CN112693901A - 一种火星钻屑气力输送系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火星钻屑气力输送系统及其工作方法。所述输送系统包括大气增压装置、气源系统、钻屑气力输送机构和控制系统；所述大气增压装置收集火星表面的大气进行增压，压差产生高的风速，带动火星土壤运动；所述气源系统让大气增压后的气体输送至钻屑气力输送机构；所述钻屑气力输送机构利用气源系统输送来的气体工作；所述控制系统控制整个输送系统的工作。本发明首次实现了原位大气收集及气力输送结合的颗粒方式。

Description

一种火星钻屑气力输送系统及其工作方法

技术领域

本发明属于火星探测领域，具体涉及一种火星钻屑气力输送系统及其工作方法。

背景技术

采用探测机具实现地外天体深探，需要将钻孔内的土壤排出使得机具与土壤发生空间置换而潜入。传统的钻杆连续排屑方式结构重量大、深钻多杆组接系统复杂，且排屑作用面长、负载大；铲斗式排屑方式需在星表额外设置倾倒和复位机构，提升时的振动易使斗内土壤掉落，且会刮擦孔壁，破坏孔壁稳定性；滑轮绳索方式相当于将铲斗方式连续化，将铲斗缩小附着于绳索上或直接以绳索黏附土壤，单次能携带的土壤较少，可能存在输送效率较低的问题；利用表面结构仿生蠕动排屑的方式尚停留在概念阶段，未见实物报道。

面向地外天体探测需求的土壤气力输送技术自20世纪90年代初提出后，除在星壤钻孔气力辅助排屑应用外，还衍生出星壤气力采样与输送、星壤气力挖掘与贯入等多种应用形式。但总体而言国内外开展的相关研究较少，且应用背景多为月球真空环境下的星壤气力操作，由探测器携带高压气源进行一次性吹除使用。对于火星稀薄大气环境下的土壤气力操作问题研究较少；在火星表面利用空压机对火星大气进行原位收集增压并供给气力输送系统作为高压气源属于较为新颖的应用形式。另一方面，目前已开展的研究中以实验研究及可行性验证为主，对于气力输送过程的基本特性研究有待进一步深化。

发明内容

本发明提供一种火星钻屑气力输送系统及其工作方法，首次实现了原位大气收集及气力输送结合的颗粒方式。

本发明通过以下技术方案实现：

一种火星钻屑气力输送系统，所述输送系统包括大气增压装置、气源系统、钻屑气力输送机构和控制系统；

所述大气增压装置收集火星表面的大气进行增压，压差产生高的风速，带动火星土壤运动；

所述气源系统让大气增压后的气体输送至钻屑气力输送机构；

所述钻屑气力输送机构利用气源系统输送来的气体工作；

所述控制系统控制整个输送系统的工作。

进一步的，所述大气增压装置包括空气压缩机、储气罐；所述气源系统包括包括储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器；所述钻屑气力输送包括输气管路；所述输气管路通过输气管与电动阀Ⅰ相连接，所述电磁阀分别与继电器和气体质量流量控制器相连接，所述气体质量流量控制器和继电器均与电动阀Ⅱ相连接，所述电动阀Ⅱ与储气罐相连接，所述储气罐分别与空气压缩机和压力计相连接，所述压力计和空气压缩机分别与中心控制器连接；所述输气管路还与位移检测模块相连接。

一种火星钻屑气力输送系统，所述输送系统包括空气压缩机、储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器、继电器模块、中心控制器、位移检测模块、输气管、输气管路和压力计；所述空气压缩机将气流输送至储气罐，所述储气罐中的气流经过电动阀Ⅱ输送至气体质量流量控制器，所述气体质量流量控制器的气流经过电动阀Ⅰ和输气管输送至输气管路；

所述输气管路将位移信号传输至中心控制器，所述中心控制器将控制性分别发送至气体质量流量控制器、继电器模块和空气压缩机，所述储气罐通过压力传感器将压力信号发送至中心控制器。

进一步的，所述输气管路为包卷式输气管路。

一种火星钻屑气力输送系统的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

步骤1：空气压缩机在火星表面对火星的大气进行原位收集增压，并将收集的高压气体供给至储气罐储存；

步骤2：当压力计检测到储气罐压力达到压力值P₁时，P₁为0.3-0.5Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机停止工作；

步骤3：当压力计检测到储气罐压力小于压力值P₂时，P₂为0.3Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机重新开始工作；

步骤4：当位移检测模块检测到土壤钻屑颗粒被运移到机器人上端并积累到高度h后，把信号传递给中心控制器；

步骤5：中心控制器通过继电器模块来打开气动控制阀来对输气管进行供气；

步骤6：气流在压力驱动下沿输气管路向下流动至钻探机器人的上端，并经喷气口排出，将机器人上端堆积的土壤钻屑沿收缩管路输送至孔外，将积累的土壤钻屑进行一次性排除，此时光电控制器检测到h为0，气动控制阀关闭，等待下一次土壤高度达到指定值。

本发明的有益效果是：

1.本发明通过位于火星表面支持设备中的空压机和储气罐实现对火星大气的原位收集增压与存储，由此高压气源可以源源不断地通过输气管路输送至潜入机器人顶端，并将钻孔中的钻屑沿钻孔输送至星表吹除，满足探测机具的长期工作需求。

2.本发明质量小，整个装置可以卷收，占用空间小，有利于探测器搭载,系统布置灵活；采用空压机功率小，实现大储能，降低探测器供电需求；采用间歇输送的方式以指定高度输送来达到一次性清除效率高，采用收缩管路稳定性高。采用指定流速来做到压降最小，使得最经济。

3.本发明采用了包卷式的土壤输送管路，包卷携带式占用空间小，采用收缩管路不破坏孔壁，具有高的稳定性，同时提高输送效率

4.本发明使用灵活，能根据实际工况改变控制程序调整输送形式，可通过控制气体流量采用经济气速连续输送，或者间歇脉冲输送等，对复合或复杂工况的适应性强

附图说明

图1本发明的工作原理图。

图2本发明的系统组成图。

图3本发明的IBR机器人的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种火星钻屑气力输送系统，所述输送系统包括大气增压装置、气源系统、钻屑气力输送机构和控制系统；

所述大气增压装置收集火星表面的大气进行增压，压差产生高的风速，带动火星土壤运动；

所述气源系统让大气增压后的气体输送至钻屑气力输送机构；

所述钻屑气力输送机构利用气源系统输送来的气体工作；

所述控制系统控制整个输送系统的工作。

进一步的，所述大气增压装置包括空气压缩机、储气罐；所述气源系统包括包括储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器；所述钻屑气力输送包括输气管路；所述输气管路通过输气管与电动阀Ⅰ相连接，所述电磁阀分别与继电器和气体质量流量控制器相连接，所述气体质量流量控制器和继电器均与电动阀Ⅱ相连接，所述电动阀Ⅱ与储气罐相连接，所述储气罐分别与空气压缩机和压力计相连接，所述压力计和空气压缩机分别与中心控制器连接；所述输气管路还与位移检测模块相连接。

一种火星钻屑气力输送系统，所述输送系统包括空气压缩机、储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器、继电器模块、中心控制器、位移检测模块、输气管、输气管路和压力计；所述空气压缩机将气流输送至储气罐，所述储气罐中的气流经过电动阀Ⅱ输送至气体质量流量控制器，所述气体质量流量控制器的气流经过电动阀Ⅰ和输气管输送至输气管路；

所述输气管路将位移信号传输至中心控制器，所述中心控制器将控制性分别发送至气体质量流量控制器、继电器模块和空气压缩机，所述储气罐通过压力传感器将压力信号发送至中心控制器。

进一步的，所述输气管路为包卷式输气管路。

进一步的，所述包卷式输气管路包括

一种火星钻屑气力输送系统的工作方法，所述工作方法包括以下步骤：

步骤1：空气压缩机在火星表面对火星的大气进行原位收集增压，并将收集的高压气体供给至储气罐储存；

步骤2：当压力计检测到储气罐压力达到压力值P₁时，P₁为0.3-0.5Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机停止工作；

步骤3：当压力计检测到储气罐压力小于压力值P₂时，P₂为0.3Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机重新开始工作；

步骤4：当位移检测模块检测到土壤钻屑颗粒被运移到机器人上端并积累到高度h后，h＞20mm，把信号传递给中心控制器；

步骤5：中心控制器通过继电器模块来打开气动控制阀来对输气管进行供气；中心控制器控制气体流量质量控制器来实现供气过程流量的恒定；

步骤6：气流在压力驱动下沿输气管路向下流动至钻探机器人的上端，并经喷气口排出，将机器人上端堆积的土壤钻屑沿收缩管路输送至孔外，将积累的土壤钻屑进行一次性排除，此时光电控制器检测到h为0，气动控制阀关闭，等待下一次土壤高度达到指定值。

实施例2

空压机将在火星表面对火星的大气进行原位收集增压，并将收集的高压气体供给至储气罐储存。压力计用于检测储气罐压力，当检测到储气罐压力达到一定值P₁时，在中心控制器的控制下空气压缩机停止工作，当检测到储气罐压力小于一定值P₂时，在中心控制器的控制下空气压缩机重新开始工作。气动控制阀控制输气管路的开闭，两个气动控制阀分别设置在气体质量流量控制器的入口和出口，可对其起保护作用。继电器控制模块采用接线与中心控制器通讯，通过对继电器的控制，可以实现气动控制阀的开启和关闭，来控制通气时间，气体质量流量控制器控制输气管路内流过的气体的压力/质量流量，使其在供气过程中维持恒定值。颗粒堆积容腔内的初始堆积土壤量过多或过少均不利于土壤钻屑的气力排除；

实验中发现，初始土壤过少时，由于土壤堆积高度较低，而吹气孔仅能将附近的土壤颗粒扬起，导致实际与气流发生作用的颗粒数量较少；初始土壤过多时，颗粒容腔内观察到了类似喷泉的“泉涌”现象，这是由于在有限的气体质量流量条件下，钻屑质量超过了气流的输送能力上限，导致无法进行输送。所以，有必要控制土壤高度h，来控制土壤质量。用位移监测模块来监测高度h,当达到指定h时，中心控制器通过控制继电控制模块来控制气动控制阀以实现供气，当高度h为0时，气动控制阀关闭，停止供气。当控制阀开启时，储气罐内的气流在压力驱动下沿输气管路向下流动至钻探机器人的上端，并经喷气口排出，将机器人上端堆积的土壤一次性排出。

实施例3

图1所示在掘进器上端端部，1.采用间歇输送形式，以达到更高的效率。2.并在上方附加一个收缩管路，在于通过缩小管路直径提高了管内气流速度，且由于替代了钻孔孔壁作为管路边界，气力输送的气固混合流不会对钻孔孔壁的稳定性造成影响。与钻探机器人相连，机器人向下潜入过程中可以随其一起下潜。

图1所示，其中收缩输送管路采用包卷式的结构，其在星表设备中可收卷储存，掘进器下潜时，收卷的输送管在掘进器拉动下释放卷收状态的输送管，释放出的输送管自动包卷成圆柱状的管路，形成气固混合流的输送通道。在输送管从卷收储存状态到包卷成圆柱管路中间的过渡状态时，在其中间设置一个固定的末端引流管，保持管路的完整，经气流输送的钻屑从引流管引出，可以将其直接排出至地面，也可以作为火星次表层土壤的采样样品进行收集以待进一步分析研究。

实施例2

首先空压机将在火星表面对火星的大气进行原位收集增压，并将收集的高压气体供给至储气罐储存，当检测到储气罐压力达到一定值时，在中心控制器的控制下空气压缩机停止工作。

当检测到储气罐压力小于一定值时，在中心控制器的控制下空气压缩机重新开始工作。

当位移检测模块检测到土壤钻屑颗粒被运移到机器人上端并积累到一定高度，把信号传递给中心控制器，中心控制器通过继电器模块来打开气动控制阀来对输气管进行供气，中心控制器控制气体流量质量控制器来实现供气过程流量的恒定。气流在压力驱动下沿输气管路向下流动至钻探机器人的上端，并经喷气口排出，将机器人上端堆积的土壤钻屑沿收缩管路输送至孔外，将积累的土壤钻屑进行一次性排除，此时光电控制器检测到h为0，气动控制阀关闭，等待下一次土壤高度达到指定值。

Claims (5)

1.一种火星钻屑气力输送系统，其特征在于，所述输送系统包括大气增压装置、气源系统、钻屑气力输送机构和控制系统；

所述大气增压装置收集火星表面的大气进行增压，压差产生高的风速，带动火星土壤运动；

所述气源系统让大气增压后的气体输送至钻屑气力输送机构；

所述钻屑气力输送机构利用气源系统输送来的气体工作；

所述控制系统控制整个输送系统的工作。

2.根据权利要求1所述一种火星钻屑气力输送系统，其特征在于，所述大气增压装置包括空气压缩机、储气罐；所述气源系统包括包括储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器；所述钻屑气力输送包括输气管路；所述输气管路通过输气管与电动阀Ⅰ相连接，所述电磁阀分别与继电器和气体质量流量控制器相连接，所述气体质量流量控制器和继电器均与电动阀Ⅱ相连接，所述电动阀Ⅱ与储气罐相连接，所述储气罐分别与空气压缩机和压力计相连接，所述压力计和空气压缩机分别与中心控制器连接；所述输气管路还与位移检测模块相连接。

3.一种火星钻屑气力输送系统，其特征在于，所述输送系统包括空气压缩机、储气罐、电动阀Ⅰ、电动阀Ⅱ、气体质量流量控制器、继电器模块、中心控制器、位移检测模块、输气管、输气管路和压力计；所述空气压缩机将气流输送至储气罐，所述储气罐中的气流经过电动阀Ⅱ输送至气体质量流量控制器，所述气体质量流量控制器的气流经过电动阀Ⅰ和输气管输送至输气管路；

所述输气管路将位移信号传输至中心控制器，所述中心控制器将控制性分别发送至气体质量流量控制器、继电器模块和空气压缩机，所述储气罐通过压力传感器将压力信号发送至中心控制器。

4.根据权利要求1或3所述一种火星钻屑气力输送系统，其特征在于，所述输气管路为包卷式输气管路。

5.根据权利要求1或3所述一种火星钻屑气力输送系统的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括以下步骤：

步骤1：空气压缩机在火星表面对火星的大气进行原位收集增压，并将收集的高压气体供给至储气罐储存；

步骤2：当压力计检测到储气罐压力达到压力值P₁时，P₁为0.3-0.5Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机停止工作；

步骤3：当压力计检测到储气罐压力小于压力值P₂时，P₂为0.3Mpa，在中心控制器的控制下空气压缩机重新开始工作；

步骤4：当位移检测模块检测到土壤钻屑颗粒被运移到机器人上端并积累到高度h后，把信号传递给中心控制器；

步骤5：中心控制器通过继电器模块来打开气动控制阀来对输气管进行供气；

步骤6：气流在压力驱动下沿输气管路向下流动至钻探机器人的上端，并经喷气口排出，将机器人上端堆积的土壤钻屑沿收缩管路输送至孔外，将积累的土壤钻屑进行一次性排除，此时光电控制器检测到h为0，气动控制阀关闭，等待下一次土壤高度达到指定值。

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