一種特種空間氣液循環鑽進方法和裝置與流程
2023-05-14 18:03:41 1
本發明屬於月球表層鑽進技術領域，尤其涉及一種特種空間氣液循環鑽進方法和裝置。
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於月球特殊的環境導致其表層土壤鑽進困難。月球環境的特殊性在於重力小，沒有大氣層。月球環境造成鑽進難題主要有3點：①低重力，鑽杆的鑽進過程比起在地球環境中更難控制；②溫差大，由於月球大氣層稀薄，月球晝夜溫差極大，這對鑽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，導致鑽頭軟化難以繼續鑽進。特別是當月球上鑽入3米後，孔內阻力增大，鑽杆拔出困難，必須卸掉鑽機，用長柄槓桿的鑽杆取出器取出鑽杆。鑽杆鑽進深度小造成輔助鑽進量少，難以收集足夠的芯塊用於航天實驗研究。
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鑽進方法和裝置。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：一種特種空間氣液循環鑽進方法，包括以下步驟：
S1：準備階段：將鑽杆與液氮加注杆連接，並確保密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境；並通過電源裝置給吸泵、壓縮機、冷卻器供電；
S2：鑽進階段：從液氮加注口向液氮加注杆中加入循環液氮後密封液氮加注口；電源裝置給動力裝置供電，動力裝置進而帶動鑽杆轉動鑽進；
S3：循環階段：液氮在重力作用下流入鑽頭並受熱汽化，進而從鑽頭上設置的霧化噴嘴噴出變成氮氣；液氮汽化可以吸熱，有利於降低鑽頭的溫度；氮氣從鑽杆與所鑽土壤孔壁之間的空間上升，並通過回收罩過濾然後通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理後變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注杆上設置的液氮循環入口進入液氮加注杆參與循環。
優選地，在S1步驟中，加入的液氮不宜過多，過多液體易造成鑽頭堵塞，鑽進速度減緩。
優選地，在S1-S3步驟中，由於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，隨著鑽進的深入，需要加接鑽杆；先停止鑽進，然後連接鑽杆；再重複進行步驟S1-S3。
一種特種空間氣液循環鑽進裝置，包括循環系統、鑽進系統和電源系統。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，液氮加注杆，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循環入口，回收罩，保溫層；所述鑽進系統包括動力裝置，鑽杆，鑽頭，霧化噴嘴；所述電源系統包括電源裝置，電線。
優選地，所述液氮加注杆與鑽杆相互連接；鑽杆的下端連接鑽頭；液氮加注腔與液氮加注杆之間設置有密封環，以保證液氮加注杆在轉動過程中不發生洩露；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，以使氣液循環輔助鑽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，所述液氮加注杆內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層；同時液氮加注杆上端設置有液氮加注口；在液氮加注杆被液氮加注腔包裹的部分設置有液氮循環入口；液氮加注杆頂部設置有與之相適的動力裝置。
優選地，所述鑽頭上設置有霧化噴嘴；所述鑽杆內部是中空的，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鑽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鑽進裝置進行操作；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，動力裝置連接並對其供電。
本發明有益效果是：本氣液循環鑽進方法和裝置從實用性出發，輔助鑽進方式巧妙：利用液氮汽化吸熱的原理輔助鑽進，以克服月球上鑽進時導熱率低，鑽頭易軟化的難題。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-鑽杆，16-鑽頭，17-霧化噴嘴，18-液氮加注杆，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鑽進方法，其包括以下步驟：S1準備階段：將鑽杆與液氮加注杆連接，並確保密封塊與地面緊密接觸，以形成液氮循環密閉環境；並通過電源裝置給吸泵、壓縮機、冷卻器供電。S2鑽進階段：從液氮加注口向液氮加注杆中加入循環液氮後密封液氮加注口；電源裝置給動力裝置供電，動力裝置進而帶動鑽杆轉動鑽進。S3循環階段：液氮在重力作用下流入鑽頭並受熱汽化，進而從鑽頭上設置的霧化噴嘴噴出變成氮氣；液氮汽化可以吸熱，有利於降低鑽頭的溫度；氮氣從鑽杆與孔壁之間的空間上升，並通過回收罩過濾然後通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理後變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注杆上設置的液氮循環入口進入液氮加注杆參與循環。優選地，在S1步驟中，加入的液氮不宜過多，過多液體易造成鑽頭堵塞，鑽進速度減緩。在S1-S3步驟中，由於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，隨著鑽進的深入，需要加接鑽杆；先停止鑽進，然後連接鑽杆；再重複進行步驟S1-S3。
一種特種空間氣液循環鑽進裝置，包括循環系統、鑽進系統和電源系統。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，液氮加注杆，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循環入口，回收罩，保溫層。鑽進系統包括動力裝置，鑽杆，鑽頭，霧化噴嘴。電源系統包括電源裝置，電線。液氮加注杆與鑽杆相互連接；鑽杆的下端連接鑽頭；液氮加注腔與液氮加注杆之間設置有密封環，以保證液氮加注杆在轉動過程中不發生洩露。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，以使氣液循環鑽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。液氮加注杆內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層；同時液氮加注杆上端設置有液氮加注口；在液氮加注杆被液氮加注腔包裹的部分設置有液氮循環入口；液氮加注杆頂部設置有與之相適的動力裝置。鑽頭上設置有霧化噴嘴；所述鑽杆內部是中空的，其中空內壁上設置有保溫層。所述一種特種空間氣液循環鑽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鑽進裝置進行操作。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，動力裝置連接並對其供電。
液氮的循環過程如下：首先從液氮加注口加入液氮，然後封閉液氮加注口；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；液氮通過液氮加注杆與鑽杆的內部通孔流入鑽頭；由於鑽頭溫度較高液氮受熱汽化，進而從鑽頭上設置的霧化噴嘴噴出；液氮汽化可以吸熱，有利於降低鑽頭的溫度；氮氣從鑽杆與所鑽土壤孔壁之間的空間上升，並通過回收罩過濾然後通過吸泵回收；回收的氮氣經過壓縮機和冷卻器處理後變為液氮，液氮流經單向閥通過液氮加注杆上設置的液氮循環入口進入液氮加注杆參與循環。
以上所述僅用來進一步說明本發明的技術內容，以便於讀者更容易理解，但不代表本發明的實施方式僅限於此，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。