一种地外天体表面水资源获取钻具装置及钻取方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种地外天体表面水资源获取钻具装置及钻取方法。装置通过钻头进入、叶片钻取表层土壤，利用导光镜面将聚焦太阳光传递至钻杆内部空腔，实现能源热量供给，利用叶片发挥翅片功能传递热量至周围钻取土壤，产生水蒸气挥发物，经钻杆气孔进入钻杆空腔并汇聚于水蒸气出口导出，完成地外天体表面水资源获取。该钻具装置结构较为简单，重量功耗要求较低，功能集成度高，能够实现地外天体表面水资源的高效获取。

Drilling tool device and drilling method for surface water resource acquisition of extraterrestrial objects

The invention relates to an acquisition device for a surface water resource on an extraterrestrial body and a drilling method. The device drills into the surface soil through the drill bit and the blade, transfers the focused sunlight to the inner cavity of the drill pipe by the light guide mirror, realizes the energy and heat supply, uses the blade to play the fin function to transfer the heat to the surrounding soil, produces the vapor volatile matter, enters the drill pipe cavity through the drill pipe stoma and collects the water vapor out. Export to achieve surface water acquisition of extraterrestrial objects. The drilling rig has the advantages of simple structure, low weight and power consumption, high function integration and high efficiency in obtaining water resources on the surface of extraterrestrial objects.

【技术实现步骤摘要】
一种地外天体表面水资源获取钻具装置及钻取方法
本专利技术涉及一种地外天体表面水资源获取钻具装置及钻取方法，可作为月球、小行星、火星等地外天体冻土、冰层、土壤水合物内水资源提取的重要手段。同时，该系统还可用于地外天体土壤内部其它挥发物的提取。
技术介绍
随着未来近地天体载人探索的不断深入，人类生存的水资源需求日趋庞大，水资源的原位获取是其关键解决途径。目前，美国NASA提出利用钻取水合物月壤进行集中加热挥发收集水蒸气进行水资源提取策略方案。方案主要涵盖钻具、加热源、水合物月壤转运储存装置等，其中，钻具主要功能是钻取次表层或深层水合物月壤，加热源主要是对钻取月壤进行加热蒸发处理，一般采用核电源，水合物月壤转运储存装置一般采用电机毛刷和配套储罐完成。该方案钻具结构功能单一，加热源风险较大、可靠性不高，月合物月壤转运储存装置组成复杂，重量负担较大，方案整体部组件较多，重量功耗负担较重、且整体可靠性不高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种地外天体表面水资源获取钻具装置及钻取方法，钻具集成钻取、加热与水蒸气挥发提取为一体，装置简单、功能集成度高，为地外天体表面水资源提取提供一条崭新途径。本专利技术包括如下技术方案：一种地外天体表面水资源获取钻具装置，包括钻杆、钻头、柔性密封盖和导光镜面，所述钻杆采用分段式空腔结构，上段为细螺纹结构，中段为光滑外表面结构，下段为叶片状螺旋结构；钻杆底部连接钻头，钻杆上段顶端连接导光镜面，钻杆中、下段分界处连接柔性密封盖。所述柔性密封盖贯穿布置在钻杆中段和下段分界面处。所述导光镜面布置在钻杆上段顶端，采用套筒式结构连接，套筒内部为透光石英玻璃。所述钻杆表面的叶片之间开气孔，且气孔出钻杆方向为斜向下。所述钻杆内部为空腔结构，分为上、下空腔；上空腔包括钻杆上、中段两部分，上空腔内表面涂敷高反涂层；钻杆下空腔为下段，下空腔内表面涂敷高吸涂层；所述钻杆的上段顶端还开有水蒸气出口。所述钻头采用与钻杆一体化设计，钻头端部布置楔形切削刃。所述高反涂层为镀银，高吸涂层为黑漆。一种利用上述地外天体表面水资源获取钻具进行资源提取的方法，步骤如下：1)通过对钻杆施加冲击载荷和旋转力矩，利用钻头切削刃进行表层土壤钻进，叶片进行表层土壤钻取；2)当钻杆下段完全钻入表面土壤后，柔性密封盖与表层土壤紧密贴合；钻具顶端聚光镜面引入聚焦太阳光，经钻杆顶端导光镜面至钻杆上空腔；上空腔内部的高反光面对聚焦太阳光高效反射至下空腔，下空腔内部的高吸光面高效吸收反射光；3)加热钻杆并通过叶片的受热传导传递热量至钻取表面土壤，钻取土壤加热；柔性密封盖及周围土壤发挥隔热及密封作用，水蒸气挥发并经气孔进入钻杆内部空腔结构，水蒸气挥发上升至水蒸气出口，由外部水蒸气检测和处理模块接收，完成单次水资源提取任务。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：本专利技术采用钻杆结构功能一体化设计，在传统钻具结构基础上引入气孔、导光镜面、柔性密封盖和反光、吸光内部空腔，实现了太阳光加热、叶片强化散热、柔性密封防护和钻采提取结构功能一体化效果，结构简单巧妙，功能集成度高，重量功耗要求低，结构可靠性和效率较高。附图说明图1为本专利技术的钻具装置组成示意图。图2为本专利技术的钻具装置工作原理与流程示意图。具体实施方式下文将结合具体实施方案，对本专利技术的设计思想进行说明，以使得审查员可以了解本专利技术的特点，详细说明陈述如下：一种地外天体表面水资源提取钻具主要包括钻杆、钻头、导光镜面及柔性密封盖。钻杆采用分段式空腔结构，上段为细螺纹结构，与旋转套筒连接，提供旋转力矩；中段为光滑外表面结构，下段为螺旋结构，其中，下段螺旋结构称为叶片，采用层近式螺旋结构构型，叶片选用强度高、热传导能力强的材质(如金属合金)，叶片起到提取表层土壤的同时，还起到加热翅片功能，将钻杆内部热源高效传递至被提取表层土壤内部，加速月壤内部水分蒸发。钻杆叶片之间布置气孔，气孔布置位置位于上叶片根部，气孔采用斜向下开口设计，减少提取表层土壤颗粒堵塞气孔概率，提高水蒸气提取效率；气孔与钻杆空腔联通，水蒸气沿空腔上升至钻杆顶部水蒸气出口，此处连接外围水蒸气检测与处理模块。钻杆内部为空腔结构，分为上、下空腔，其中，上空腔包括钻杆上、中段两部分长度，上空腔内表面圆周涂敷高反涂层(如镀银)，形成高反光面，高效反射入射光线；；钻杆下空腔为下段长度，空腔内表面圆周涂敷高吸涂层(如黑漆)，形成高吸光面，高效吸收入射光线；钻杆的上段顶端开有水蒸气出口；钻杆最低端为钻头，此处采用钻头钻杆一体化设计，钻头周围为楔形切削刃，提高冲击钻入效果，同时可对钻头切削刃进行特殊处理(如渗碳)，以提高钻头强度。导光镜面布置在钻杆上段顶端，通过密闭套筒实现与钻杆连接并实现钻杆结构封闭。导光镜面采用高吸收和高透射率玻璃材质，外部连接太阳能聚光装置，高效导入聚焦太阳光，形成土壤加热源。柔性密封盖与钻杆一体化设计装配，布置在钻杆中段与下段分界处，当钻杆下段钻入月壤后，柔性密封盖利用钻杆旋转压力实现与表层土壤紧密结合，既起到钻取表层土壤与外部隔热作用，又起到隔绝加热后水蒸气挥发物挥发扩散作用。柔性密封盖可采用低热导率、高柔性橡胶材料。一种地外天体表面水资源提取钻具基本工作原理与流程为：首先通过对钻杆施加冲击载荷和旋转力矩，利用钻头切削刃进行钻进，叶片进行表层月壤钻取；当钻杆下段叶片完全钻入表面土壤后，柔性密封盖与表层土壤紧密贴合；钻具顶端聚光装置引入聚焦太阳光，经钻杆顶端导光镜面至钻杆内部空腔；其中，钻杆上空腔内部的高反光面(高反涂层)对聚焦太阳光高效反射至下空腔，下空腔内部的高吸光面(高吸涂层)高效吸收反射光，钻杆加热并通过叶片的受热传导传递热量至钻取表面土壤，钻取土壤加热；柔性密封盖及周围土壤发挥隔热及密封作用，水蒸气挥发并经气孔进入钻杆空腔，水蒸气挥发上升至水蒸气出口，由水蒸气检测和处理模块接收，完成单次水资源提取任务。钻具退出，进行下次作业。综上所述，本专利技术提供一种地外天体表面水资源提取钻具，利用钻杆结构功能一体化设计，集成钻具钻取、加热与水资源提取功能，极大降低了结构复杂程度和重量要求。此外，原位太阳能加热设计，解决了装置持久工作所需的能源难题。因此，装置具备很强的竞争力，符合专利专利技术要求具备的新颖性、创造性、实用性要求。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地外天体表面水资源获取钻具装置，包括钻杆、钻头、柔性密封盖和导光镜面，其特征在于：所述钻杆采用分段式空腔结构，上段为细螺纹结构，中段为光滑外表面结构，下段为叶片状螺旋结构；钻杆底部连接钻头，钻杆上段顶端连接导光镜面，钻杆中、下段分界处连接柔性密封盖。

【技术特征摘要】
1.一种地外天体表面水资源获取钻具装置，包括钻杆、钻头、柔性密封盖和导光镜面，其特征在于：所述钻杆采用分段式空腔结构，上段为细螺纹结构，中段为光滑外表面结构，下段为叶片状螺旋结构；钻杆底部连接钻头，钻杆上段顶端连接导光镜面，钻杆中、下段分界处连接柔性密封盖。2.根据权利要求1所述的一种地外天体表面水资源获取钻具装置，其特征在于：所述柔性密封盖贯穿布置在钻杆中段和下段分界面处。3.根据权利要求1所述的一种地外天体表面水资源获取钻具装置，其特征在于：所述导光镜面布置在钻杆上段顶端，采用套筒式结构连接，套筒内部为透光石英玻璃。4.根据权利要求1-3任意所述的一种地外天体表面水资源获取钻具装置，其特征在于：所述钻杆表面的叶片之间开气孔，且气孔出钻杆方向为斜向下。5.根据权利要求1-3任意所述的一种地外天体表面水资源获取钻具装置，其特征在于：所述钻杆内部为空腔结构，分为上、下空腔；上空腔包括钻杆上、中段两部分，上空腔内表面涂敷高反涂层；钻杆下空腔为下段，下空腔内表面涂敷高吸涂层。6.根据权利要求1-3任意所述的一种地外天体表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚伟，王超，李啸天，吕晓辰，马蓉，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11