一种特种空间气液循环钻进方法和装置与流程

本发明属于月球表层钻进技术领域，尤其涉及一种特种空间气液循环钻进方法和装置。

背景技术：

近年来，航空航天工程飞速发展，人类对太空探索的步伐进一步加快，我国也加紧实施探月工程。目前，月球表层的分析工作还有待进一步完善。而阻碍月球表层分析工作的主要原因之一就是由于月球特殊的环境导致其表层土壤钻进困难。月球环境的特殊性在于重力小，没有大气层。月球环境造成钻进难题主要有3点：①低重力，钻杆的钻进过程比起在地球环境中更难控制；②温差大，由于月球大气层稀薄，月球昼夜温差极大，这对钻机的工作效率和使用寿命有严重影响；③导热率低，月球上的空气稀薄，热量难以散去，导致钻头软化难以继续钻进。特别是当月球上钻入3米后，孔内阻力增大，钻杆拔出困难，必须卸掉钻机，用长柄杠杆的钻杆取出器取出钻杆。钻杆钻进深度小造成辅助钻进量少，难以收集足够的芯块用于航天实验研究。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种特种空间气液循环钻进方法和装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种特种空间气液循环钻进方法，包括以下步骤：

S1：准备阶段：将钻杆与液氮加注杆连接，并确保密封块与地面紧密接触，以形成液氮循环密闭环境；并通过电源装置给吸泵、压缩机、冷却器供电；

S2：钻进阶段：从液氮加注口向液氮加注杆中加入循环液氮后密封液氮加注口；电源装置给动力装置供电，动力装置进而带动钻杆转动钻进；

S3：循环阶段：液氮在重力作用下流入钻头并受热汽化，进而从钻头上设置的雾化喷嘴喷出变成氮气；液氮汽化可以吸热，有利于降低钻头的温度；氮气从钻杆与所钻土壤孔壁之间的空间上升，并通过回收罩过滤然后通过吸泵回收；回收的氮气经过压缩机和冷却器处理后变为液氮，液氮流经单向阀通过液氮加注杆上设置的液氮循环入口进入液氮加注杆参与循环。

优选地，在S1步骤中，加入的液氮不宜过多，过多液体易造成钻头堵塞，钻进速度减缓。

优选地，在S1-S3步骤中，由于气体不能百分百回收利用，需要通过液氮加注口补充循环液氮，保证液氮正常循环。

优选地，在S3步骤中，随着钻进的深入，需要加接钻杆；先停止钻进，然后连接钻杆；再重复进行步骤S1-S3。

一种特种空间气液循环钻进装置，包括循环系统、钻进系统和电源系统。所述循环系统包括导管，吸泵，压缩机，冷却器，单向阀，密封环，支架，密封块，密封袋，液氮加注杆，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循环入口，回收罩，保温层；所述钻进系统包括动力装置，钻杆，钻头，雾化喷嘴；所述电源系统包括电源装置，电线。

优选地，所述液氮加注杆与钻杆相互连接；钻杆的下端连接钻头；液氮加注腔与液氮加注杆之间设置有密封环，以保证液氮加注杆在转动过程中不发生泄露；所述液氮加注腔内部是中空的；液氮加注腔通过导管与单向阀连接，所述单向阀使得液氮或氮气只能从冷却器向液氮加注腔流通；单向阀、冷却器、压缩机、吸泵依次通过导管相互连接；吸泵下端设置有回收罩；所述回收罩内设置有过滤网；以过滤掉氮气中的粉尘，防止堵塞。

优选地，所述吸泵，压缩机，冷却器，单向阀和液氮加注腔设置有与之相适的支架，以起支撑作用；所述支架包含有3或4条可独立伸缩的支腿，以使气液循环辅助钻进装置可以适应多种地形；所述支架上同时设置有密封袋，在所述密封袋的下端设置有密封块，密封块与地面紧密接触，以形成液氮循环密闭环境。

优选地，所述液氮加注杆内部是中空的，其中空内壁上设置有保温层；同时液氮加注杆上端设置有液氮加注口；在液氮加注杆被液氮加注腔包裹的部分设置有液氮循环入口；液氮加注杆顶部设置有与之相适的动力装置。

优选地，所述钻头上设置有雾化喷嘴；所述钻杆内部是中空的，其中空内壁上设置有保温层。

优选的，所述一种特种空间气液循环钻进装置设置有与之相适的月球车，所述月球车包含伸缩臂，所述伸缩臂可对气液循环钻进装置进行操作；伸缩臂上设置有电源装置；所述电源装置通过电线与吸泵，压缩机，冷却器，动力装置连接并对其供电。

本发明有益效果是：本气液循环钻进方法和装置从实用性出发，辅助钻进方式巧妙：利用液氮汽化吸热的原理辅助钻进，以克服月球上钻进时导热率低，钻头易软化的难题。同时液氮可循环利用，耗费低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的工作示意图。

图中：1-月球车，2-机械臂，3-电源装置，4-电线，5-动力装置，6-导管，7-吸泵，8-压缩机，9-冷却器，10-单向阀，11-密封环，12-支架，13-密封块，14-密封袋，15-钻杆，16-钻头，17-雾化喷嘴，18-液氮加注杆，19-液氮加注腔，20-液氮加注口，21-液氮循环入口，22-回收罩，23-保温层。

具体实施方式

下面结合附图1-2对本发明的技术方案做进一步说明。

一种特种空间气液循环钻进方法，其包括以下步骤：S1准备阶段：将钻杆与液氮加注杆连接，并确保密封块与地面紧密接触，以形成液氮循环密闭环境；并通过电源装置给吸泵、压缩机、冷却器供电。S2钻进阶段：从液氮加注口向液氮加注杆中加入循环液氮后密封液氮加注口；电源装置给动力装置供电，动力装置进而带动钻杆转动钻进。S3循环阶段：液氮在重力作用下流入钻头并受热汽化，进而从钻头上设置的雾化喷嘴喷出变成氮气；液氮汽化可以吸热，有利于降低钻头的温度；氮气从钻杆与孔壁之间的空间上升，并通过回收罩过滤然后通过吸泵回收；回收的氮气经过压缩机和冷却器处理后变为液氮，液氮流经单向阀通过液氮加注杆上设置的液氮循环入口进入液氮加注杆参与循环。优选地，在S1步骤中，加入的液氮不宜过多，过多液体易造成钻头堵塞，钻进速度减缓。在S1-S3步骤中，由于气体不能百分百回收利用，需要通过液氮加注口补充循环液氮，保证液氮正常循环。在S3步骤中，随着钻进的深入，需要加接钻杆；先停止钻进，然后连接钻杆；再重复进行步骤S1-S3。

一种特种空间气液循环钻进装置，包括循环系统、钻进系统和电源系统。循环系统包括导管，吸泵，压缩机，冷却器，单向阀，密封环，支架，密封块，密封袋，液氮加注杆，液氮加注腔，液氮加注口，液氮循环入口，回收罩，保温层。钻进系统包括动力装置，钻杆，钻头，雾化喷嘴。电源系统包括电源装置，电线。液氮加注杆与钻杆相互连接；钻杆的下端连接钻头；液氮加注腔与液氮加注杆之间设置有密封环，以保证液氮加注杆在转动过程中不发生泄露。液氮加注腔内部是中空的；液氮加注腔通过导管与单向阀连接，单向阀使得液氮或氮气只能从冷却器向液氮加注腔流通。单向阀、冷却器、压缩机、吸泵依次通过导管相互连接；吸泵下端设置有回收罩。回收罩内设置有过滤网；以过滤掉氮气中的粉尘，防止堵塞。吸泵，压缩机，冷却器，单向阀和液氮加注腔设置有与之相适的支架，以起支撑作用。支架包含有3或4条可独立伸缩的支腿，以使气液循环钻进装置可以适应多种地形。支架上同时设置有密封袋，在密封袋的下端设置有密封块，密封块与地面紧密接触，以形成液氮循环密闭环境。液氮加注杆内部是中空的，其中空内壁上设置有保温层；同时液氮加注杆上端设置有液氮加注口；在液氮加注杆被液氮加注腔包裹的部分设置有液氮循环入口；液氮加注杆顶部设置有与之相适的动力装置。钻头上设置有雾化喷嘴；所述钻杆内部是中空的，其中空内壁上设置有保温层。所述一种特种空间气液循环钻进装置设置有与之相适的月球车，月球车包含伸缩臂，伸缩臂可对气液循环钻进装置进行操作。伸缩臂上设置有电源装置。所述电源装置通过电线与吸泵，压缩机，冷却器，动力装置连接并对其供电。

液氮的循环过程如下：首先从液氮加注口加入液氮，然后封闭液氮加注口；支架上设置的密封袋和密封块以及支架与地面形成密封循环环境；液氮通过液氮加注杆与钻杆的内部通孔流入钻头；由于钻头温度较高液氮受热汽化，进而从钻头上设置的雾化喷嘴喷出；液氮汽化可以吸热，有利于降低钻头的温度；氮气从钻杆与所钻土壤孔壁之间的空间上升，并通过回收罩过滤然后通过吸泵回收；回收的氮气经过压缩机和冷却器处理后变为液氮，液氮流经单向阀通过液氮加注杆上设置的液氮循环入口进入液氮加注杆参与循环。

以上所述仅用来进一步说明本发明的技术内容，以便于读者更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。