一种地外天体钻土取水装置及其方法

本发明涉及空间钻探取样，具体而言涉及一种面向地外天体的钻土取水装置及其方法。

背景技术：

1、人类开始探索地外行星，水资源的获取是探索外天体的关键问题。近些年来，对于月球的探索愈加深入，并且已经证实月壤中存在水资源。在月球地表没有易获取的水资源情况下，含水月壤是水资源的重要来源。

2、当前适用于地球上的钻探取水装置依赖化石燃料与较重的机械设备，不适用于地外天体的复杂环境，且不满足节省物资、高效运作的要求。

3、一种集成度高的、就地实施、使用电能的面向月球及其他地外天体环境的钻土取水装置及其方法可以用于月球极地区域的含水月壤钻取，可以直接在月球表面将月壤进行水土分离获取水资源。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有的技术方案的缺陷，而提供一种地外天体钻土取水装置及其方法。

2、一种地外天体钻土取水装置，包括：激光辅助破岩加热取水部分和外部岩屑加热取水部分以及装置本体。

3、所述激光辅助破岩加热取水部分包括钻取装置(11)、激光装置(17)、内管加热装置(16)；钻取装置(11)、激光装置(17)、内管加热装置(16)三者依次通过导线串联；总电源(1)通过导线分别与控制装置(2)、钻取装置(11)、激光装置(17)和内管加热装置(16)连接，给其供电；钻取装置(11)、激光装置(17)和内管加热装置(16)分别通过信号线与装置本体的控制装置(2)连接；由控制装置(2)控制钻取装置(11)、激光装置(17)和内管加热装置(16)运行；钻取装置(11)采用带有外管的内中空螺旋钻杆(15)；激光装置(17)与内管加热装置(16)布置在钻取装置(11)的中空内管(19)中；激光装置(17)的激光发射器(17-1)与激光头(17-5)通过光纤(17-2)连接，激光头(17-5)设置在钻头(18)的内侧以辅助破岩；内管加热装置(16)可加热钻杆(15)内部岩屑；内管加热装置(16)与外部岩屑加热取水部分的收集装置(20)管道a(28)连接。

4、所述外部岩屑加热取水部分包括传送装置(27)、外加热装置(3)、收集装置(20)；外加热装置(3)与收集装置(20)通过管道b(25)连接；传送装置(27)、外加热装置(3)、收集装置(20)三者分别通过导线与总电源(1)连接，由总电源(1)给其供电；控制装置(2)通过信号线分别与传送装置(27)、外加热装置(3)、收集装置(20)连接，进而控制其运行。

5、优选地，所述钻取装置(11)包括螺旋钻杆(15)、钻头(18)、外管(14)、中空内管(19)和给进电机(6)；内管(19)中嵌入激光装置(17)和内管加热装置(16)；外管(14)上设置外管出土口(13)和毛刷(12)，以便将部分岩屑排出用于外部岩屑加热取水。

6、优选地，所述内管加热装置(16)处于螺旋钻杆(15)的中空内管(19)中，由固定阀(16-1)、收缩管(16-2)、保护壳(16-3)、加热管(16-4)、滑轮(16-5)和滤土网(16-6)组成；固定阀(16-1)布置在钻杆顶部，加热管(16-4)的内部设有保护壳(16-3)；加热管(16-4)沿钻杆内壁延伸布置；收缩管(16-2)的上端与钻杆固连，收缩管(16-2)的下端与滑轮(16-5)连接，由滑轮(16-5)带动在钻杆内壁上下滑动，底部设有滤土网(16-6)；收缩管(16-2)与收集装置(20)由管道a(28)连接。

7、优选地，所述传送装置(27)由电机b(27-2)、电热片b(27-1)、移动转轴(27-3)、翻转轴(27-4)、集土腔(27-5)和导电片(27-6)组成；传送装置(27)与控制装置(2)通过信号线连接；电机b(27-2)与移动转轴(27-3)连接，可以带动移动转轴(27-3)上下移动和水平旋转，以便调整集土腔(27-5)的位置收集外管中的含水岩屑；集土腔(27-5)通过翻转轴(27-4)与移动转轴(27-3)铰接；集土腔(27-5)可进行180°上下翻转以将集土腔(27-5)内的废土由废土口(26)排出；集土腔(27-5)的壳体及内部设置有电热片b(27-2)，用于加热岩屑。

8、优选地，所述外加热装置(3)由电热片a(4)、导电传感器(5)组成；电热片a(4)布置在外加热装置(3)的壳体中；导电传感器(5)与控制装置(2)通过信号线连接；导电传感器(5)可以检测传送装置(27)的导电片(27-6)，导电传感器(5)可以将检测信号传输给控制装置(2)，控制装置(2)可以通过导电传感器(5)的检测信号进而控制电热片a(4)和电热片b(27-2)的电源通断；外加热装置(3)与收集装置(20)通过管道b(25)连接。

9、6.根据权利要求1所述的一种地外天体钻土取水装置，其特征在于，所述收集装置(20)包括集水罐(21)、传送带(22)、电机a(23)、储存区(24)；收集装置(20)与总电源(1)通过导线连接；收集装置(20)与外加热装置(3)通过管道a(28)连接，与内管加热装置(16)通过管道b(25)连接，两条管道均设有阀门，两条管道在阀门后汇集成一条管道通入收集装置(20)；集水罐(21)为双层壳体结构，中空壳体内部充满液氮以降低水蒸气温度实现液化，进而得到液态水，罐内收集储存水。

10、一种地外天体钻土取水方法，基于一种地外天体钻土取水装置，其包括以下两条取水路线：

11、路线1为激光辅助破岩加热取水，其特征在于，包括以下步骤：

12、步骤1.1：启动总电源(1)，给进电机(6)控制螺旋钻杆(15)向下移动，激光装置(17)开始工作辅助钻杆钻进；

13、步骤1.2：总电源(1)给内管加热装置(16)进行供电加热钻杆内壁的加热管(16-4)，随着钻进深度增加，钻杆内部岩屑推动收缩管沿钻杆内壁向上移动，与此同时加热管(16-4)加热岩屑，水蒸气沿管道a(28)进入收集装置(20)。

14、路线2为外部岩屑加热取水，其特征在于，包括以下步骤：

15、步骤2.1：启动总电源(1)，给进电机(6)控制螺旋钻杆(15)向下移动，激光装置(17)开始工作辅助钻杆钻进；

16、步骤2.2：随着钻进深度的增加，外部岩屑沿螺旋钻杆(15)上升，外管(14)可使岩屑收集率大大提高，当岩屑上升到外管出土口(13)处由毛刷(12)阻挡排出外管(14)；控制装置(2)控制传送装置(27)向上移动到外管出土口(13)收集岩屑；待集土腔(27-5)收集岩屑后由移动转轴(27-3)水平旋转180°后向上移动与外加热装置(3)对接；

17、步骤2.3：总电源(1)加热外加热装置(3)和传送装置(27)中的电热片，加热集土腔(27-5)中的岩屑使水土分离，水蒸气沿管道b(25)进入收集装置(20)；

18、步骤2.4：控制装置(2)控制传送装置(27)向下移动到底部，翻转轴(27-4)向下翻转将废土由废土口(26)排出；翻转轴(27-4)向上翻转，控制装置(2)控制传送装置(27)向上移动到外管出土口(13)，集土腔(27-5)准备下一次岩屑收集。

19、优选地，所述外部岩屑加热取水路线中，步骤2.2～2.4可以重复，以实现多次循环取水。

20、本发明与现有技术相比的有益效果是：(1)本发明采用光纤激光辅助螺旋钻具破岩，光纤激光可以加热破碎岩石，增加破岩效率，降低能耗；(2)采用光纤激光辅助破岩同时可加热含水岩屑达到水土分离，使激光能量得到充分利用；(3)本发明螺旋钻杆采用外管内中空形式，外部岩屑收集后进行加热实现水土分离，内管岩屑在钻取过程中直接实现水土分离，极大提高了水的提取率；(4)本发明装置使用电机，不消耗燃料，不产生污染；(5)本发明装置集成度高，可以方便地移动部署。