白 云，蔡國(guó)棟，鄭彥龍

（1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

我國(guó)目前處于“嫦娥工程”探月計(jì)劃的第二個(gè)階段，預(yù)計(jì)在2040年左右建立短期有人值守的月球基地.探測(cè)并開發(fā)月球資源，建立一個(gè)永久的月球基地都不可避免地需要采集、開挖以及運(yùn)輸月壤.而在月球表面進(jìn)行開挖是十分困難的.白云等［1］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外月壤開挖技術(shù)以及未來(lái)在月球開挖時(shí)將會(huì)遇到的一些惡劣的施工環(huán)境，比如高真空 （白天和夜晚的氣壓分別為10-7Pa和10-10Pa）、低重力（僅1/6地球重力的低重力環(huán)境）、月表土壤顆粒的高磨損性、劇烈的晝夜溫差變化、強(qiáng)輻射、潛在流星體的撞擊等.

Schaefer等［2］于1994年首次提出了在火星上利用壓縮氣體采集土樣，并分析了氣體壓力、氣體脈沖形式對(duì)采集效果的影響.Zacny等［3-5］2005年之后提出了將壓縮氣體用于高真空環(huán)境下取樣、開挖月壤，該方法巧妙利用了月球的高真空環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)了開挖的目的.其原理表述為壓縮氣體進(jìn)入真空環(huán)境時(shí)快速膨脹，壓縮氣體間的分子勢(shì)能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子動(dòng)能，當(dāng)氣體分子運(yùn)動(dòng)到挖掘管內(nèi)部時(shí)，氣體分子通過(guò)與月壤顆粒的能量交換，氣體分子的部分動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)樵氯李w粒的動(dòng)能，促使固態(tài)相的顆粒流態(tài)化，從而實(shí)現(xiàn)月壤的開挖.其基本原理見圖1.

圖1 氣動(dòng)開挖原理示意圖Fig.1 The theory of pneumatic excavation

Zacny等［6］利 用 NASA（National Aeronautics and Space Administration）的試驗(yàn)飛機(jī)在模擬月球環(huán)境（g/6）和地球環(huán)境（g）以及完全失重環(huán)境中對(duì)模擬月壤JSC-1A進(jìn)行了多組氣動(dòng)挖掘試驗(yàn).在特定的試驗(yàn)環(huán)境下，挖掘效率最大達(dá)到了1∶5 500，即1g土體能夠挖掘5 500g的月壤，這說(shuō)明氣動(dòng)挖掘能力是十分巨大的.

脈沖式噴氣方式、壓縮氣體的氣壓值、進(jìn)氣管的進(jìn)氣速率、挖掘管插入月壤的深度等因素會(huì)影響壓縮氣體的開挖效率，為了使氣體質(zhì)量效率最優(yōu)，即單位質(zhì)量的氣體所能挖掘到的月壤土體質(zhì)量最大，必須事先在地球環(huán)境下科學(xué)地進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，分析眾多影響因素.為此，作者自主研發(fā)了一套用于模擬在月球環(huán)境下測(cè)試氣體質(zhì)量效率的試驗(yàn)系統(tǒng)，用于分析挖掘管深度、壓縮氣體的氣壓值以及噴氣方式對(duì)最終氣體質(zhì)量效率的影響.本文將重點(diǎn)介紹利用該系統(tǒng)所得的相關(guān)試驗(yàn)結(jié)論.試驗(yàn)對(duì)象為JSC-1A模擬月壤.

圖2 氣動(dòng)開挖和輸送模擬月壤的試驗(yàn)裝置Fig.2 The test device of pneumatic excavation and conveying of lunar regolith simulant

1 JSC-1A模擬月壤參數(shù)

JSC-1A是由一種富含玻璃的玄武巖質(zhì)火山灰經(jīng)簡(jiǎn)單加工研制而成.主要結(jié)晶礦物相是長(zhǎng)石、輝石和橄欖石，副礦物包括欽鐵礦、鉻鐵礦和痕量黏土，玄武質(zhì)玻璃體積分?jǐn)?shù)大約為50%.其化學(xué)成分、礦物組成、粒度分布和力學(xué)性質(zhì)（壓縮系數(shù)、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ等）與阿波羅14號(hào)登月點(diǎn)的低鈦月海月壤相似，特別是與月球樣品14163的化學(xué)成分非常近似［7］.故本文中采用JSC-1A 模擬月壤.文獻(xiàn)［8-9］詳細(xì)介紹了JSC-1A系列模擬月壤的工程性質(zhì).JSC-1A型模擬月壤的物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 JSC-1A物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)［9］Tab.2 Mechanical properties of JSC-1A［9］

2 模擬月壤氣動(dòng)開挖試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

整套試驗(yàn)裝置由以下五大系統(tǒng)組成：供氣系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空制造系統(tǒng)、開挖與輸送系統(tǒng).供氣系統(tǒng)主要由壓縮氮?dú)怃撈拷M成；氣體調(diào)節(jié)與測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制與測(cè)量挖掘所需氣體的氣壓值、質(zhì)量流量，以及測(cè)量真空箱體內(nèi)部的氣壓值；控制系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)控制壓縮氣體的脈沖噴氣形式、試驗(yàn)的開始和結(jié)束；真空制造系統(tǒng)即一個(gè)真空泵和有機(jī)玻璃的箱體，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為模擬月壤開挖提供一個(gè)低壓的環(huán)境；開挖與輸送系統(tǒng)主要是由挖掘管、集土箱、以及連接挖掘管和集土箱的輸土軟管組成.試驗(yàn)裝置具體形式見圖2.

試驗(yàn)系統(tǒng)由氣體鋼瓶提供壓縮氮?dú)猓?jīng)由軟管進(jìn)入真空箱內(nèi)，然后由配氣環(huán)箍將壓縮氣體分配到挖掘管壁的四根進(jìn)氣管，由于挖掘管已經(jīng)插入到模擬月壤之中，當(dāng)壓縮氣體在內(nèi)外壓差之下高速運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)處于挖掘管內(nèi)的模擬月壤，經(jīng)過(guò)輸土軟管到達(dá)集土箱，在氣土分離之后，氣體經(jīng)過(guò)濾器排出，土體便收集在集土箱內(nèi).

3 試驗(yàn)結(jié)論

3.1 試驗(yàn)指標(biāo)與試驗(yàn)工況

在氣動(dòng)開挖和輸送模擬月壤的過(guò)程中，影響模擬月壤顆粒流態(tài)化和運(yùn)移特性的因素很多，其中包括進(jìn)氣速度、進(jìn)氣壓力、出口氣壓、管道長(zhǎng)度、管道直徑、管道插入深度、顆粒粒徑、顆粒密度和重力加速度等.本試驗(yàn)中，管道長(zhǎng)度、管道直徑和材料物性均為定值，考慮到具備的條件，本試驗(yàn)將進(jìn)氣壓力、管道插入深度和噴氣方式作為試驗(yàn)因素，重點(diǎn)考察三者對(duì)氣動(dòng)開挖和輸送模擬月壤的氣體質(zhì)量效率的影響.

因?yàn)樵虑蛏峡諝夥浅Ｏ”?，作為?dòng)力的壓縮氣體將是十分稀缺的資源.早期月球探測(cè)活動(dòng)中的壓縮氣體只能是從地球上運(yùn)輸，因此如何利用最少的壓縮氣體挖掘到最多質(zhì)量的月壤有非常高的經(jīng)濟(jì)效益.氣體質(zhì)量效率作為本試驗(yàn)中的主要試驗(yàn)指標(biāo)，定義如下：

式中：m1和m2分別為開挖到的（模擬）月壤質(zhì)量和消耗的壓縮氣體質(zhì)量.

正交試驗(yàn)選取如下試驗(yàn)工況：氣體壓力分別為100，170，200，230，300kPa，由于壓力控制不能很精確，實(shí)際壓力值以測(cè)到的為準(zhǔn)；管道插入深度分別為5，10，15，20，25，30，35，40，45，50cm；噴氣方式為連續(xù)、開3s關(guān)1s、開1s關(guān)1s、開0.8s關(guān)0.2s、開0.2s關(guān)0.3s、開0.5s關(guān)0.5s、開0.2s關(guān)0.8s.

圖3展示了噴氣方式為開0.5s、關(guān)0.5s時(shí)，瞬時(shí)流量隨時(shí)間的變化.

圖3 每秒開0.5s、關(guān)0.5s時(shí)脈沖式噴氣效果圖Fig.3 The picture of 0.5son and 0.5s off per second pulse injection

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

一組試驗(yàn)過(guò)程中真空箱內(nèi)氣壓隨時(shí)間的典型變化見圖4a.抽氣過(guò)程為AB段、CD段和EG段.從圖中可以看出，開始抽氣后氣壓迅速降低，至100s之后氣壓下降速度逐漸減慢.因?yàn)殚_始抽氣時(shí)真空箱底部和挖掘管內(nèi)部的JSC-1A型模擬月壤內(nèi)部含有一定量的氣體，如果抽氣過(guò)程中不采取任何措施，模擬月壤會(huì)產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響真空箱內(nèi)的可視性，并可能威脅真空泵的正常運(yùn)轉(zhuǎn).因此如圖中BC段和DE段所示，試驗(yàn)過(guò)程中除了調(diào)整真空泵抽速外，還應(yīng)短暫關(guān)閉真空泵.這樣做的主要目的是允許JSC-1A型模擬月壤內(nèi)的氣體有足夠的時(shí)間逃逸到上部空間內(nèi)，從而抑制“沸騰”現(xiàn)象的發(fā)生.

進(jìn)氣階段為圖中FG段.如圖4b所示，開始進(jìn)氣后，氣壓明顯增大，但仍處于較低的水平.

HI段為試驗(yàn)結(jié)束后，打開泄壓球閥后真空箱內(nèi)的氣壓變化.

圖4 試驗(yàn)過(guò)程中真空箱內(nèi)氣壓變化Fig.4 The pressure variation in the process of experiment

3.2.1 氣體質(zhì)量效率隨氣體質(zhì)量消耗的關(guān)系

本試驗(yàn)過(guò)程中，最關(guān)鍵的兩個(gè)參數(shù)是開挖到的模擬月壤質(zhì)量和消耗的壓縮氣體質(zhì)量.后者的準(zhǔn)確測(cè)量和用量控制對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響巨大.以壓力為290 kPa，電磁脈沖閥常開的工況為例，氣體消耗5.69g時(shí)開挖907.5g模擬月壤.試驗(yàn)中做了消耗氣體質(zhì)量25%，50%，75%，100%的試驗(yàn)，得到了在0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%這四個(gè)階段壓縮氣體分別開挖掉了挖掘管內(nèi)所有模擬月壤的67%，13%，11%和1%.這四個(gè)階段的氣體質(zhì)量效率分別為405，97，75和10.如圖5所示，氣體的質(zhì)量效率隨著試驗(yàn)的進(jìn)行迅速下降.下文所得到的氣體質(zhì)量效率都是基于完成整個(gè)開挖過(guò)程即消耗掉100%的氣體.壓縮氣體剛好不能繼續(xù)挖掘到更多模擬月壤的那個(gè)時(shí)刻作為試驗(yàn)終止時(shí)刻.

圖5 氣體質(zhì)量效率、開挖完成率與氣體質(zhì)量消耗關(guān)系圖Fig.5 The relationship between mass efficiency and completion rates with quality of high pressure gas

3.2.2 氣體質(zhì)量效率與噴氣方式的關(guān)系

已有的不少研究成果證明，脈沖式噴氣方式對(duì)氣力輸送效率有一定的提升.圖6為插入深度分別為5cm和10cm時(shí)，氣壓p為170，230和290kPa時(shí)，在不同的噴氣方式下得到的氣體質(zhì)量效率.

據(jù)文獻(xiàn)［2］可得出氣體質(zhì)量效率在本試驗(yàn)脈沖式噴氣開0.5s、關(guān)0.5s最大的推論，本試驗(yàn)做了三組插入深度為30cm，氣體壓力為100，200和300 kPa，采用脈沖式噴氣（開0.5s、關(guān)0.5s）時(shí)的氣動(dòng)開挖試驗(yàn).如圖7所示，脈沖式噴氣對(duì)氣動(dòng)開挖氣體質(zhì)量效率有一定改善，能提高1.5%～17%.

從圖6和圖7可以看出，在相同的氣壓與脈沖方式下，插入深度為10cm時(shí)氣體質(zhì)量效率明顯高于插入深度為5cm時(shí)氣體質(zhì)量效率.在所嘗試的所有噴氣方式中，每個(gè)循環(huán)中電磁脈沖閥開0.5s、關(guān)0.5s的效果最佳，能普遍提升氣體質(zhì)量效率.

3.2.3 氣體質(zhì)量效率與插入深度的關(guān)系

圖6 氣壓為170，230，290kPa時(shí)不同噴氣方式下的氣體質(zhì)量效率Fig.6 The mass efficiency with different pulse injection when the gas pressure is 170，230，290kPa

因?yàn)檎駬v后的模擬月壤密實(shí)度較高，加上模擬月壤的內(nèi)摩擦角很大，故直接將挖掘管插入模擬月壤時(shí)阻力較高，難度較大，如不采取其他如沖擊等措施，依靠人工只能將挖掘管插入12cm左右.故本試驗(yàn)采用了兩種形式：挖掘管直接插入模擬月壤中，將模擬月壤灌入挖掘管（工況中挖掘管埋入深度大于10cm均為第二種試驗(yàn)手段），如圖8所示.方法不同導(dǎo)致氣體質(zhì)量效率也略有不同，后者的氣體質(zhì)量效率有所降低.具體原因可能是制造真空的過(guò)程中，進(jìn)氣管內(nèi)的氣體被抽出時(shí)沿挖掘管形成了氣體通道.試驗(yàn)過(guò)程中，沿進(jìn)氣管進(jìn)入的壓縮氣體可能沿此通道直接進(jìn)入模擬月壤上部真空環(huán)境，產(chǎn)生了流化時(shí)的所謂“溝流現(xiàn)象”.大量氣體短路，沒(méi)有起到液化模擬月壤的效果.這一點(diǎn)在試驗(yàn)中被觀測(cè)證實(shí).

（1）挖掘管插入模擬月壤內(nèi)

本節(jié)將介紹挖掘管插入深度分別為5cm和10 cm時(shí)氣體的開挖和輸送效率.由圖9可知，插入深度為10cm時(shí)的氣體質(zhì)量效率較5cm時(shí)的質(zhì)量效率有明顯提高.

圖7 插入深度為30cm時(shí)脈沖噴氣對(duì)質(zhì)量效率的影響Fig.7 The affection of pulse injection way to mass efficiency when the burial depth is 30cm

圖8 兩種試驗(yàn)方式示意圖Fig.8 The diagram of two type tests

（2）模擬月壤注入挖掘管內(nèi)

為了模擬插入深度更大的情況，本試驗(yàn)將真空箱底部的模擬月壤清出，并將挖掘管底部封堵，模擬月壤直接從挖掘管頂部注入，其密度被振搗至1.5g·cm-3左右.

圖10顯示了挖掘管插入深度為5～50cm時(shí)，不同氣壓下開挖和輸送JSC-1A型模擬月壤的氣體質(zhì)量效率.可以看出，隨著插入深度的增加，氣體的質(zhì)量效率呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢(shì).圖11對(duì)圖10中的三條曲線進(jìn)行線性擬合，擬合曲線自變量（挖掘管插入深度）的取值范圍為5～50cm.由圖可知相關(guān)系數(shù)R2均在0.92以上，說(shuō)明插入深度與氣體質(zhì)量效率高度線性相關(guān).

3.2.4 氣體質(zhì)量效率與氣體壓力的關(guān)系

（1）挖掘管插入模擬月壤內(nèi)

氣動(dòng)開挖和輸送模擬月壤的氣體質(zhì)量效率跟氣體的狀態(tài)（速度、壓力、流量等）密切相關(guān).圖12顯示了采用多種噴氣方式、相對(duì)流量為5L·min-1左右時(shí)，三種不同壓力下的氣體質(zhì)量效率.試驗(yàn)的土樣制備采用第一種方法.由兩圖可知，當(dāng)挖掘管插入深度為5cm和10cm，壓力調(diào)節(jié)范圍為170kPa～290 kPa時(shí)，氣體質(zhì)量效率隨著壓力的增加而增加.

圖9 氣壓為170，230，290kPa時(shí)挖掘管插入深度對(duì)氣體質(zhì)量效率的影響Fig.9 The mass efficiency with different burial depth when the gas pressure is 170，230，290kPa

圖10 不同氣壓下氣體質(zhì)量效率與挖掘管插入深度的關(guān)系Fig.10 The relationship between mass efficiency with burial depth

（2）模擬月壤注入挖掘管內(nèi)

圖13顯示了挖掘管插入深度為5～50cm，相對(duì)流量為3L·min-1左右時(shí)，三種不同壓力下的氣體質(zhì)量效率.試驗(yàn)的土樣制備采用第二種方法.由該圖可知，當(dāng)挖掘管插入深度為5cm和50cm，壓力調(diào)節(jié)范圍為100～300kPa時(shí)，氣體質(zhì)量效率隨著壓力的增加先增加后降低，氣體的壓力在200kPa時(shí)的氣體質(zhì)量效率較高.

圖11 氣壓為100，200，300kPa時(shí)氣體質(zhì)量效率與挖掘管插入深度關(guān)系的擬合曲線Fig.11 The fitted curves of relationship between mass efficiency with burial depth when the gas pressure is 100，200，300kPa

分析其原因，壓縮氣體經(jīng)由進(jìn)氣管進(jìn)入挖掘管內(nèi)部，由于氣體壓力較大時(shí)，氣體在進(jìn)入處于真空環(huán)境的挖掘管內(nèi)的氣體流速比較大，一旦氣體流速過(guò)大之后，氣體直接將沖破土層進(jìn)入到挖掘管內(nèi)，而沒(méi)能有效地帶動(dòng)挖掘管內(nèi)的土壤.

3.3 顆粒運(yùn)移機(jī)理

圖12 插入深度為5，10cm時(shí)氣壓對(duì)氣體質(zhì)量效率的影響Fig.12 The affection of gas pressure to mass pressure when the burial depth is 5and 10cm

圖13 插入深度為5～50cm時(shí)氣壓對(duì)氣體質(zhì)量效率的影響Fig.13 The affection of gas pressure to mass pressure when the burial depth changes from 5cm to 50 cm

挖掘管插入深度不同時(shí)，模擬月壤顆粒的運(yùn)移特性也截然不同.當(dāng)插入深度較小時(shí)（如5cm或10 cm），挖掘管內(nèi)部的模擬月壤迅速被流化，模擬月壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度很高.本試驗(yàn)中，挖掘管和排土軟管的長(zhǎng)度約為1.2m，模擬月壤顆粒最快在0.2s內(nèi)進(jìn)入集土箱，若將此過(guò)程視為勻加速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)方程可知，顆粒的平均運(yùn)動(dòng)速率為6m·s-1，顆粒的加速度約為48m·s-2.模擬月壤顆粒的運(yùn)動(dòng)速度主要來(lái)自壓縮氣體在真空中的快速膨脹帶來(lái)的“爆炸”效果.此過(guò)程雖為密相氣力輸送，但已具備稀相氣力輸送的特點(diǎn).高速氣體沿輸土軟管迅速自集土箱上的過(guò)濾器逃逸到真空箱內(nèi)，因此氣體的能量消耗較大，氣體質(zhì)量效率處于較低的水平.

當(dāng)挖掘管插入深度較大時(shí)（30～50cm），模擬月壤流態(tài)化的現(xiàn)象不明顯.模擬月壤將在上下界面壓差的作用下被整層托起，呈現(xiàn)出柱塞式密相輸送的狀態(tài).此時(shí)，氣體和模擬月壤顆粒的速度較低，固氣比很高，氣體的能量大部分被轉(zhuǎn)化為模擬月壤顆粒的動(dòng)能，因此氣體的能耗小，氣體質(zhì)量效率明顯提高.圖14為顆粒柱塞式密相輸送示意圖.

圖14 顆粒密相輸送示意圖Fig.14 Particles dense-phase transporting system

當(dāng)挖掘管插入深度介于中間值時(shí)，模擬月壤顆粒的流態(tài)化處于中相氣力輸送的狀態(tài)，氣體和模擬月壤顆粒的速度處于中間值.相應(yīng)地，氣體質(zhì)量效率也處于中間水平.

綜上所述，如果輸送距離較短，應(yīng)盡量增大挖掘管的插入深度以提高氣體質(zhì)量效率，減少氣體質(zhì)量消耗.當(dāng)輸送距離較大時(shí)，可適當(dāng)減少挖掘管插入深度以獲得較高的輸送速度.

4 結(jié)論

（1）脈沖噴氣方式為開0.5s、關(guān)0.5s時(shí)在其他試驗(yàn)指標(biāo)相同（壓縮氣體氣壓值相同、挖掘管插入深度相同）時(shí)各脈沖噴氣方式中氣體質(zhì)量效率往往最大.

（2）氣體質(zhì)量效率與挖掘管的埋入深度成高度的線性相關(guān).

（3）氣體質(zhì)量效率有隨氣體氣壓值呈現(xiàn)先增加然后降低的趨勢(shì).在壓縮氣體氣壓值較高的情況下，由于氣體進(jìn)入挖掘管內(nèi)速度較大，直接沖破土層，沒(méi)有將月壤有效地流化，因此氣體質(zhì)量效率有降低的趨勢(shì).

（4）挖掘管在插入深度較大時(shí)，呈現(xiàn)柱塞式的密相輸送現(xiàn)象，此時(shí)輸送效率較高.如果挖掘管插入深度較小，則為稀相輸送狀態(tài)，氣體沿月壤之間縫隙“逃逸”較多，此時(shí)輸送效率較小.

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