一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统

本发明属于月球永久阴影区低温环境模拟，特别是涉及一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统。

背景技术：

1、进入21世纪以来，人类通过远距离遥感探测手段已证明：在月球南北两极永久阴影区内蕴含冰态自然水，并以冰-壤粘聚体的物理形态赋存于月壤剖面内。在月球的超高真空条件下，为什么会有冰态自然水？科学机理认为源于如下三个条件：一是永久阴影区内的极端低温和无光照环境，具备了水物质的冷阱凝华条件；二是要有源于全球的稀薄水分子注入流；三是水分子和月壤颗粒之间发生了冷阱捕获、吸集沉积和冷端迁移等物理作用。

2、行星科学和遥感探测证据表明，月球南北两极永久阴影区内的最低温度可达10-30k左右，月面大气压为10-10pa量级，如此极端的低温和真空条件远超地球冻土和常规水物质科学的研究极限，在月球永久阴影区内的低温和真空耦合条件下，源于全球自由扩散而来的稀薄水分子和月壤颗粒之间，可能会发生复杂的冷阱捕获、吸集沉积、冷端迁移等物理作用，进而形成稳定存在的冰-壤粘聚物，因深空探测能力所限，人类尚未获得月壤水冰物质的实地采样详查证据，月球永久阴影区内冰-壤物质的成因和演化机制，以及环境-物质因素对冰壤粘聚物综合物性的影响因素尚不清晰。

3、面向月球永久阴影区内冰-壤物质的科学详查、资源开采与利用等重大需求，亟需解决月壤水冰物质模拟、月壤水冰综合物性测试与表征等基础性问题。现有技术中采用常压水冻冰、低温冰混壤、常压汽凝冰等三个方式，能基本满足月壤水冰力学苛刻度的包络性模拟与工程验证，但模拟物制备方法与工艺条件与月壤水冰真实形成和演化机制的科学机理符合度较低，导致月壤水冰模拟物的热学-电学-光学-脱附特性等物性指标与真实月壤水冰的理论预示值差距很大。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统,以解决现有的月球永久阴影区内冰-壤物质的模拟物制备方法与工艺条件与月壤水冰真实形成和演化机制的科学机理符合度较低，导致月壤水冰模拟物的热学-电学-光学-脱附特性等物性指标与真实月壤水冰的理论预示值差距很大的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，包括制冷机、冷阱、液氮储槽、真空罩、低温真空环境模拟器、样品台、柔性冷链以及样品单元，所述低温真空环境模拟器安装在真空罩内，所述液氮储槽的输出端与低温真空环境模拟器连接，所述样品台安装在低温真空环境模拟器底部，所述样品台上设有多个样品单元，所述真空罩上方安装有冷阱，所述冷阱输出端贯穿真空罩位于低温真空环境模拟器内，所述冷阱与多个样品单元均通过柔性冷链与制冷机连接。

4、更进一步的，所述液氮储槽与低温真空环境模拟器之间的管路上沿着液氮输送方向依次设有截止阀、液氮泵以及节流阀。

5、更进一步的，所述样品台的下方安装有绝热支撑。

6、更进一步的，所述低温真空环境模拟器外侧安装有复合变密度多层绝热部件。

7、更进一步的，所述复合变密度多层绝热部件包括变密度层和聚氨酯泡沫单元，所述低温真空环境模拟器外壁面上安装有聚氨酯泡沫单元，所述聚氨酯泡沫单元外侧安装有变密度层。

8、更进一步的，所述低温真空环境模拟器内壁面上涂有高发射率涂料。

9、更进一步的，所述真空罩与低温真空环境模拟器之间通过薄壁热桥连接件连接。

10、更进一步的，所述薄壁热桥连接件包括外薄壁管支撑、内薄壁管支撑以及室温连接件，所述外薄壁管支撑安装在真空罩外侧，所述内薄壁管支撑安装在低温真空环境模拟器外侧，所述内薄壁管支撑安装在外薄壁管支撑内，所述内薄壁管支撑与外薄壁管支撑之间安装有室温连接件。

11、更进一步的，所述制冷机的机头与蓄冷单元连接，与样品单元连接的每个柔性冷链的一端皆与蓄冷单元连接，每个柔性冷链与样品单元之间皆设有温控单元和热开关，所述样品单元通过连接基座与柔性冷链连接，所述样品单元外侧设有绝热保温层，所述绝热保温层内侧设有高比热蓄冷材料，所述高比热蓄冷材料的两端皆安装有加热器。

12、更进一步的，所述真空罩与低温真空环境模拟器之间设有防辐射屏。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

14、1、本发明采用机械制冷机代替传统的液氮冷却方式作为永久阴影区环境的低温冷源，能够降低仪器的运行成本。

15、2、本发明采用绝热技术和冷量传递方式结合能够顺利将腔体冷却至设定温度，进而满足腔体温度均匀性的要求。

16、3、本发明采用复合变密度多层绝热部件，减少了室温环境对低温真空环境模拟器的漏热量与热干扰。

17、4、本发明在真空罩与低温真空环境模拟器之间设有聚氨酯泡沫等对真空度不敏感的高效绝热材料，用以该系统被破坏等突发情况时的高效绝热，保证仪器的连续正常工作。

18、5、本发明的通过多个高热导性的柔性冷链将制冷剂的冷量分布式的传递给每个样品单元，进而保证该系统对样品单元温度的均匀性。

技术特征：

1.一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：包括制冷机(1)、冷阱(2)、液氮储槽(3)、真空罩(7)、低温真空环境模拟器(8)、样品台(10)、柔性冷链(19)以及样品单元(20)，所述低温真空环境模拟器(8)安装在真空罩(7)内，所述液氮储槽(3)的输出端与低温真空环境模拟器(8)连接，所述样品台(10)安装在低温真空环境模拟器(8)底部，所述样品台(10)上设有多个样品单元(20)，所述真空罩(7)上方安装有冷阱(2)，所述冷阱(2)输出端贯穿真空罩(7)位于低温真空环境模拟器(8)内，所述冷阱(2)与多个样品单元(20)均通过柔性冷链(19)与制冷机(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述液氮储槽(3)与低温真空环境模拟器(8)之间的管路上沿着液氮输送方向依次设有截止阀(4)、液氮泵(5)以及节流阀(6)。

3.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述样品台(10)的下方安装有绝热支撑(9)。

4.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述低温真空环境模拟器(8)外侧安装有复合变密度多层绝热部件(11)。

5.根据权利要求4所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述复合变密度多层绝热部件(11)包括变密度层(12)和聚氨酯泡沫单元(13)，所述低温真空环境模拟器(8)外壁面上安装有聚氨酯泡沫单元(13)，所述聚氨酯泡沫单元(13)外侧安装有变密度层(12)。

6.根据权利要求4所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述低温真空环境模拟器(8)内壁面上涂有高发射率涂料。

7.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述真空罩(7)与低温真空环境模拟器(8)之间通过薄壁热桥连接件连接。

8.根据权利要求7所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述薄壁热桥连接件包括外薄壁管支撑(14)、内薄壁管支撑(15)以及室温连接件(16)，所述外薄壁管支撑(14)安装在真空罩(7)外侧，所述内薄壁管支撑(15)安装在低温真空环境模拟器(8)外侧，所述内薄壁管支撑(15)安装在外薄壁管支撑(14)内，所述内薄壁管支撑(15)与外薄壁管支撑(14)之间安装有室温连接件(16)。

9.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述制冷机(1)的机头与蓄冷单元(17)连接，与样品单元(20)连接的每个柔性冷链(19)的一端皆与蓄冷单元(17)连接，每个柔性冷链(19)与样品单元(20)之间皆设有温控单元(18)和热开关(26)，所述样品单元(20)通过连接基座(21)与柔性冷链(19)连接，所述样品单元(20)外侧设有绝热保温层(23)，所述绝热保温层(23)内侧设有高比热蓄冷材料(24)，所述高比热蓄冷材料(24)的两端皆安装有加热器(22)。

10.根据权利要求1所述的一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，其特征在于：所述真空罩(7)与低温真空环境模拟器(8)之间设有防辐射屏(25)。

技术总结
本发明提出了一种月球永久阴影区分布式柔性冷链低温系统，属于月球永久阴影区低温环境模拟技术领域。解决了现有的技术中月壤水冰模拟物的热学‑电学‑光学‑脱附特性等物性指标与真实月壤水冰的理论预示值差距很大的问题。它包括制冷机、冷阱、液氮储槽、真空罩、低温真空环境模拟器、样品台、柔性冷链以及样品单元，低温真空环境模拟器安装在真空罩内，液氮储槽的输出端与低温真空环境模拟器连接，样品台安装在低温真空环境模拟器底部，样品台上设有多个样品单元，冷阱输出端贯穿真空罩位于低温真空环境模拟器内，冷阱与多个样品单元均通过柔性冷链与制冷机连接。它主要用于模拟月球永久阴影区环境下冰壤物质开采。

技术研发人员：李丽芳,姜生元,王双雨,田野,张伟伟,唐钧跃,高定坤,陈赟,张彦龙,南冰倩,邓宗全
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20