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1、(10)申请公布号 CN 103344451 A (43)申请公布日 2013.10.09 CN 103344451 A *CN103344451A* (21)申请号 201310264139.2 (22)申请日 2013.06.27 G01N 1/04(2006.01) (71)申请人 同济大学 地址 200092 上海市杨浦区四平路 1239 号 (72)发明人 白云 郑彦龙 蔡国栋 (74)专利代理机构 上海智信专利代理有限公司 31002 代理人 吴林松 (54) 发明名称 一种月球土壤采集装置及模拟采集装置 (57) 摘要 一种月球土壤的采集装置， 包括气体调节与 测量模块， 月壤采。
2、集、 开挖与输送模块以及数据 采集与控制模块， 气体调节与测量模块分别与数 据采集与控制模块以及月壤采集、 开挖与输送模 块相连， 气体调节与测量模块接受数据采集与控 制模块的控制为月壤采集、 开挖与输送模块进行 配气， 月壤采集、 开挖与输送模块用于月壤的开挖 和运输以及收集。本发明利用压缩气体在高真空 环境中体积迅速膨胀带来的高效率实现月壤的采 集， 同时气体调节与测量模块与数据采集与控制 模块配合， 可以精确的测量和控制气体的压力、 流 量、 频率、 时长， 以根据挖掘需求为月壤采集、 开挖 与输送模块提供动力， 具有操作简单、 自动化程度 高、 可重复性好等优点。 (51)Int.Cl。
3、. 权利要求书 3 页 说明书 7 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103344451 A CN 103344451 A *CN103344451A* 1/3 页 2 1. 一种月球土壤的采集装置， 其特征在于 ： 包括气体调节与测量模块， 月壤采集、 开挖 与输送模块以及数据采集与控制模块， 所述气体调节与测量模块分别与所述数据采集与控 制模块以及所述月壤采集、 开挖与输送模块相连， 所述气体调节与测量模块接受所述数据 采集与控制模块的控制为所述月壤采集、 开挖与输送模块进行配气以提。
4、供动力， 所述月壤 采集、 开挖与输送模块用于月壤的开挖和运输以及收集。 2. 根据权利要求 1 所述的月球土壤的采集装置， 其特征在于 ： 所述数据采集与控制模 块包括计算机 （21） 、 可编程控制器 （23） 、 A/D 及 D/A 转换模块 （24） 以及控制开关 （25） ， A/D 及 D/A 转换模块 （24） 插至可编程控制器 （23） 上 ； 可编程控制器 （23） 经由数据线与计算机 （21） 连接 ； 控制开关 （25） 与可编程控制器 （23） 连接。 3. 根据权利要求 2 所述的月球土壤的采集装置， 其特征在于 ： 所述气体调节与测量模 块包括依次连接的气体钢瓶 （。
5、8） 、 双极调压阀 （9） 、 精密调压阀 （10） 、 气体质量流量计 （11） 、 节流阀 （12） 以及电磁脉冲阀 （13） ， 所述气体钢瓶 （8） 作为气源使用， 其内装有压缩气体， 所述双极调压阀 （9） 用于粗调气体钢瓶 （8） 提供的气体压力值 ； 所述精密调压阀 （10） 用于 微调经过双极调压阀 （9） 调制的气体压力值， 所述气体质量流量计 （11） 用来测量从精密调 压阀 （10） 出来的气体的压力值与气体质量流量， 并经由数据线将测量信息传输到计算机 （21） 处理 ； 所述节流阀 （12） 用来控制从气体质量流量计 （11） 出来的气体流量 ； 所述电磁脉 冲阀 。
6、（13） 通过电线及控制开关 （25） 与可编程控制器 （23） 连接， 所述插有 A/D 及 D/A 转换 模块 （24） 的可编程控制器 （23） 控制电磁脉冲阀 （13） 进行脉冲形式， 控制开关 （25） 控制电 磁脉冲阀 （13） 的开闭。 4. 根据权利要求 3 所述的月球土壤的采集装置， 其特征在于 ： 所述月壤采集、 开挖与输 送模块包括挖掘管 （14） 、 集土箱 （18） 、 连接所述挖掘管 （14） 与所述集土箱 （18） 的输土软管 （17） 以及进气通道， 所述进气通道一端经由软管与所述电磁脉冲阀 （13） 相连， 用以接受所 述气体调节与测量模块提供的气体， 另一端。
7、设于所述挖掘管 （14） 上以为所述月壤采集、 开 挖与输送模块进行配气， 所述输土软管 （17） 为土壤提供运动通道， 所述集土箱 （18） 用于收 集月壤。 5. 根据权利要求 3 所述的月球土壤的采集装置， 其特征在于 ： 所述气体调节与测量模 块中， 所述精密调压阀 （10） 、 气体质量流量计 （11） 、 节流阀 （12） 、 电磁脉冲阀 （13） 均设有气 体快速接头， 四者通过软管依次连接， 所述双极调压阀 （9） 通过螺丝拧在气体钢瓶 （8） 上， 精密调压阀 （10） 的另一端也通过螺丝连接在双极调压阀 （9） 上 ； 或， 优选的， 所述气体调节与测量模块中， 所述的气体。
8、质量流量计 （11） 的读数时间在 10ms 以内 ； 或， 优选的， 所述气体调节与测量模块中， 所述的电磁脉冲阀 （13） 具有 20ms 以内的响 应时间和 5 次 / 秒以上的动作频率。 6. 根据权利要求 4 所述的月球土壤采集装置， 其特征在于 ： 所述月壤采集、 开挖与输送 模块中， 所述进气通道包括配气环箍 （16） 以及若干进气管 （15） ， 所述配气环箍 （16） 粘附在 挖掘管 （14） 中间段的管壁外侧， 所述配气环箍 （16） 外侧对应所述连接电磁脉冲阀 （13） 的 软管开有一小孔， 所述配气环箍 （16） 内侧对应所述进气管 （15） 开有若干小孔， 所述进气管。
9、 （15） 沿挖掘管 （14） 内管壁布置， 进气管 （15） 底部高于挖掘管底部 3-5cm ； 或， 所述进气通道包括配气环箍 （16） 以及设于挖掘管 （14） 管壁下端的若干钻孔， 所述 权 利 要 求 书 CN 103344451 A 2 2/3 页 3 配气环箍 （16） 粘附在挖掘管 （14） 下端的管壁外侧， 所述配气环箍 （16） 外侧对应所述连接 电磁脉冲阀 （13） 的软管开有一小孔， 所述配气环箍 （16） 内侧对应所述钻孔开有若干小孔 ； 或， 优选的， 所述月壤采集、 开挖与输送模块中， 所述输土软管 （17） 的两端分别通过金 属卡箍套与挖掘管 （17） 和集土箱。
10、 （18） 相连 ； 或， 优选的， 所述月壤采集、 开挖与输送模块中， 所述挖掘管 （14） 直径为 2cm-20cm ； 或， 优选的， 所述月壤采集、 开挖与输送模块还包括过滤器 （19） 以及布袋除尘器 （20） 以用来分离月壤和气体， 所述过滤器 （19） 经由螺栓固定在所述集土箱 （18） 上， 所述布袋除 尘器 （20） 两端开口， 套住所述过滤器 （19） 设置。 7.一种使用权利要求1至6任一项所述的月球土壤采集装置进行月球土壤模拟采集装 置， 其特征在于 ： 包括真空模块以及真空计 （22） ， 所述真空模块模拟月球环境的真空状态， 所述月壤采集、 开挖与输送模块设于所述真。
11、空模块中用于月壤的开挖和运输以及收集， 所 述气体调节与测量模块分别与所述数据采集与控制模块以及所述月壤采集、 开挖与输送模 块相连， 气体调节与测量模块接受所述数据采集与控制模块的控制为所述月壤采集、 开挖 与输送模块进行配气， 所述真空计 （22） 设于所述真空模块上用于测量真空模块内的气体压 力， 真空计 （22） 通过数据线直接与 A/D 及 D/A 转换模块 （24） 相连。 8. 根据权利要求 7 所述的月球土壤的模拟采集装置， 其特征在于 ： 所述真空模块包括 真空箱 （1） 、 真空泵 （2） 、 连接所述真空箱 （1） 与真空泵 （2） 的波纹管 （4） 、 设于所述真空箱 。
12、（1） 中隔板 （6） 、 与所述隔板 （6） 固定连接用于调整隔板 （6） 高度的导杆 （5） 以及设于所述 真空箱 （1） 上的泄压阀 （7） ， 所述模拟月壤位于所述隔板 （6） 下方， 所述导杆 （5） 穿过真空 箱 （1） 的箱盖， 所述集土箱 （18） 以及挖掘管 （14） 固定于隔板 （6） 上， 经由导杆 （5） 控制集 土箱 （18） 和挖掘管 （14） 的上下移动， 所述真空泵 （2） 通过设置不同的抽气速度抽取真空箱 （1） 中的气体以模拟月球上的真空环境， 所述真空计 （22） 设于真空箱 （1） 上用于测量真空 箱 （1） 内的气体压力， 真空计 （22） 通过数据线。
13、直接与 A/D 及 D/A 转换模块 （24） 相连。 9. 根据权利要求 8 所述的月球土壤的模拟采集装置， 其特征在于 ： 所述真空模块中， 所 述波纹管 （4） 两端设有沟槽式卡箍， 所述波纹管 （4） 经由沟槽式卡箍分别与真空箱 （1） 和真 空泵 （2） 连接 ； 或， 优选的， 所述真空模块中， 所述隔板 （6） 中心设有圆孔， 所述导杆 （5） 尾端设有螺 纹， 所述导杆 （5） 插入所述圆孔中， 所述导杆 （5） 与所述隔板 （6） 经由螺母实现两者的固定 连接， 所述导杆 （5） 的上端也设有螺纹， 所述导杆 （5） 与所述真空箱 （1） 的箱盖螺栓连接， 使 得导杆 （5）。
14、 可上下运动， 从而带动隔板 （6） 以及挖掘管 （14） 上下移动 ； 或， 优选的， 所述真空模块中， 所述真空箱 （1） 的箱盖与所述箱体之间设有橡胶密封 圈 ； 或， 优选的， 所述真空模块中， 所述真空箱 （1） 的箱盖与所述导杆 （5） 相连接处设有橡 胶密封圈 ； 或， 优选的， 所述真空模块中， 所述集土箱 （18） 以及挖掘管 （14） 经由螺栓连接固定于 隔板 （6） 上 ； 或， 优选的， 所述的真空泵 （2） 为双极螺旋泵或者干泵与罗茨泵的组合， 以获得 1Pa 以 下的高真空度 ； 或， 优选的， 所述真空模块中， 所述真空箱 （1） 为透明有机玻璃制成 ； 权 利 。
15、要 求 书 CN 103344451 A 3 3/3 页 4 或， 优选的， 所述真空模块还包括精密过滤器 （3） ， 所述精密过滤器 （3） 与真空泵 （2） 经 由沟槽式卡箍连接， 用来过滤真空泵 （2） 抽气时带出来的月壤颗粒 ； 其中， 所述精密过滤器 进一步的是精度为 0.3m 以上的过滤器。 10.根据权利要求7所述的月球土壤的模拟采集装置， 其特征在于 ： 所述真空计 （22） 安 装在真空箱 （1） 箱盖预先留好的小孔上， 小孔和真空计 （22） 通过沟槽式卡箍连接 ； 或， 优选的， 所述真空计 （22） 的量程范围为 10-3Pa-105Pa。 权 利 要 求 书 CN 1。
16、03344451 A 4 1/7 页 5 一种月球土壤采集装置及模拟采集装置 技术领域 0001 本发明属于探月工程中的月壤采集、 开挖领域， 涉及一种气动采集、 开挖和输送月 球土壤采集装置和一种月壤模拟采集装置。 背景技术 0002 目前， 世界范围内正在进行着第二次探月热潮。 欧洲、 俄罗斯、 日本、 印度和中国等 国相继宣布了自己的登月计划。我国目前正处于 “嫦娥工程” 探月计划的第二阶段， 即 “绕 月阶段” ， 工作的重点仍集中在突破绕月探测关键技术、 月球软着陆及自动巡视勘察技术 等。未来的第三阶段主要完成月面钻探取样并返回地球的任务， 整个嫦娥工程计划于 2017 年前后完成。。
17、2009 年发布的 中国至 2050 年空间科技发展路线图 ， 明确了我国 2050 年之 前的空间探测任务， 即 2030 年左右实现载人登月， 2040 年左右建立短期有人值守的月球基 地。 0003 开展月球探测， 利用月球资源， 建设月球基地， 不可避免的要采集、 开挖和输送月 壤。 然而， 由于受月球复杂环境的制约， 如高真空、 强辐射、 剧烈昼夜温差、 潜在的陨石撞击、 月壤的高吸附性和摩擦性等， 采集、 开挖和输送工作将面临十分艰巨的挑战。月壤的采集、 开挖和输送问题已经成为我国未来月球探测活动迫切需要解决的瓶颈之一。 目前国内外提 出的开挖方法主要有常规重力式设备法、 钻探法和。
18、炸药爆破法三种。常规设备因运载火箭 能力所限， 一般尺寸小， 效率低， 且难以克服月壤强吸附性和高摩擦性的难题， 容易产生机 械故障。 而在月球早期开发阶段， 未充分利用月球资源合成炸药之前， 使用从地球运输的炸 药在技术和经济上都存在较大困难。钻探法虽能获得一定深度的月壤， 但是其效率十分有 限， 不能应用于大规模的采集、 开挖和输送。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种月球土壤采集装置以及月球土壤模拟采集装置， 月球 土壤采集装置利用了压缩气体在高真空环境中体积迅速膨胀带来的高效率， 可准确快速的 实现月壤的采集， 月球土壤模拟采集装置通过模拟月球上的高真空环境， 精确控制压缩气。
19、 体的压力、 流量、 频率和时长， 可用于设计及优化探月工程中的月壤采集及开挖设备。 0005 为达到上述目的， 本发明的解决方案是 ： 0006 本发明公开了一种月球土壤的采集装置， 包括气体调节与测量模块， 月壤采集、 开 挖与输送模块以及数据采集与控制模块， 所述气体调节与测量模块分别与所述数据采集与 控制模块以及所述月壤采集、 开挖与输送模块相连， 气体调节与测量模块接受所述数据采 集与控制模块的控制为所述月壤采集、 开挖与输送模块进行配气以提供动力， 所述月壤采 集、 开挖与输送模块用于月壤的开挖和运输以及收集。 0007 所述数据采集与控制模块包括计算机、 可编程控制器、 A/D 。
20、及 D/A 转换模块以及控 制开关， A/D 及 D/A 转换模块插至可编程控制器上 ； 可编程控制器经由数据线与计算机连 接 ； 控制开关与可编程控制器连接。 说 明 书 CN 103344451 A 5 2/7 页 6 0008 所述气体调节与测量模块包括依次连接的气体钢瓶、 双极调压阀、 精密调压阀、 气 体质量流量计、 节流阀以及电磁脉冲阀， 所述气体钢瓶作为气源使用， 其内装有压缩气体， 所述双极调压阀用于粗调气体钢瓶提供的气体压力值 ； 所述精密调压阀用于微调经过双极 调压阀调制的气体压力值， 所述气体质量流量计用来测量从精密调压阀出来的气体的压力 值与气体质量流量， 并经由数据线。
21、将测量信息传输到计算机处理 ； 所述节流阀用来控制从 气体质量流量计出来的气体流量 ； 所述电磁脉冲阀通过电线及控制开关与可编程控制器连 接， 所述插有A/D及D/A转换模块的可编程控制器控制电磁脉冲阀进行脉冲形式， 控制开关 控制电磁脉冲阀的开闭。 0009 所述月壤采集、 开挖与输送模块包括挖掘管、 集土箱、 连接所述挖掘管与所述集土 箱的输土软管以及进气通道， 所述进气通道一端经由软管与所述电磁脉冲阀相连以接受所 述气体调节与测量模块提供的气体， 另一端设于所述挖掘管上以为所述月壤采集、 开挖与 输送模块进行配气， 所述输土软管为土壤提供运动通道， 所述集土箱用于收集月壤。 0010 所。
22、述气体调节与测量模块中， 所述精密调压阀、 气体质量流量计、 节流阀、 电磁脉 冲阀均设有气体快速接头， 四者通过软管依次连接， 所述双极调压阀通过螺丝拧在气体钢 瓶上， 精密调压阀的另一端也通过螺丝连接在双极调压阀上。 0011 所述的气体质量流量计的读数时间在 10ms 以内。 0012 所述的电磁脉冲阀具有 20ms 以内的响应时间和 5 次 / 秒以上的动作频率。 0013 所述月壤采集、 开挖与输送模块中， 所述进气通道包括配气环箍以及若干进气管， 所述配气环箍粘附在挖掘管中间段的管壁外侧， 所述配气环箍外侧对应所述连接电磁脉冲 阀的软管开有一小孔， 所述配气环箍内侧对应所述进气管开。
23、有若干小孔， 所述进气管沿挖 掘管内管壁布置， 进气管底部高于挖掘管底部 3-5cm。 0014 或， 所述进气通道包括配气环箍以及设于挖掘管管壁下端的若干钻孔， 所述配气 环箍粘附在挖掘管下端的管壁外侧， 所述配气环箍外侧对应所述连接电磁脉冲阀的软管开 有一小孔， 所述配气环箍内侧对应所述钻孔开有若干小孔。 0015 所述月壤采集、 开挖与输送模块中， 所述输土软管的两端分别通过金属卡箍套与 挖掘管和集土箱相连。 0016 所述月壤采集、 开挖与输送模块中， 所述挖掘管直径为 2cm-20cm。 0017 所述月壤采集、 开挖与输送模块还包括过滤器以及布袋除尘器以用来分离月壤和 气体， 所述。
24、过滤器经由螺栓固定在所述集土箱上， 所述布袋除尘器两端开口， 套住所述过滤 器。 0018 本发明还公开了一种月球土壤模拟采集装置， 包括真空模块以及真空计， 所述真 空模块模拟真空状态， 所述月壤采集、 开挖与输送模块设于真空模块中用于月壤的开挖和 运输以及收集， 所述气体调节与测量模块分别与所述数据采集与控制模块以及所述月壤采 集、 开挖与输送模块相连， 气体调节与测量模块接受所述数据采集与控制模块的控制为所 述月壤采集、 开挖与输送模块进行配气， 所述真空计设于所述真空模块上用于测量真空模 块内的气体压力， 真空计通过数据线直接与 A/D 及 D/A 转换模块相连。 0019 所述真空模。
25、块包括真空箱、 真空泵、 连接所述真空箱与真空泵的波纹管、 设于所述 真空箱中隔板、 与所述隔板固定连接用于调整隔板高度的导杆以及设于所述真空箱上的泄 压阀， 所述模拟月壤位于所述隔板下方， 所述导杆穿过所述真空箱箱盖， 所述集土箱以及挖 说 明 书 CN 103344451 A 6 3/7 页 7 掘管固定于隔板上， 经由导杆控制集土箱和挖掘管的上下移动， 所述真空泵通过设置不同 的抽气速度抽取真空箱中的气体以模拟真空箱内的真空环境， 所述真空计设于真空箱上用 于测量真空箱内的气体压力， 真空计通过数据线直接与 A/D 及 D/A 转换模块相连。 0020 所述真空模块中， 所述波纹管两端设。
26、有沟槽式卡箍， 所述波纹管经由沟槽式卡箍 分别与真空箱和真空泵连接。 0021 所述真空模块中， 所述隔板中心设有圆孔， 所述导杆尾端设有螺纹， 所述导杆插入 所述圆孔中， 所述导杆与所述隔板经由螺母实现两者的固定连接， 所述导杆的上端也设有 螺纹， 所述导杆与所述真空箱的箱盖螺栓连接， 使得导杆可上下运动， 从而带动隔板以及挖 掘管上下移动。 0022 所述真空模块中， 所述的真空泵为双极螺旋泵或者干泵与罗茨泵的组合， 以获得 1Pa 以下的高真空度。 0023 所述真空模块中， 所述真空箱的箱盖与所述箱体之间设有橡胶密封圈。 0024 所述真空模块中， 所述真空箱的箱盖与所述导杆相连接处设。
27、有橡胶密封圈。 0025 所述真空模块中， 所述真空箱为透明有机玻璃制成。 0026 所述真空模块中， 所述集土箱以及挖掘管经由螺栓连接固定于隔板上。 0027 所述真空模块还包括精密过滤器， 所述精密过滤器与真空泵经由沟槽式卡箍连 接， 用来过滤真空泵抽气时带出来的月壤颗粒。 0028 优选的， 所述精密过滤器是精度为 0.3m 以上的过滤器。 0029 所述真空计安装在真空箱箱盖预先留好的小孔上， 小孔和真空计通过沟槽式卡箍 连接。 0030 优选的， 所述真空计的量程范围为 10-3Pa-105Pa。 0031 由于采用上述方案， 本发明的有益效果是 0032 本发明所示的月球土壤采集装。
28、置提供了一种区别于重力式设备、 爆破法、 钻探法 等常规方法的新型采集、 开挖和输送月壤的方法， 本发明利用压缩气体在高真空环境中体 积迅速膨胀带来的高效率实现月壤的采集， 同时气体调节与测量模块与数据采集与控制模 块的配合， 可以精确的测量和控制气体的压力、 流量、 频率和时长以根据挖掘需求为月壤采 集、 开挖与输送模块提供动力， 具有操作简单、 自动化程度高、 可重复性好等优点， 能直接应 用于探月工程中月壤的采集、 开挖和输送。 0033 本发明所示的月球土壤模拟采集装置， 通过真空模块获得低真空环境， 通过气体 调节与测量模块精确控制和采集进入真空箱的气体的压力、 流量、 质量、 频率。
29、及持续时间 ； 通过导杆控制采集、 开挖与输送装置插入模拟月壤的深度 ； 通过电子秤测得采集到的模拟 月壤的质量， 能准确量测月球土壤采集装置的效率， 可用于设计及优化探月工程中的月壤 采集及开挖设备。 附图说明 0034 图 1 为月球土壤模拟采集装置一实施例的结构示意图 ； 0035 图 2 为挖掘管一实施例的结构示意图 ； 0036 图中 ： 1 真空箱、 2 真空泵、 3 精密过滤器、 4 波纹管、 5 导杆、 6 隔板、 7 泄压阀、 8 气体 钢瓶、 9 双极调压阀、 10 精密调压阀、 11 气体质量流量计、 12 节流阀、 13 电磁脉冲阀、 14 挖掘 说 明 书 CN 10。
30、3344451 A 7 4/7 页 8 管、 15 进气管、 16 配气环箍、 17 输土软管、 18 集土箱、 19 过滤器、 20 布袋除尘器， 21 计算机、 22 真空计、 23 可编程控制器、 24A/D 及 D/A 转换模块、 25 控制开关。 具体实施方式 0037 以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。 0038 第一实施例中， 本发明公开了一种月球土壤的采集装置， 包括气体调节与测量模 块， 月壤采集、 开挖与输送模块以及数据采集与控制模块， 气体调节与测量模块分别与数据 采集与控制模块以及月壤采集、 开挖与输送模块相连， 气体调节与测量模块接受数据采集 与控制模块的。
31、控制为月壤采集、 开挖与输送模块进行配气， 月壤采集、 开挖与输送模块用于 月壤的开挖和运输以及收集。 0039 数据采集与控制模块负责采集气体调节与测量模块中气体质量流量计 11 数据以 及控制电磁脉冲阀 13 的开闭， 包括计算机 21、 可编程控制器 23、 A/D 及 D/A 转换模块 24 以 及控制开关 25， A/D 及 D/A 转换模块 24 插至可编程控制器 23 上 ； 可编程控制器 23 经由数 据线与计算机 21 连接 ； 控制开关 25 与可编程控制器 23 连接。插有 A/D 及 D/A 转换模块 24 的可编程控制器 23 可以控制电磁脉冲阀 13 进行脉冲形式、。
32、 控制开关 25 控制电磁冲阀 13 的开闭。 0040 气体调节与测量模块与月壤采集、 开挖与输送模块中的挖掘管 14 连接， 向挖掘管 14 底部提供经过调制后的压缩气体， 利用压缩气体在高真空环境中体积迅速膨胀的性能用 来开挖月壤。气体调节与测量模块具体负责为挖掘管 14 进行配气以及控制气体压力和质 量流量并且测出其压力、 质量流量值， 包括依次连接的气体钢瓶 8、 双极调压阀 9、 精密调压 阀 10、 气体质量流量计 11、 节流阀 12 以及电磁脉冲阀 13。 0041 本实施例中， 精密调压阀10、 气体质量流量计11、 节流阀12、 电磁脉冲阀13均设有 气体快速接头， 四者。
33、通过软管依次连接， 双极调压阀 9 通过螺丝拧在气体钢瓶 8 上， 精密调 压阀 10 的另一端也通过螺丝连接在双极调压阀 9 上。 0042 气体钢瓶 8 作为气源使用， 其内装有压缩气体， 双极调压阀 9 用于粗调气体钢瓶 8 提供的气体压力值 ； 精密调压阀 10 用于微调经过双极调压阀 9 调制的气体压力值， 气体质 量流量计 11 用来测量从精密调压阀 10 出来的气体的压力值与气体质量流量， 并经由数据 线将测量信息传输到计算机21处理 ； 节流阀12用来控制从气体质量流量计11出来的气体 流量 ； 电磁脉冲阀 13 通过电线及控制开关 25 与可编程控制器 23 连接， 插有 A。
34、/D 及 D/A 转 换模块 24 的可编程控制器 23 控制电磁脉冲阀 13 进行脉冲形式， 控制开关 25 控制电磁脉 冲阀 13 的开闭。 0043 其中， 气体质量流量计 11 的读数时间在 10ms 以内 ； 电磁脉冲阀 13 具有 20ms 以内 的响应时间和 5 次 / 秒以上的动作频率。考虑到气体从气体钢瓶 8 到挖掘管 14 的过程中 的气体的压力和流量变化很快， 因此气体质量流量计 11 的读数时间为 10ms， 即每 10ms 测 得一次数据， 这样读数时间越短， 测得数据越准确。电磁脉冲阀 13 的响应时间为 20ms， 即 打开电磁脉冲阀 13 的控制开关， 20ms。
35、 内电磁脉冲阀 13 可以开始工作， 而动作频率 5 次 /s, 则是考虑到在气体调节与测量模块的工作过程中需要使用不同的脉冲形式， 5 次 /s 的动作 频率可以为考虑多种脉冲形式做好基础。 0044 月壤采集、 开挖与输送模块负责月壤的开挖和运输以及收集， 包括挖掘管 14、 集 说 明 书 CN 103344451 A 8 5/7 页 9 土箱 18、 连接挖掘管 14 与集土箱 18 的输土软管 17 以及进气通道。挖掘管 14 直径为 2cm-20cm， 进气通道一端经由软管与电磁脉冲阀 13 相连， 接受气体调节与测量模块提供的 压缩气体， 进气通道另一端设于挖掘管 14 的底部以。
36、为月壤采集、 开挖与输送模块进行配 气， 输土软管 17 的两端分别通过金属卡箍套与挖掘管 17 和集土箱 18 相连， 输土软管 17 为 土壤提供运动通道， 集土箱 18 用于收集经过挖掘管 15 开挖的月壤。 0045 如图 2 所示， 进气通道用于连接月壤采集、 开挖与输送模块以及气体调节与测量 模块， 使得经过气体调节与测量模块调制的压缩气体能够有效的进入挖掘管 14 的底部， 从 而能够实现月壤的开挖与收集。本实施例中， 进气通道包括配气环箍 16 以及若干进气管 15， 配气环箍 16 粘附在挖掘管 14 中间段的管壁外侧， 配气环箍 16 外侧开有一小孔， 与电磁 脉冲阀 13。
37、 相连的软管经由该小孔与配气环箍 16 连接， 使得经气体调节与测量模块调制的 气体能够进入配气环箍 16 中， 配气环箍 16 内侧开有若干小孔直接与进气管 15 相连， 本实 施例中， 实际上内侧设有为 4 个小孔。进气管 15 （对应内侧 4 个小孔共设有 4 根进气管 15） 沿挖掘管14内管壁均匀布置， 进气管15底部高于挖掘管底部3-5cm， 因而当挖掘管14插入 月壤中时， 气体调节与测量模块提供的压缩气体能够匀速的通过进气通道进入月壤之中， 当气压气体进入到真空环境急速膨胀开挖月壤时， 一方面由于气体向上运动可带动月壤沿 输土软管 17 进入集土箱 18 中， 另一方面由于输土。
38、软管 17 与集土箱 18 中均处于真空状态， 由于气压差月壤也会被压入集土箱 18 中。 0046 此外， 进气通道还可包括配气环箍16以及设于挖掘管14管壁上的若干钻孔， 配气 环箍 16 粘附在挖掘管 14 中部的管壁外侧， 配气环箍 16 外侧开有一小孔， 与电磁脉冲阀 13 相连的 13 软管经由该小孔与配气环箍 16 连接， 使得经气体调节与测量模块调制的气体能 够进入配气环箍16中， 配气环箍16内侧对应钻孔开有若干小孔， 以实现进气通道的配气功 能。 0047 考虑到月壤通过输土软管 17 进入集土箱 18 时， 月壤中掺杂有气体， 因此月壤采 集、 开挖与输送模块还设有过滤器。
39、 19 以及布袋除尘器 20 以用来分离月壤和气体， 。过滤器 19 经由螺栓固定在集土箱 18 上， 布袋除尘器 20 两端开口， 套住过滤器 19。 0048 本发明提供了一种区别于重力式设备、 爆破法、 钻探法等常规方法的新型采集、 开 挖和输送月壤的方法， 系统利用压缩气体在高真空环境中体积迅速膨胀带来的高效率实现 月壤的采集， 同时气体调节与测量模块与数据采集与控制模块的配合， 可以精确的测量和 控制气体的压力、 流量、 频率和时长以根据挖掘需求为月壤采集、 开挖与输送模块提供动 力， 具有操作简单、 自动化程度高、 可重复性好等优点， 能直接应用于探月工程中月壤的采 集、 开挖和输。
40、送。 0049 第二实施例中， 如图 1 所示， 本发明公开了一种月球土壤模拟采集装置， 包括真空 模块、 真空计 22 以及第一实施例中所示的月球土壤采集装置， 月球土壤模拟采集装置模拟 了月球上高真空环境， 对月球土壤采集装置的工作过程与性能进行了测试， 能直接应用于 探月工程中月壤的采集、 开挖和输送， 或用于对月球土壤采集装置或其他月壤采集及开挖 设备的优化。 0050 其中， 真空模块用于模拟真空状态， 月壤采集、 开挖与输送模块设于真空模块中用 于月壤的开挖和运输以及收集， 气体调节与测量模块分别与数据采集与控制模块以及月壤 采集、 开挖与输送模块相连， 气体调节与测量模块接受数据。
41、采集与控制模块的控制为月壤 说 明 书 CN 103344451 A 9 6/7 页 10 采集、 开挖与输送模块进行配气。 0051 真空模块包括真空箱 1、 真空泵 2、 连接真空箱 1 与真空泵 2 的波纹管 4、 设于真空 箱 1 中隔板 6、 与隔板 6 固定连接用于调整隔板 6 高度的导杆 5 以及设于真空箱 1 上的泄压 阀 7。 0052 波纹管 4 两端设有沟槽式卡箍， 波纹管 4 经由沟槽式卡箍分别与真空箱 1 和真空 泵2连接。 真空泵2具有变频调速的功能， 通过设置不同的抽气速度抽取真空箱1中的气体 以模拟月球上的真空环境。本实施例中， 真空泵 2 既可为双极螺旋泵， 。
42、也可为干泵与罗茨泵 的组合， 以使得真空箱 1 中获得 1Pa 以下的高真空度。真空箱 1 为透明有机玻璃制成， 具有 很好的可视性和气密性， 形状为圆筒状或矩形， 且真空箱 1 的箱盖与箱体设有橡胶密封圈。 0053 真空箱 1 的箱盖预先留有小孔， 真空计 22 和小孔通过沟槽式卡箍连接， 以用于测 量真空箱 1 内的气体压力， 真空计 22 通过数据线直接与 A/D 及 D/A 转换模块 24 相连， 将真 空箱 1 中的压力值传送至数据采集与控制模块处理， 本实施例中， 真空计 22 的量程范围为 103Pa-105Pa。 0054 导杆 5 穿过真空箱 1 的箱盖后和隔板 6 连接，。
43、 且为防止漏气， 导杆 5 与真空箱 1 箱 盖的连接处设有橡胶密封圈。隔板 6 半径稍小于真空箱 1 的半径， 放置于真空箱 1 中， 隔板 6中心设有圆孔， 导杆5与隔板6相连接的尾端设有螺纹， 导杆5插入圆孔中， 导杆5与隔板 6 经由螺母实现两者的固定连接， 导杆 5 的上端也设有螺纹， 可在导杆 5 的上端螺纹处拧入 一个螺帽， 螺帽下面支撑在真空箱 1 的箱盖上面， 通过拧螺帽使得导杆 5 可上下运动。又隔 板 6 下方的空间设有月壤， 集土箱 18 以及挖掘管 14 通过螺栓固定于隔板 6 上， 从而在模拟 月壤采集实验中， 可通过导杆 5 实现集土箱 18 和挖掘管 14 的上。
44、下移动， 控制挖掘管 14 插 入月壤中的深度。 0055 另外， 真空模块还设有精密过滤器 3， 精密过滤器 3 与真空泵 2 经由沟槽式卡箍连 接， 用来过滤真空泵 2 抽气时带出来的月壤颗粒， 本实施例中， 精密过滤器是精度为 0.3m 以上的过滤器。 0056 以下结合月球土壤模拟采集装置的具体使用过程对其进行进一步说明。 0057 本实施例实现了上述月球土壤模拟采集装置的构建和调试， 采用工业氮气作为气 源， 真空箱 1 的尺寸为 250mm*1000mm*10mm， 挖掘管 14 的尺寸为 50mm*700mm*3mm， 挖掘 管 14 插入模拟月壤的深度为 500mm。实验步骤如。
45、下 ： 0058 a. 将清理干净的集土箱 18 称重， 其质量为 1687.7g， 然后将挖掘管 14， 输土软管 17、 集土箱 18 固定在隔板 6 上， 利用导杆 5 放入到透明的真空箱 1 中， 并将挖掘管 14 插入 指定深度， 盖上真空箱 1 的箱盖， 连接真空泵 2 和真空计 22 ； 0059 b. 打开可编程控制器， 将电磁脉冲阀 23 要执行的动作程序 （每秒开 0.5 秒关 0.5 秒） 写入 PLC， 利用双极调压阀 9、 精密调压阀 10 和节流阀 12 将压力和流量调至 0.2MPa 和 3.3L/min， 开始真空计 22 数据采集， 启动真空泵 2 进行抽气，。
46、 观察真空计 22 数据 ； 0060 c. 待气压达到 1Pa 以下时， 计算机 21 控制气体质量流量计 11 归零、 流量计 11 开 始记录数据并打开控制开关25， 经过调制的气体进入挖掘管14中， 此时土体由挖掘管14沿 输土软管 17 进入集土箱 18 中 ； 0061 d. 观察挖掘管 14 和集土箱 18 中颗粒运动状态 ； 待进入集土箱 18 中的模拟月壤 明显减少时， 关闭控制开关 25， 停止气体质量流量计 11 数据采集、 关闭真空泵 2、 打开真空 说 明 书 CN 103344451 A 10 7/7 页 11 箱 1 上的泄压阀 7， 然后进行测量。 0062 本。
47、次步骤中， 经测量集土箱的重量为 4956.0g， 则采集到的模拟月壤的质量为 3268.3g， 由气体质量流量计可知消耗氮气的质量是 6.05g， 计算可知本装置在该工况下的 工作效率为 540 ； 0063 e. 调整气体压力、 流量、 喷气方式， 入土深度， 循环上述 a-d 步骤直至实验结束， 根 据试验结果对相关技术参数进行分析， 以用于设计及优化探月工程中的月壤采集及开挖设 备。 0064 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发 明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改， 并把在此说明的 一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此， 本发明不限于这里的实施 例， 本领域技术人员根据本发明的揭示， 不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在 本发明的保护范围之内。 说 明 书 CN 103344451 A 11 1/1 页 12 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103344451 A 12 。