一种含冰星壤光热提取装置的制作方法

1.本发明属于深空探测技术领域，涉及一种含冰星壤光热提取装置。


背景技术：

2.水资源原位获取与转换利用是原位资源利用(isru)的主要目标之一。作为太空探索的重要资源，水是原位资源利用的关键载体和重要产物，其应用贯穿于能源、推进及生命保障等各个环节。
3.随着水资源原位探测技术的发展，月球、火星及近地行星水资源存在的存在越发充实，随即掀起了地外原位水资源探测提取的研究热潮。例如俄罗斯联欧洲esa提出了月球
‑
资源着陆器和prospect探测器计划，该探测器包括两部分，一是钻头，实现从近一米的深度范围内提取和输运土壤。二是微型化学实验室，从提取土壤中获取挥发物资源并进行气体成为检测。再比如美国密封机器人公司设计了一款移动式原位水提取装置，该装置主要包括冻土获取与输运系统、挥发物提取与收集系统和储水罐等。该装置采用钻取方式获得原始冻土并将其搬运至密封舱体内，通过同位素进行加热处理，挥发水蒸气通过冷凝管进行冷凝收集，汇集于储水罐内。
4.上述装置存在如下缺陷:为完全地外天体表面取水需要分别配置关联结构实现地外土壤提取、转移和密封等技术环节，结构复杂，仅适用于科学取样。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种含冰星壤光热提取装置，解决现有装置结构复杂，适用性差的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供一种含冰星壤光热提取装置，包括：
7.太阳光聚光单元，用于收集太能光并进行汇聚；
8.导光单元，包括用于接收太阳光的连接接头与所述连接接头相连接的光纤和与所述光纤相连接的导光接头；
9.钻具，所述钻具内部具有空腔，所述导光接头安装在所述钻具的空腔中，所述空腔内表面涂覆有吸光涂层。
10.密封套筒，与所述钻具密封连接；
11.收集装置，与所述密封套筒相连通。
12.根据本发明的一个方面，所述钻具空腔中设有连接卡件，包括上盖板和限位托板，所述导光接头具有安装部分，所述安装部分位于所述上盖板和限位托板之间。
13.根据本发明的一个方面，所述上盖板和限位托板通过限位螺栓相连接。
14.根据本发明的一个方面，所述吸光涂层涂覆在所述钻具的连接卡件之下的部分。
15.根据本发明的一个方面，所述太阳光聚光单元包括安装支架和安装在所述安装支架上的聚光透镜；
16.所述聚光透镜为透射式聚光镜。
17.根据本发明的一个方面，所述太阳光聚光单元包括安装支架、安装在所述安装支架上的聚光透镜，所述聚光透镜为反射式聚光镜，所述太阳光聚光单元还包括平面反射镜、用于支撑所述平面反射镜的镜面支杆；
18.所述反射式聚光镜底部设有通光口。
19.根据本发明的一个方面，所述含冰星壤光热提取装置还包括太阳光跟踪单元，所述太阳光跟踪单元包括设置在所述安装支架上的太阳光跟踪传感器和与所述安装支架固定连接的驱动装置。
20.根据本发明的一个方面，所述光纤为单芯光纤或多芯光纤，所述单芯光纤和多芯光纤均包括、纤芯、填充物和包层；所述多芯光纤还包括中心加强芯。
21.根据本发明的一个方面，所述收集装置为密封的低压容器，其通过管路与所述密封套筒相连通。
22.本发明的含冰星壤光热提取装置，利用太阳能聚光实现太阳能高效利用，利用具有空腔的钻具实现含冰星壤光热提取结构功能一体化，利用光纤导光满足钻取密封组件窄入口、深导光和变间距光线输入需求，解决了含冰星壤提取过程能量需求大、利用率低以及技术环节多、结构功能复杂等不利因素，装置和方法原理简单可靠，结构设计实用高效，原位自主性和可操作性强，装置扩容性和独立性特点显著，无瓶颈性技术，在月球、火星和近地小行星表面星壤内部水冰资源原位提取、地面沙漠及偏远地区地下水提取等领域具有较好应用前景，同时装置核心聚光、导光部件设计思想在地外星壤原位建造、致密化成型制造等领域也将发挥重要作用。
附图说明
23.图1示意性表示根据本发明一种实施方式的含冰星壤光热提取装置结构图；
24.图2示意性表示根据本发明第二种实施方式的含冰星壤光热提取装置结构图；
25.图3示意性表示根据本发明的连接卡件的结构示图；
26.图4示意性表示单芯光纤和多芯光纤的结构示图。
具体实施方式
27.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
29.本发明提供一种含冰星壤光热提取装置，如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的含冰星壤光热提取装置包括太阳光聚光单元1、导光单元2、钻具3、密封套筒4、收集装置41以及太阳光跟踪单元6。
30.本发明的太阳光聚光单元1用于收集太阳能并进行汇聚。导光单元2包括用于接收太阳光的连接接头21、与连接接头21相连接的光纤22和与光纤22相连接的导光接头23。如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的太阳光聚光单元1包括安装支架11和安装
在安装支架11上的聚光透镜12；聚光透镜(12)为透射式聚光镜，例如可以采用轻质廉价的菲涅尔透镜。
31.如图2所示，根据本发明的第二种实施方式，本发明的太阳光聚光单元1还可以设置为括安装支架11和安装在安装支架11上的聚光透镜12，其中具有透镜12设置反射式聚光镜。在本实施方式中，太阳光聚光单元1还包括平面反射镜13、用于支撑平面反射镜13的镜面支杆14，并且反射式聚光镜底部设有通光口15。本实施方式中的反射型聚光镜可采用高聚光比和高聚焦光斑质量的旋转抛物面，配合平面反射镜，实现光线传播方向改变和光线汇聚；反射型聚光镜一般采用玻璃镀银反射面并利用铝合金底座支撑保形；平面反射镜同样采用玻璃镀银反射面成型工艺，主要布置在反射型聚光镜汇聚光线传播方向汇聚光斑之前，并通过镜面支杆与反射型聚光镜连接，从而降低光线遮挡、更加高效的实现反射汇聚光斑的镜面映射，通过反射型聚光镜底部通光口将聚焦光斑引入连接接头21，然后进一步进入光纤22中。
32.结合图4所示，光纤导光部件一般分为单芯光纤和多芯光纤两类，主要由聚光镜面聚焦光斑直径和光纤直径共同决定；光纤主要由纤芯、填充物和包层组成，其中多芯光纤还包括中心加强芯，主要起到提高多芯光纤强度作用；连接接头主要作用是固定光纤并接收经太阳能聚光部件汇聚后的光斑，同时连接接头还起到将不同光纤进行组合汇聚传导的作用。光纤导光部件可根据太阳能聚光部件汇聚后的接收光斑大小确定其光纤类型和连接接头形式，同时要根据太阳光的光谱特性，结合钻取密封组件的光热转换需求，对光纤的光谱过滤、吸收和透过特性进行匹配优化选择。
33.结合图1所示，本发明的太阳光跟踪单元6太阳光跟踪组件主要作用是确保太阳转动过程中太阳能聚光部件的高效光能接收，以提高装置整体光能利用效率包括设置在安装支架11上的太阳光跟踪传感器61和与安装支架11固定连接的驱动装置62。太阳光跟踪传感器61可采用光敏器件，驱动装置62主要完成一定俯仰角和方位角的连续可调。
34.结合图1和图3所示，本发明的钻取3内部具有空腔，导光接头23安装在钻具3的空腔中。具体来说，钻具3空腔中设有连接卡件5，包括上盖板51和限位托板52，导光接头23具有安装部分231，安装部分231位于所述上盖板51和限位托板52之间。为实现导光接头23与钻具3螺旋钻取过程解耦，导光接头23的安装部分231通过限位螺栓53实现在上盖板51和限位托板52之间非固定限位。
35.结合图1和图3所示，本发明的钻具3的空腔内表面涂覆有吸光涂层31。并且吸光涂层31涂覆在钻具3的连接卡件5之下的部分。吸光涂层31可以设置为，如各种高吸光涂料、碳黑层等，也可采用表面高温氧化发黑处理获得高吸光表面。吸光涂层用于吸收由导光接头23导出的光。
36.如图1所示，本发明的钻具3外还设有密封套筒4，密封套筒4与部分钻具密封连接。当钻具3从星壤表面开始下钻时，密封套筒4与星壤形成密封空间。优选地，本发明的吸光涂层涂覆在钻具3的内腔中的位置，从与密封套筒4齐平的位置开始至钻具的端点处。
37.如图1所示，在本实施方式中，收集装置41为密封的低压容器，其通过管路与密封套筒4相连通。
38.本发明的含冰星壤光热提取装置的工作过程如下：
39.首先是钻具3从星壤表面开始下钻，含冰星壤沿着钻具螺旋翼向上运动，在离心力
及扰动力作用下进入密封套筒4与星壤的密封空间中被收集起来。
40.然后太阳光跟踪传感器61引动驱动装置62动作，使得太阳光聚光单元1移动，将太阳光汇聚至连接接头21，并通过光纤22传导到位于钻具内部空腔的导光接头23处。太阳光镜导光接头23导出，太涂覆的吸光涂层吸收并转化为热能，传导至含冰星壤，实现光热转换和热能传导。
41.含冰星壤吸收来自钻具传导的热能，冰冻星壤的固态水冰吸收热融化、气化蒸发并填充在密封套筒4的密封空间内，形成内部水蒸气高压环境。本发明的装置还可以进一步包括与密封套筒4连通的收集装置41。进而可以将密封套筒4高压水蒸气收集至收集装置41中，进行后续处理。
42.本发明的含冰星壤光热提取装置，利用太阳能聚光实现太阳能高效利用，利用具有空腔的钻具实现含冰星壤光热提取结构功能一体化，利用光纤导光满足钻取密封组件窄入口、深导光和变间距光线输入需求，解决了含冰星壤提取过程能量需求大、利用率低以及技术环节多、结构功能复杂等不利因素，装置和方法原理简单可靠，结构设计实用高效，原位自主性和可操作性强，装置扩容性和独立性特点显著，无瓶颈性技术，在月球、火星和近地小行星表面星壤内部水冰资源原位提取、地面沙漠及偏远地区地下水提取等领域具有较好应用前景，同时装置核心聚光、导光部件设计思想在地外星壤原位建造、致密化成型制造等领域也将发挥重要作用。
43.以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。