CN111964949A - 一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，属于深空探测领域；包括钻进驱动模块、波纹管、螺旋钻具、下套筒、月壤通止阀、水汽冷凝存储模块、水蒸气导管、月壤存储容器、加热搅拌螺旋杆和加载丝杠；螺旋钻具与驱动模块对接；加载丝杠与钻进驱动模块固连；波纹管套装在螺旋钻具外壁；下套筒设置在波纹管底端；月壤存储容器与下套筒的侧壁连通；月壤通止阀设置在月壤存储容器与下套筒连通处；加热搅拌螺旋杆设置在月壤存储容器的中心处；水汽冷凝存储模块设置在月壤存储容器的一侧；水汽冷凝存储模块与月壤存储容器之间通过水蒸气导管连通；本发明通过钻取输送与加热密封一体化设计，解决了月面极区真空环境下水提取的难题。
Description
技术领域
本发明属于深空探测领域，涉及一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置。
背景技术
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。作为太空探索特重要资源，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。目前各国都在推动地外水资源利用相关技术，我国在未来的探月工程中设计了相关任务。
月面水资源原位获取主要有如下难点：(1)月面水资源主要位于月球极区永久阴影区内，周边环境为真空极低温环境，可获取能源有限；同时月壤传热效率低；月壤中水份提取需要实现高效低能耗蒸发；(2)由于真空环境下水的三相图与地面差异较大，要实现液态水的收集必须将水蒸气容器内部压强高于800pa；而月壤钻取与排放都需要与外界交互作用，必须采取合理设计实现密封；(3)空间载荷重量及尺寸首先，需要采取合理方案降低总体包络尺寸。以上要求目前地面水提取设备均无法达到。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，通过钻取输送与加热密封一体化设计，解决了月面极区真空环境下水提取的难题。
本发明解决技术的方案是：
一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，包括钻进驱动模块、波纹管、螺旋钻具、下套筒、月壤通止阀、月壤搅拌驱动模块、水汽冷凝存储模块、水蒸气导管、月壤存储容器、加热搅拌螺旋叶片和加载丝杠；其中，驱动模块输出轴轴向竖直向下放置；螺旋钻具与驱动模块的输出轴对接；加载丝杠与钻进驱动模块的侧壁固连；波纹管设置在驱动模块底部，且波纹管套装在螺旋钻具外壁；下套筒同轴设置在波纹管的轴向底端；加载丝杠实现驱动钻进驱动模块、波纹管、螺旋钻具、下套筒整体沿竖直方向移动；月壤存储容器为椭球形中空壳体；月壤存储容器与下套筒的侧壁连通；月壤通止阀设置在月壤存储容器与下套筒连通处下部；加热搅拌螺旋叶片设置在月壤存储容器的中心处；月壤搅拌驱动模块设置在月壤存储容器下方，月壤搅拌驱动模块输出端与加热搅拌螺旋叶片对接，实现驱动加热搅拌螺旋叶片旋转；水汽冷凝存储模块设置在月壤存储容器的一侧；水汽冷凝存储模块与月壤存储容器之间通过水蒸气导管连通。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述波纹管实现沿轴向的压缩；波纹管的最大压缩比为1:5。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述水资源提取密封装置钻取月壤的过程为：
加载丝杠驱动钻进驱动模块、波纹管、螺旋钻具、下套筒竖直向下移动，直至下套筒的轴向底端与外部月表接触；加载丝杠继续驱动钻进驱动模块和螺旋钻具竖直向下移动，波纹管呈压缩状态压紧下套筒，实现下套筒在波纹管的弹性力作用下压紧在月球表面；钻进驱动模块驱动螺旋钻具旋转，在加载丝杠竖直向下的作用下，螺旋钻具伸入月表实现对月壤的切削；
加载丝杠驱动钻进驱动模块和螺旋钻具竖直向上移动，切碎的月壤通过螺旋钻具与下套筒形成的螺旋通道旋转上升，实现月壤提取。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述提取月壤水资源的过程为：
提取的月壤通过螺旋钻具与下套筒形成的螺旋通道进入月壤存储容器；月壤搅拌驱动模块驱动加热搅拌螺旋叶片顺时针旋转，加热搅拌螺旋叶片与月壤存储容器中的月壤充分搅拌接触并对月壤加热；将月壤中的水份加热至水蒸气，水蒸气通过水蒸气导管进入水汽冷凝存储模块，在水汽冷凝存储模块的冷凝作用下，形成液态水存储在水汽冷凝存储模块中。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述月壤存储容器的内壁和下套筒的内壁均设置有隔热材料，降低月壤存储容器内的热量损失。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述加热搅拌螺旋叶片采用宽螺旋叶片构型，加热搅拌螺旋叶片采用翼高为1mm的浅翼螺旋叶片；下套筒的内壁与加热搅拌螺旋叶片外壁的间隙为1-2mm；保证下套筒与加热搅拌螺旋叶片之间运动不干涉，且实现将切碎的月壤挤压密实输送至月壤存储容器中。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，在提取月壤水资源的过程中，月壤存储容器中月壤量的增加和波纹管的压缩，均实现降低水蒸气体积，提高月壤存储容器内的压强，实现水蒸气的气压大于800Pa。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，在波纹管压缩弹性力作用下，下套筒嵌入月壤表面深度大于2cm；且螺旋钻具采用浅翼螺旋翼进行对月壤挤压密实输送；实现对水蒸气进行了2次密封，减少水蒸气损失。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，星壤通止阀在钻取月壤和提取水资源过程中为闭合状态；当钻取月壤中的水资源提取完成后，打开星壤通止阀，月壤搅拌驱动模块驱动加热搅拌螺旋叶片逆时针旋转，将残余月壤通过星壤通止阀派出至螺旋钻具与下套筒形成的螺旋通道中；同时钻进驱动模块驱动螺旋钻具反向旋转，将残余月壤在排出时不暴漏在真空中。
在上述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，所述螺旋钻具的外壁设置有低吸收率涂层；实现螺旋钻具周边的月壤处于结冰温度，再次实现降低增加水蒸气流阻，减少水蒸气损失。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)本发明利用密实低温星壤对水蒸气流动迁移的阻碍效应，设计了一种多级星壤密封结构。其中一级利用窄翼螺旋的挤压密实输送原理，结合月球极区的低温环境实现密封；同时另一级利用极区原位月壤的对水蒸气的低温阻隔效应，形成二级密封。通过以上两级密封的串联效应，保证月壤钻进过程800Pa压强水蒸气的有效密封；
(2)本发明对月壤容器进行隔热存储，有效隔离极区低温环境，降低能量损失；加热搅拌螺旋的大宽翼螺旋结构，增加了加热模块与月壤的接触面积，提高加热效率；月壤搅拌驱动模块驱动加热搅拌螺旋回转，实现月壤对流传热，进一步提高加热效率。以上多种措施共同作用，实现月壤的高效加热。
(3)本发明中钻进驱动模块与下套筒之间采用高压缩比弹性波纹管连接，即避免了套筒结构带来钻进空间避让问题；同时有效压缩水蒸气残留体积，提高水蒸气利用率。钻进过程中可用波纹管弹性阈值，实现下套筒月壤密封嵌入又避免带来钻进力载过大难题；
(4)本发明利用加热搅拌螺旋与螺旋钻具的功能复用实现月壤辅助排放，降低了星壤排卸环节的结构设计复杂度；采用旋转开关开闭的星壤通止阀连通月壤存储容器与下套筒，将排卸月壤通道设置在多次星壤水蒸气密封结构内实现自密封。
附图说明
图1为本发明水资源提取与密封一体化装置示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步阐述。
本发明设计了一种面向月球极区真空环境下次表层星壤水资源提取与密封方案，通过钻取输送与加热密封一体化设计，解决了月面极区真空环境下水提取的难题。
本发明利用密实低温星壤对水蒸气流动迁移的阻碍效应，设计了一种多级星壤密封结构。月面水资源提取与密封一体化装置的组成具体如图1所示，包括钻进驱动模块1、波纹管2、螺旋钻具3、下套筒4、月壤通止阀5、月壤搅拌驱动模块6、水汽冷凝存储模块7、水蒸气导管8、月壤存储容器9、加热搅拌螺旋叶片10和加载丝杠11；其中，驱动模块1输出轴轴向竖直向下放置；螺旋钻具3与驱动模块1的输出轴对接；加载丝杠11与钻进驱动模块1的侧壁固连；波纹管2设置在驱动模块1底部，且波纹管2套装在螺旋钻具3外壁；下套筒4同轴设置在波纹管2的轴向底端；加载丝杠11实现驱动钻进驱动模块1、波纹管2、螺旋钻具3、下套筒4整体沿竖直方向移动；月壤存储容器9为椭球形中空壳体；月壤存储容器9与下套筒4的侧壁连通；月壤通止阀5设置在月壤存储容器9与下套筒4连通处下部；加热搅拌螺旋叶片10设置在月壤存储容器9的中心处；月壤搅拌驱动模块6设置在月壤存储容器9下方，月壤搅拌驱动模块6输出端与加热搅拌螺旋叶片10对接，实现驱动加热搅拌螺旋叶片10旋转；水汽冷凝存储模块7设置在月壤存储容器9的一侧；水汽冷凝存储模块7与月壤存储容器9之间通过水蒸气导管8连通。波纹管2实现沿轴向的压缩；波纹管2的最大压缩比为1:5。
为了实现月球极区月壤钻进功能，采用了由钻进驱动模块1，波纹管2，螺旋钻具3，下套筒4，加载丝杠11组成的整体输送机构。其中钻进输送模块1驱动钻具3执行回转月球冻土切削运动。钻进输送模块1、钻具3、波纹管2、下套筒4组成的组合体被加载丝杠11驱动可执行上下运动，实现月壤钻进过程中的进给与提钻。水资源提取密封装置钻取月壤的过程为：加载丝杠11驱动钻进驱动模块1、波纹管2、螺旋钻具3、下套筒4竖直向下移动，直至下套筒4的轴向底端与外部月表接触；加载丝杠11继续驱动钻进驱动模块1和螺旋钻具3竖直向下移动，波纹管2呈压缩状态压紧下套筒4，实现下套筒4在波纹管2的弹性力作用下压紧在月球表面；钻进驱动模块1驱动螺旋钻具3旋转，在加载丝杠11竖直向下的作用下，螺旋钻具3伸入月表实现对月壤的切削；月壤被切碎后，加载丝杠11驱动钻进驱动模块1和螺旋钻具3竖直向上移动，切碎的月壤通过螺旋钻具3与下套筒4形成的螺旋通道旋转上升，实现月壤提取。为了实现钻进输送结构的紧凑化，采用波纹管2连接下套筒4与钻进驱动模块1组合结构。其中波纹管2采用具有高压缩比1:5的压缩波纹管，实现将下套筒4保持在月球表面上，螺旋钻具3可以正常下钻。
本发明采用下套筒4和螺旋钻具3组合形成的螺旋通道将月壤输送入月壤容器9中。其中，螺旋钻具3实现月面以下月壤切削破碎并将破碎后的月壤碎屑输送到月球表面。下套筒4在波纹管2的弹性力作用下压紧在月球表面，迫使月壤碎屑排出月球表面后进入下套筒4与螺旋钻具3形成的螺旋通道中，并在螺旋钻具3回转驱动下进入月壤容器9中。具体的提取月壤水资源的过程为：提取的月壤通过螺旋钻具3与下套筒4形成的螺旋通道进入月壤存储容器9；月壤搅拌驱动模块6驱动加热搅拌螺旋叶片10顺时针旋转，加热搅拌螺旋叶片10与月壤存储容器9中的月壤充分搅拌接触并对月壤加热；将月壤中的水份加热至水蒸气，水蒸气通过水蒸气导管8进入水汽冷凝存储模块7，在水汽冷凝存储模块7的冷凝作用下，形成液态水存储在水汽冷凝存储模块7中。本发明的主要提水原理为采用加热搅拌螺旋10实现对切碎的月壤中水份提取与收集。通过加热搅拌螺旋10对月壤存储容器9中的月壤执行加热，将月壤中水份变成水蒸气。水蒸气通过水蒸气导管8进入水蒸气冷凝存储模块7中，凝结成液态水存储于水蒸气冷凝存储模块7的容器中。
为了提高月壤加热效率，加热搅拌螺旋叶片10采用宽螺旋叶片构型，加热搅拌螺旋叶片10采用翼高为1mm的浅翼螺旋叶片；通过增大与月壤接触面积提高加热效率。月壤搅拌驱动模块6驱动加热搅拌螺旋10回转，对月壤存储容器9进行翻炒，进一步提高加热效率。下套筒4的内壁与加热搅拌螺旋叶片10外壁的间隙为1-2mm；保证下套筒4与加热搅拌螺旋叶片10之间运动不干涉，且实现将切碎的月壤挤压密实输送至月壤存储容器9中。同时，月壤存储容器9的内壁和下套筒4的内壁均设置有隔热材料，降低月壤存储容器9内的热量损失。月壤存储容器9设置的隔热存储，有效隔离极区低温环境，降低能量损失；此外对加热搅拌螺旋叶片10的大宽翼螺旋结构设计，增加了加热模块与月壤的接触面积，提高加热效率；月壤搅拌驱动模块驱动加热搅拌螺旋回转，实现月壤对流传热，进一步提高加热效率。以上多种措施共同作用，实现月壤的高效加热。
在提取月壤水资源的过程中，月壤存储容器9中月壤量的增加和波纹管2的压缩，均可进一步降低水蒸气体积，提高压强。实现降低水蒸气体积，提高月壤存储容器9内的压强，实现水蒸气的气压大于800Pa。在波纹管2压缩弹性力作用下，下套筒4嵌入月壤表面深度大于2cm；且螺旋钻具3采用浅翼螺旋翼进行对月壤挤压密实输送；实现对水蒸气进行了2次密封，减少水蒸气损失。另外本发明在设计螺旋钻具3时，在螺旋钻具3的外壁设置有低吸收率涂层；实现螺旋钻具3周边的月壤处于结冰温度，再次实现降低增加水蒸气流阻，减少水蒸气损失。
本发明提供的装置能够实现对水蒸气的二级密封：其中一级利用窄翼加热搅拌螺旋叶片10的挤压密实输送原理，结合月球极区的低温环境实现密封；同时另一级利用极区原位月壤的对水蒸气的低温阻隔效应，形成二级密封。通过以上两级密封的串联效应，保证月壤钻进过程800Pa压强水蒸气的有效密封。
星壤通止阀5在钻取月壤和提取水资源过程中为闭合状态；当钻取月壤中的水资源提取完成后，打开星壤通止阀5，月壤搅拌驱动模块6驱动加热搅拌螺旋叶片10逆时针旋转，将残余月壤通过星壤通止阀5派出至螺旋钻具3与下套筒4形成的螺旋通道中；同时钻进驱动模块1驱动螺旋钻具3反向旋转，将残余月壤在排出时不暴漏在真空中。
本装置在钻进驱动模块1与下套筒4之间采用高压缩比弹性波纹管2连接，即避免了下套筒4结构带来钻进空间避让问题；同时有效压缩水蒸气残留体积，提高水蒸气利用率。钻进过程中可用波纹2管弹性阈值，实现下套筒月壤密封嵌入又避免带来钻进力载过大难题。此外本发明利用加热搅拌螺旋叶片10与螺旋钻具3的功能复用实现月壤辅助排放，降低了星壤排卸环节的结构设计复杂度；采用旋转开关开闭的星壤通止阀5连通月壤存储容器9与下套筒4，将排卸月壤通道设置在多次星壤水蒸气密封结构内实现自密封。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：包括钻进驱动模块(1)、波纹管(2)、螺旋钻具(3)、下套筒(4)、月壤通止阀(5)、月壤搅拌驱动模块(6)、水汽冷凝存储模块(7)、水蒸气导管(8)、月壤存储容器(9)、加热搅拌螺旋叶片(10)和加载丝杠(11)；其中，驱动模块(1)输出轴轴向竖直向下放置；螺旋钻具(3)与驱动模块(1)的输出轴对接；加载丝杠(11)与钻进驱动模块(1)的侧壁固连；波纹管(2)设置在驱动模块(1)底部，且波纹管(2)套装在螺旋钻具(3)外壁；下套筒(4)同轴设置在波纹管(2)的轴向底端；加载丝杠(11)实现驱动钻进驱动模块(1)、波纹管(2)、螺旋钻具(3)、下套筒(4)整体沿竖直方向移动；月壤存储容器(9)为椭球形中空壳体；月壤存储容器(9)与下套筒(4)的侧壁连通；月壤通止阀(5)设置在月壤存储容器(9)与下套筒(4)连通处下部；加热搅拌螺旋叶片(10)设置在月壤存储容器(9)的中心处；月壤搅拌驱动模块(6)设置在月壤存储容器(9)下方，月壤搅拌驱动模块(6)输出端与加热搅拌螺旋叶片(10)对接，实现驱动加热搅拌螺旋叶片(10)旋转；水汽冷凝存储模块(7)设置在月壤存储容器(9)的一侧；水汽冷凝存储模块(7)与月壤存储容器(9)之间通过水蒸气导管(8)连通。
2.根据权利要求1所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述波纹管(2)实现沿轴向的压缩；波纹管(2)的最大压缩比为1:5。
3.根据权利要求2所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述水资源提取密封装置钻取月壤的过程为：
加载丝杠(11)驱动钻进驱动模块(1)、波纹管(2)、螺旋钻具(3)、下套筒(4)竖直向下移动，直至下套筒(4)的轴向底端与外部月表接触；加载丝杠(11)继续驱动钻进驱动模块(1)和螺旋钻具(3)竖直向下移动，波纹管(2)呈压缩状态压紧下套筒(4)，实现下套筒(4)在波纹管(2)的弹性力作用下压紧在月球表面；钻进驱动模块(1)驱动螺旋钻具(3)旋转，在加载丝杠(11)竖直向下的作用下，螺旋钻具(3)伸入月表实现对月壤的切削；
加载丝杠(11)驱动钻进驱动模块(1)和螺旋钻具(3)竖直向上移动，切碎的月壤通过螺旋钻具(3)与下套筒(4)形成的螺旋通道旋转上升，实现月壤提取。
4.根据权利要求3所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述提取月壤水资源的过程为：
提取的月壤通过螺旋钻具(3)与下套筒(4)形成的螺旋通道进入月壤存储容器(9)；月壤搅拌驱动模块(6)驱动加热搅拌螺旋叶片(10)顺时针旋转，加热搅拌螺旋叶片(10)与月壤存储容器(9)中的月壤充分搅拌接触并对月壤加热；将月壤中的水份加热至水蒸气，水蒸气通过水蒸气导管(8)进入水汽冷凝存储模块(7)，在水汽冷凝存储模块(7)的冷凝作用下，形成液态水存储在水汽冷凝存储模块(7)中。
5.根据权利要求4所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述月壤存储容器(9)的内壁和下套筒(4)的内壁均设置有隔热材料，降低月壤存储容器(9)内的热量损失。
6.根据权利要求5所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述加热搅拌螺旋叶片(10)采用宽螺旋叶片构型，加热搅拌螺旋叶片(10)采用翼高为1mm的浅翼螺旋叶片；下套筒(4)的内壁与加热搅拌螺旋叶片(10)外壁的间隙为1-2mm；保证下套筒(4)与加热搅拌螺旋叶片(10)之间运动不干涉，且实现将切碎的月壤挤压密实输送至月壤存储容器(9)中。
7.根据权利要求6所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：在提取月壤水资源的过程中，月壤存储容器(9)中月壤量的增加和波纹管(2)的压缩，均实现降低水蒸气体积，提高月壤存储容器(9)内的压强，实现水蒸气的气压大于800Pa。
8.根据权利要求7所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：在波纹管(2)压缩弹性力作用下，下套筒(4)嵌入月壤表面深度大于2cm；且螺旋钻具(3)采用浅翼螺旋翼进行对月壤挤压密实输送；实现对水蒸气进行了2次密封，减少水蒸气损失。
9.根据权利要求8所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：星壤通止阀(5)在钻取月壤和提取水资源过程中为闭合状态；当钻取月壤中的水资源提取完成后，打开星壤通止阀(5)，月壤搅拌驱动模块(6)驱动加热搅拌螺旋叶片(10)逆时针旋转，将残余月壤通过星壤通止阀(5)派出至螺旋钻具(3)与下套筒(4)形成的螺旋通道中；同时钻进驱动模块(1)驱动螺旋钻具(3)反向旋转，将残余月壤在排出时不暴漏在真空中。
10.根据权利要求9所述的一种集约式月面水资源提取与密封一体化装置，其特征在于：所述螺旋钻具(3)的外壁设置有低吸收率涂层；实现螺旋钻具(3)周边的月壤处于结冰温度，再次实现降低增加水蒸气流阻，减少水蒸气损失。
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