一种空间环境钻土取水方法及其装置

技术领域

本发明涉及空间钻探取水技术领域，具体而言涉及一种空间环境钻土取水方法及其装置。

背景技术

伴随空间技术的发展，人类不断探索外行星，水资源的获取是探索外星球的关键问题。在外星球地表没有易获取的水资源情况下，深层含水岩土是水资源的重要来源。现有的适用于地球上的钻探取水方法依赖化石燃料与较重的机械设备，不适用于外星球缺水、缺氧的环境，不满足节省物资、高效运作的要求。一种集成度高的、就地取材、使用电能的面向空间环境的钻土取水方法可以用于探测不同区域土壤含水量，可以与各种钻探破岩工程组合以尽可能多的提取水资源。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的技术方案的缺陷，提供一种空间环境钻土取水方法及其装置。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种空间环境钻土取水方法，包括以下步骤：

步骤S1：利用钻探装置钻取外星球上的深层含水岩土，收集钻取出的深层含水岩土用于后续取水；

步骤S2：加热步骤S1中钻取出的深层含水岩土，使岩土中含有的水分蒸发；收集含水气体，将含水气体加压降温以冷凝成液态水；收集液态水。

优选地，在步骤S1钻进外星球岩土的过程中，利用超临界液态二氧化碳制备成的射流辅助钻头钻进与排屑。

优选地，所述超临界液态二氧化碳取自于外星球大气：收集外星球大气中的二氧化碳气体，然后加压，加热形成超临界液态二氧化碳；超临界液态二氧化碳通过振荡喷嘴喷出形成超临界液态二氧化碳射流。

优选地，所述超临界液态二氧化碳射流温度在32～36℃之间，压力在8～20Mpa之间。

一种空间环境钻土取水装置，由超临界液态二氧化碳射流制取部分和岩土加热取水两部分组成。

优选地，所述超临界液态二氧化碳制取部分包括过滤装置(1)、抽气泵(2)、制冷装置(14)、加压装置(15)和升温装置(25)；所述过滤装置(1)，抽气泵(2),制冷装置(14)，加压装置(15)和升温装置(25)依次通过管道连接；管道末端与钻进装置(4)中的射流管道(17-1)连接；射流管道(17-1)另一端连接到振荡喷嘴(17-2)；所述振荡喷嘴(17-2)设置在钻头(17-3)的中部。

优选地，所述岩土加热取水部分包括套管(23)、螺旋加热装置(16)、旋转固气分离装置(7)、加压冷凝装置(10)、储水罐(12)、废土箱(13)、储水罐室(11)和废土箱室(24)；所述套管(23)与螺旋加热装置(16)左侧设置的岩土进口相连接；螺旋加热装置(16)右侧设置的废土出口与废土箱(13)连接；螺旋加热装置(16)上侧设置的气体出口与旋转固气分离装置(7)连接；旋转固气分离装置(7)，加压冷凝装置(10)、储水罐(12)依次通过管道串联连接。

优选地，所述超临界液态二氧化碳射流制取部分和岩土加热取水部分均连接于钻进装置(4)；超临界液态二氧化碳射流制取部分的管道末端与钻进装置(4)中的射流管道(17-1)连接；岩土加热取水部分的套管(23)与钻进装置(4)连接；所述套管(23)包裹住钻进装置(4)的钻杆；套管(23)的下端与地面抵接。

优选地，钻进装置(4)包括钻杆(18)、钻杆库(3)，钻杆添加装置(5)，射流管道(17-1)、振荡喷嘴(17-2)和钻头(17-3)；所述钻杆(18)包括钻杆库中的备用钻杆和钻进中的钻杆；钻杆内部设置有射流管道(17-1)；钻头(17-3)内设置有振荡喷嘴(17-2)；所述振荡喷嘴(17-2)与射流管道(17-1)连接；所述振荡喷嘴(17-2)的内管直径1～2mm，振荡腔直径5～8mm，喷嘴口直径1～1.5mm。

优选地，所述加压冷凝装置(10)的出水口处设有流量传感器(19)。

优选地，所述储水罐室(11)设置有用于取水的常闭门；所述废土箱室(24)设置有用于排土的常闭门。

优选地，所述钻土取水装置的下部设置有可调整长度以适应地面的固定支架(22)。

本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明采用超临界二氧化碳射流辅助钻头破岩与排屑，超临界二氧化碳在外星球大气富含二氧化碳的环境下易于制取，降低工作成本；超临界二氧化碳射流的高密度、低粘度与高扩散系数的特性极大地提高了破岩的效率；本发明装置使用电能，不消耗燃料，不产生污染；本发明装置集成度高，可以方便地移动部署。

附图说明

图1为本发明优选实施例的结构示意图；

图2为钻头部分的剖视结构示意图；

图3为本发明钻土取水方法的流程图。

图中：1-过滤装置，2-抽气泵，3-钻杆库，4-钻进装置，5-钻杆添加装置，6-气体过滤装置，7-旋转固气分离装置，8-冷却装置，9-减压器，10-加压冷凝装置，11-储水罐室，12-储水罐，13-废土箱，14-制冷装置，15-加压装置，16-螺旋加热装置，17-钻头部分，17-1-射流管道，17-2-振荡喷嘴，17-3-钻头，18-钻杆，19-流量传感器，20-电加热装置，21-增压装置，22-固定装置，23-套管，24-废土箱室，25-升温装置。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明。

一种空间环境钻土取水方法，包括以下步骤：

步骤S1，利用钻探装置钻取外星球上的深层含水岩土；

步骤S2，加热步骤S1中钻取出的深层含水岩土，使岩土中含有的水分蒸发；

收集含水气体，对其加压降温以冷凝成液态水；收集液态水。

如图1所示，为本发明优选实施例的剖视结构示意图，一种空间环境钻土取水装置，包括超临界液态二氧化碳射流制取部分和岩土加热取水两部分。

面向空间环境的钻土取水装置的超临界液态二氧化碳制取部分包括过滤装置(1)、抽气泵(2)、制冷装置(14)、加压装置(15)和升温装置(25)，装置之间以管道串联，并通过钻杆中的射流管道(17-1)连接到钻头中央的振荡喷嘴(17-2)。抽气泵(2)从外星球大气中抽入经过过滤装置(1)过滤的二氧化碳气体，在压力差的作用下压入泵腔，再由排气口将气体送入制冷装置(14)，二氧化碳气体在此被降温至0～4℃，接着二氧化碳气体通入加压装置(15)，加压泵将二氧化碳升压至临界压力8～20MPa，产生了液态二氧化碳，将液态二氧化碳通入升温装置(25)，液态二氧化碳温度在此升至32～36℃，形成超临界液态二氧化碳，超临界液态二氧化碳经过振荡喷嘴(17-2)喷出形成振荡射流，进行辅助钻进与排屑。

在上述外星球环境的钻土取水装置的岩土加热取水部分中包括套管(23)、螺旋加热装置(16)、旋转固气分离装置(7)、加压冷凝装置(10)、储水罐(12)、废土箱(13)、储水罐室(11)和废土箱室(24)，套管(23)与螺旋加热装置(16)由管道连接，螺旋加热装置(16)废土出口通过管道与废土箱(13)连接，螺旋加热装置(16)气体出口与旋转固气分离装置(7)、加压冷凝装置(10)、储水罐(12)通过管道串联。超临界液态二氧化碳射流制取部分和岩土加热取水部分在钻进装置(4)处连接，超临界液态二氧化碳射流制取部分与钻头(17-3)中央的振荡喷嘴(17-2)由管道连通，钻进装置(4)的套管(23)与岩土加热取水部分中的螺旋加热装置(16)由管道连通。其中钻进装置(4)包括套管(23)、钻杆(18)、射流管道(17-1)、振荡喷嘴(17-2)和钻头(17-3)。钻土取水装置工作时，超临界液态二氧化碳振荡射流从钻头(17-3)中央的振荡喷嘴(17-2)喷出进行辅助钻进与排屑。钻头(17-3)旋转钻进，产生含水土屑。在从钻井排出的二氧化碳气体的推动下，含水岩土顺着套管(23)通入螺旋加热装置(16)，含水岩土在此被电加热装置(20)加热至100℃左右，含水岩土中水分被蒸发上升，经过气体过滤装置(6)过滤后进入旋转固气分离装置(7)，在此含水气体中的细小土屑被分离，得到的纯净的含水气体，将含水气体通入加压冷凝装置(10)，气体经增压装置(21)增压后进入加压冷凝仓，制冷装置(8)使加压冷凝仓温度维持在4℃左右，含水气体中水分在仓内因高压与低温而冷凝附着在壁上并下落到储水罐(12)中，收集的水量被流量传感器(19)记录以分析土壤含水量。其余气体经过减压器(9)排出。经过螺旋加热装置(16)处理后干燥的废土经过管道通入废土箱(13)被收集起来，以实现低污染。

在本优选实施例中，装置由四个固定装置(22)固定。钻杆(18)长度的增加由钻杆库(3)和钻杆添加装置(5)实现，钻杆(18)中间有超临界二氧化碳射流管道(17-1)。储水罐室(11)和废土箱室(24)设置有铰链开合的门，操作人员可方便地更换储水罐(12)和废土箱(13)。

优选地，所述超临界二氧化碳射流温度在32～36℃之间，压力在8～20MPa之间。

如图2所示，为钻头部分(17)的剖视结构示意图，在具体的实施中，振荡喷嘴(17-2)设于钻头(17-3)中央，射流管道(17-1)的内管直径1～2mm，振荡腔直径5～8mm，振荡喷嘴(17-3)的喷嘴口直径1～1.5mm。

以上所述仅以实施例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。