一種特種空間氣液循環鉆進方法和裝置與流程

本發明屬于月球表層鉆進技術領域，尤其涉及一種特種空間氣液循環鉆進方法和裝置。

背景技術：

近年來，航空航天工程飛速發展，人類對太空探索的步伐進一步加快，我國也加緊實施探月工程。目前，月球表層的分析工作還有待進一步完善。而阻礙月球表層分析工作的主要原因之一就是由于月球特殊的環境導致其表層土壤鉆進困難。月球環境的特殊性在于重力小，沒有大氣層。月球環境造成鉆進難題主要有3點：①低重力，鉆桿的鉆進過程比起在地球環境中更難控制；②溫差大，由于月球大氣層稀薄，月球晝夜溫差極大，這對鉆機的工作效率和使用壽命有嚴重影響；③導熱率低，月球上的空氣稀薄，熱量難以散去，導致鉆頭軟化難以繼續鉆進。特別是當月球上鉆入3米后，孔內阻力增大，鉆桿拔出困難，必須卸掉鉆機，用長柄杠桿的鉆桿取出器取出鉆桿。鉆桿鉆進深度小造成輔助鉆進量少，難以收集足夠的芯塊用于航天實驗研究。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種特種空間氣液循環鉆進方法和裝置。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：一種特種空間氣液循環鉆進方法，包括以下步驟：

S1：準備階段：將鉆桿與液氮加注桿連接，并確保密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境；并通過電源裝置給吸泵、壓縮機、冷卻器供電；

S2：鉆進階段：從液氮加注口向液氮加注桿中加入循環液氮后密封液氮加注口；電源裝置給動力裝置供電，動力裝置進而帶動鉆桿轉動鉆進；

S3：循環階段：液氮在重力作用下流入鉆頭并受熱汽化，進而從鉆頭上設置的霧化噴嘴噴出變成氮氣；液氮汽化可以吸熱，有利于降低鉆頭的溫度；氮氣從鉆桿與所鉆土壤孔壁之間的空間上升，并通過回收罩過濾然后通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理后變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注桿上設置的液氮循環入口進入液氮加注桿參與循環。

優選地，在S1步驟中，加入的液氮不宜過多，過多液體易造成鉆頭堵塞，鉆進速度減緩。

優選地，在S1-S3步驟中，由于氣體不能百分百回收利用，需要通過液氮加注口補充循環液氮，保證液氮正常循環。

優選地，在S3步驟中，隨著鉆進的深入，需要加接鉆桿；先停止鉆進，然后連接鉆桿；再重復進行步驟S1-S3。

一種特種空間氣液循環鉆進裝置，包括循環系統、鉆進系統和電源系統。所述循環系統包括導管，吸泵，壓縮機，冷卻器，單向閥，密封環，支架，密封塊，密封袋，液氮加注桿，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循環入口，回收罩，保溫層；所述鉆進系統包括動力裝置，鉆桿，鉆頭，霧化噴嘴；所述電源系統包括電源裝置，電線。

優選地，所述液氮加注桿與鉆桿相互連接；鉆桿的下端連接鉆頭；液氮加注腔與液氮加注桿之間設置有密封環，以保證液氮加注桿在轉動過程中不發生泄露；所述液氮加注腔內部是中空的；液氮加注腔通過導管與單向閥連接，所述單向閥使得液氮或氮氣只能從冷卻器向液氮加注腔流通；單向閥、冷卻器、壓縮機、吸泵依次通過導管相互連接；吸泵下端設置有回收罩；所述回收罩內設置有過濾網；以過濾掉氮氣中的粉塵，防止堵塞。

優選地，所述吸泵，壓縮機，冷卻器，單向閥和液氮加注腔設置有與之相適的支架，以起支撐作用；所述支架包含有3或4條可獨立伸縮的支腿，以使氣液循環輔助鉆進裝置可以適應多種地形；所述支架上同時設置有密封袋，在所述密封袋的下端設置有密封塊，密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境。

優選地，所述液氮加注桿內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層；同時液氮加注桿上端設置有液氮加注口；在液氮加注桿被液氮加注腔包裹的部分設置有液氮循環入口；液氮加注桿頂部設置有與之相適的動力裝置。

優選地，所述鉆頭上設置有霧化噴嘴；所述鉆桿內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層。

優選的，所述一種特種空間氣液循環鉆進裝置設置有與之相適的月球車，所述月球車包含伸縮臂，所述伸縮臂可對氣液循環鉆進裝置進行操作；伸縮臂上設置有電源裝置；所述電源裝置通過電線與吸泵，壓縮機，冷卻器，動力裝置連接并對其供電。

本發明有益效果是：本氣液循環鉆進方法和裝置從實用性出發，輔助鉆進方式巧妙：利用液氮汽化吸熱的原理輔助鉆進，以克服月球上鉆進時導熱率低，鉆頭易軟化的難題。同時液氮可循環利用，耗費低。

附圖說明

圖1是本發明的結構示意圖；

圖2是本發明的工作示意圖。

圖中：1-月球車，2-機械臂，3-電源裝置，4-電線，5-動力裝置，6-導管，7-吸泵，8-壓縮機，9-冷卻器，10-單向閥，11-密封環，12-支架，13-密封塊，14-密封袋，15-鉆桿，16-鉆頭，17-霧化噴嘴，18-液氮加注桿，19-液氮加注腔，20-液氮加注口，21-液氮循環入口，22-回收罩，23-保溫層。

具體實施方式

下面結合附圖1-2對本發明的技術方案做進一步說明。

一種特種空間氣液循環鉆進方法，其包括以下步驟：S1準備階段：將鉆桿與液氮加注桿連接，并確保密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境；并通過電源裝置給吸泵、壓縮機、冷卻器供電。S2鉆進階段：從液氮加注口向液氮加注桿中加入循環液氮后密封液氮加注口；電源裝置給動力裝置供電，動力裝置進而帶動鉆桿轉動鉆進。S3循環階段：液氮在重力作用下流入鉆頭并受熱汽化，進而從鉆頭上設置的霧化噴嘴噴出變成氮氣；液氮汽化可以吸熱，有利于降低鉆頭的溫度；氮氣從鉆桿與孔壁之間的空間上升，并通過回收罩過濾然后通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理后變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注桿上設置的液氮循環入口進入液氮加注桿參與循環。優選地，在S1步驟中，加入的液氮不宜過多，過多液體易造成鉆頭堵塞，鉆進速度減緩。在S1-S3步驟中，由于氣體不能百分百回收利用，需要通過液氮加注口補充循環液氮，保證液氮正常循環。在S3步驟中，隨著鉆進的深入，需要加接鉆桿；先停止鉆進，然后連接鉆桿；再重復進行步驟S1-S3。

一種特種空間氣液循環鉆進裝置，包括循環系統、鉆進系統和電源系統。循環系統包括導管，吸泵，壓縮機，冷卻器，單向閥，密封環，支架，密封塊，密封袋，液氮加注桿，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循環入口，回收罩，保溫層。鉆進系統包括動力裝置，鉆桿，鉆頭，霧化噴嘴。電源系統包括電源裝置，電線。液氮加注桿與鉆桿相互連接；鉆桿的下端連接鉆頭；液氮加注腔與液氮加注桿之間設置有密封環，以保證液氮加注桿在轉動過程中不發生泄露。液氮加注腔內部是中空的；液氮加注腔通過導管與單向閥連接，單向閥使得液氮或氮氣只能從冷卻器向液氮加注腔流通。單向閥、冷卻器、壓縮機、吸泵依次通過導管相互連接；吸泵下端設置有回收罩。回收罩內設置有過濾網；以過濾掉氮氣中的粉塵，防止堵塞。吸泵，壓縮機，冷卻器，單向閥和液氮加注腔設置有與之相適的支架，以起支撐作用。支架包含有3或4條可獨立伸縮的支腿，以使氣液循環鉆進裝置可以適應多種地形。支架上同時設置有密封袋，在密封袋的下端設置有密封塊，密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境。液氮加注桿內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層；同時液氮加注桿上端設置有液氮加注口；在液氮加注桿被液氮加注腔包裹的部分設置有液氮循環入口；液氮加注桿頂部設置有與之相適的動力裝置。鉆頭上設置有霧化噴嘴；所述鉆桿內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層。所述一種特種空間氣液循環鉆進裝置設置有與之相適的月球車，月球車包含伸縮臂，伸縮臂可對氣液循環鉆進裝置進行操作。伸縮臂上設置有電源裝置。所述電源裝置通過電線與吸泵，壓縮機，冷卻器，動力裝置連接并對其供電。

液氮的循環過程如下：首先從液氮加注口加入液氮，然后封閉液氮加注口；支架上設置的密封袋和密封塊以及支架與地面形成密封循環環境；液氮通過液氮加注桿與鉆桿的內部通孔流入鉆頭；由于鉆頭溫度較高液氮受熱汽化，進而從鉆頭上設置的霧化噴嘴噴出；液氮汽化可以吸熱，有利于降低鉆頭的溫度；氮氣從鉆桿與所鉆土壤孔壁之間的空間上升，并通過回收罩過濾然后通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理后變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注桿上設置的液氮循環入口進入液氮加注桿參與循環。

以上所述僅用來進一步說明本發明的技術內容，以便于讀者更容易理解，但不代表本發明的實施方式僅限于此，任何依本發明所做的技術延伸或再創造，均受本發明的保護。