温区、真空度、含水率和密实度因素对含水月壤水升华速率的影响，具体包括以下步骤：(1)制备试样(1)，包括纯水冰和多组不同含水率、不同密实度的含水模拟月壤，在每种试样(1)中预埋分别预埋温度传感器；(2)对真空模拟装置进行误差标定；(3)开展真空度对含水模拟月壤水升华损失率影响的试验研究；(4)开展低温温度对模拟月壤水升华率影响的试验研究。2.根据权利要求1所述的一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法，其特征在于，所述真空模拟装置包括：真空热模拟室(12)、低温热沉(11)、压力控制系统(21)、电子天平(6)、电子天平扩展载物装置(2)、电子天平热控系统、试样(1)热控系统。3.根据权利要求2所述的一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法，其特征在于，所述电子天平热控系统由热控小舱(4)、薄膜加热器(5)、防辐射罩(3)、温度传感器一(18)、程控电源一(17)、控温仪一(16)组成，所述试样(1)热控系统由红外加热笼(9)、温度传感器二(15)、程控电源二(14)、控温仪二(13)组成，所述电子天平扩展载物装置(2)由上连接法兰(24)、下连接法兰(27)、隔热圈(25)、隔热片(26)、连接螺栓(23)、托盘(22)组成。4.根据权利要求1所述的一种含水模拟月壤水升华损失率原位测量试验方法，其特征在于，所述步骤(2)中对真空模拟装置进行误差标定的方法具体包括以下步骤：(2A)用两块金属配重代替试样(1)，放置在真空热模拟室内的电子天平上，启动压力控制系统使真空度达到最高值，同时低温热沉建立低温背景，调节电子天平热控系统，使两个热控小舱温度均稳定在电子天平正常工作温度区域内某一固定温度，记录天平一段时间内的示数随时间变化情况，由此依据公式获得该温度下，两台电子天平示数波动率：式中，l为电子天平示数波动率，m
max
、m
min
分别为时间内，电子天平示数的最大值与最小值；(2B)当在正式试验中，测量计算得到的水升华率小于电子天平示数波动值时，该值不能作为试验结果使用。5.根据权利要求1所述的一种含水模拟月壤水升华损失率原位测...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏新明，周原，郭佳诚，杨晓宁，胡芳，庞博，王雪薇，周月阁，陈安然，张立海，赵峥，臧建伯，
申请(专利权)人：北京卫星环境工程研究所，
类型：发明
国别省市：