CN113375970A - 一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置及其方法，包括：试验腔体、月基模拟组件、微波控制组件、钻进组件、温度控制组件和压力控制组件；试验腔体用于放置待测岩石；月基模拟组件用于控制试验腔体内的压力来模拟月球表面环境；微波控制组件用于产生微波和向待测岩石发射微波；钻进组件用于钻进待测岩石进行取样；温度控制组件和压力控制组件用于控制待测岩石的温度和围压。本发明提供的装置和方法能够模拟待测岩石在月基环境下不同温度和压力工况，经过微波辅助破岩后的破岩效果，具有较强的科研价值，为月球资源和空间的勘探和开发提供技术支持。

Description

一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置及其方法

技术领域

本发明属于深空探测、月基资源勘探开发和岩土工程领域，具体涉及一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置及其方法。

背景技术

月壤，即是月球的土壤，在月球上，它虽然是唾手可得的物质，但是对地球人来说却蕴藏着巨大的科学价值。研究月壤，将有利于人类加深对月球本身的了解，深化对月壤、月壳和月球形成演化的认识，进一步了解月球的状态、温度、物质含量等重要信息，尤其是氦-3。除此之外，由于月壤隔断了月球固体岩石圈与太阳系空间，宇宙中所有的物质降临月球时，如陨石撞击、宇宙辐射等，都会最先接触到月壤，这里面包含着相关区域的大量信息。

但是目前的月基钻探技术获取的月壤月岩样品埋深较浅，带回的月球样本以月壤为主，科学研究也大部分集中在月球表面，这些只是月球的表层部分，而月心的岩石构成和物质元素一直没有研究，这才是月球的主体和研究月球形成的主要依据。这就需要对月球的岩石进行深度取样，根据现有的月球表层岩石特征，月岩可钻等级高、脆性强，不同深度月岩特性各不相同，一般来说深度越深，温度和压力越高。已有研究表明硬岩作为一种典型的脆性材料，一旦其内部出现裂纹则会导致其强度的大幅下降，因此可以通过特有的技术手段对硬岩进行预处理，使其内部出现大量裂纹之后再进行钻进作业，从而大幅提升钻进效率和减少破岩能耗。而微波破岩由于其效率高、选择性加热及无二次污染等特点对硬岩进行致裂从而达到弱化硬岩的目的，钻孔取芯，提高月基破岩取芯效率，因此采用微波辅助破岩进行月球深层取样研究，为未来月球勘探打下基础。

发明内容

为了解决现有技术的不足以及上述改进需求，本发明提供了一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置及其方法，其目的在于实现月基环境不同深度下的微波辅助破岩模拟。

本发明采用的技术方案为：

一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置包括：试验腔体、月基模拟组件、微波控制组件、钻进组件、温度控制组件和压力控制组件；

所述试验腔体用于放置待试验的待测岩石；

所述月基模拟组件与试验腔体连接，用于控制试验腔体内的压力来模拟月球表面环境，一般采用真空装置将试验腔体内抽成真空；

所述微波控制组件设置在试验腔体上，用于产生微波和向待测岩石发射微波，使其局部升温从而产生裂纹，产生裂纹后的岩石物理结构强度变低，便于钻孔取样；

所述钻进组件设置在试验腔体上用于钻进待测岩石进行取样；

所述温度控制组件设置在试验腔体内用于控制待测岩石的温度；所述压力控制组件设置在试验腔体内用于控制待测岩石的围压；通过控制待测岩石的温度和围压来模拟岩石在月基环境不同深度的赋存环境。

进一步的：所述微波控制组件包括依次连接的微波源、导波管、微波发射盘，所述微波源设置在试验腔体外用于产生微波，所述导波管外端与微波源连接，另一端伸入试验腔体与微波发射盘连接，用于传导微波，所述微波发射盘设置在待测岩石的上方用于向其发射微波。

进一步的：所述导波管上设置有伸缩装置，使其能够带着微波发射盘升降；所述伸缩装置能够使导波管长度变长或者缩短，从而带动微波发射盘升降，下降时使微波发射盘靠近待测岩石，使微波发射更靠近破岩点发射更精准，微波发射完成后缩回微波发射盘，方便钻进组件钻进和获取岩石样本。

进一步的：所述钻进组件包括用于钻进待测岩石进行取样的取芯钻头和驱动取芯钻头钻进的钻进电机，导波管和微波发射盘设置在取芯钻头中心。

进一步的：所述装置还包括控制器，所述控制器与月基模拟组件、微波控制组件、钻进组件、温度控制组件、压力控制组件电连接。

进一步的：所述试验腔体内设置有与控制器信号连接的红外摄像仪和X射线拍摄装置。

进一步的：所述温度控制组件包括设置在试验腔体内的加热器、制冷器和温度传感器，加热器和制冷器采用辐射或传导的方式对待测岩石进行加热或制冷。

进一步的：所述压力控制组件包括设置在待测岩石侧面的多个加压板，加压板内侧面设置有压力传感器并与待测岩石接触，外侧面通过液压缸与试验腔体侧壁连接。

进一步的：所述加压板两侧沿上下方向设置有多个交叉臂，交叉臂之间设置有穿过相邻加压板的交叉臂的交叉槽。

基于上述模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，本发明还提供了一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩方法，包括以下步骤：

步骤S1.试验选取不同硬度的待测岩石放入试验腔体，然后密闭试验腔体月基模拟组件抽真空模拟月基环境；

步骤S2.温度控制组件、压力控制组件调整待测岩石的温度和压力，模拟不同深度下待测岩石的赋存环境；

步骤S3.打开微波控制组件，调节微波发射盘位置靠近待测岩石部位，进行微波加热；

步骤S4.微波辅助破岩结束关闭微波控制组件，通过伸缩装置提升微波发射盘远离破岩面；

步骤S5.根据钻进不同深度待测岩石的硬度、力学特性以及待测岩石成分，调整钻进电机具参数，包括冲击频率、冲击振幅、进给速率以及转数等参数；

步骤S6.打开钻进组件，进行取芯作业，获得目标岩芯；

步骤S7.关闭电源端，检查设备；重复上述步骤，进行下一次作业。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明提供的模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，采用真空试验腔体、钻机、温度和压力控制组件，真空试验腔体模拟月基真空环境，温度和压力控制组件控制待测岩石温度和压力，岩石深度越深温度和压力越高，在多次试验中分别设置不同的温度和压力来模拟岩石在不同深度的环境，然后进行微波联合钻机高效破岩试验，模拟效果好；

2、本发明的微波发射盘设置在取芯钻头中心，微波发射面贴近取芯钻头正对的待测岩石，微波加热效率高；

3、本发明设置有伸缩装置能够使导波管长度变长或者缩短，从而带动微波发射盘升降，使微波发射更靠近破岩点发射更精准，微波发射完成后缩回微波发射盘，方便钻进组件钻进和获取岩石样本；

4、本发明提供的模拟月基环境不同深度微波辅助破岩方法，模拟月球高真空环境中不同深度的待测岩石在不同温度和压力工况，经过微波辅助破岩后的破岩效果，并且实现实时数据采集，具有较强的科研价值，为月球资源和空间的勘探和开发提供技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是微波控制组件示意图；

图3是钻进组件和微波控制组件示意图；

图4是压力控制组件立体视图；

图5是本发明电连接示意图。

附图标记说明如下：

1、微波控制组件；2、试验腔体；3、托盘；4、压力控制组件；41、加压板；42、压力传感器；43、液压缸；44、交叉臂；45、交叉槽；5、钻进组件；51、取芯钻头；52、钻进电机；6、温度控制组件；7、微波源；71、电源；72、变压器；73、控制电路；8、导波管；9、微波发射盘；10、伸缩装置；11、红外摄像仪；12、X射线拍摄装置；13、控制器；14、月基模拟组件；15、封闭闸门；16、待测岩石。

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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-图5所示，一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置包括：包括：试验腔体2、月基模拟组件14、微波控制组件1、钻进组件5、温度控制组件6和压力控制组件4；

其中，试验腔体2用于放置待试验的待测岩石16，在具体实现中，作为一种实施例，如图1试验腔体2内设置有托盘3来放置待测岩石16；

其中，月基模拟组件14与试验腔体2连接，用于控制试验腔体2内的压力来模拟月球表面环境，一般采用真空装置将试验腔体2内抽成真空，这就要求试验腔体2采用密闭结构，一般采用压力容器的标准进行设计，以能够承受真空带来的巨大负压和保持密封；同时为了方便取放待测岩石16，在试验腔体2一侧设置有封闭闸门15。

其中，微波控制组件1设置在试验腔体2上，用于产生微波和向待测岩石14发射微波，使其局部升温从而产生裂纹，产生裂纹后的岩石物理结构强度变低，便于钻孔取样；

其中，钻进组件5设置在试验腔体2上用于钻进待测岩石进行取样；由于本发明主要是深度钻取，所以钻进的方向主要是向下，所以钻进组件5和微波控制组件1都设置在试验腔体2的上方，为了保持试验腔体2的真空环境，钻进组件5与试验腔体2连接的地方设置有密封装置。

其中，温度控制组件6设置在试验腔体2内用于控制待测岩石的温度；压力控制组件4设置在试验腔体2内用于控制待测岩石的围压，通过控制待测岩石的温度和围压来模拟岩石在月基环境不同深度的赋存环境。

如图2所示，微波控制组件1包括依次连接的微波源7、导波管8、微波发射盘9，微波源3设置在试验腔体2外用于产生微波，微波源7包括电源71、变压器72和控制电路73，电源71从外部获取电力，然后经过变压器72变压，再经控制电路73控制和转变成微波；所述导波管8外端与微波源7连接，另一端伸入试验腔体2与微波发射盘9连接，用于传导微波，所述微波发射盘9设置在待测岩石16的上方用于向其发射微波。

如图3所示，导波管8上设置有伸缩装置10，使其能够带着微波发射盘9上下升降，所述伸缩装置10能够使导波管长度变长或者缩短，从而带动微波发射盘9上下升降，下降时使微波发射盘9靠近待测岩石16，使微波发射更靠近破岩点发射更精准，微波发射完成后缩回微波发射盘9，方便钻进组件5钻进和获取岩石样本。钻进组件5包括用于钻进待测岩石进行取样16的取芯钻头51和驱动取芯钻头钻进的钻进电机52，取芯钻头51由于其取芯结构，钻头横截面为圆环形，使其在钻入时不破坏中心岩石，取出时直接带出岩石样品，该技术在矿山和地质勘探岩石取样广为应用；为了提高微波破岩的效果，导波管8和微波发射盘9设置在取芯钻头51中心，微波发射盘9的发射微波是放射状从内向外发射，所以微波发射盘9设置在取芯钻头51中心正好将取芯钻头51正对的岩石进行加热使其强度降低方便钻入取样。

如图5所示，为了对装置进行自动控制，减少操作人员的操作量和提高控制精度，本发明提供的装置还包括控制器13，控制器13与月基模拟组件14、微波控制组件1、钻进组件5、温度控制组件6、压力控制组件4电连接，接收这几个组件发来的信号同时也向其发出控制信号。控制器13可以是一个处理器，也可以是多个处理元件的统称。例如，处理器可以是一个通用中央处理器(Central Processing Unit，CPU)，也可以是特定应用集成电(application-specific Integrated Circuit，ASIC)，或一个或多个用于控制本申请方案程序执行的集成电路，例如：一个或多个微处理器(Digital Signal Processor，DSP)，或一个或者多个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)。在具体实现中，作为一种实施例，处理器可以包括一个或多个CPU。控制器13还可以包括存储器，其中，存储器可以是只读存储器(read-only memory，ROM)或可存储静态信息和指令的其他类型的静态存储设备，随机存取存储器(randomaccess memory，RAM)或者可存储信息和指令的其他类型的动态存储设备，也可以是电可擦可编程只读存储器(Electrically ErasableProgrammable Read-Only Memory，EEPROM)、只读光盘(Compact Disc Read-Only Memory，CD-ROM))或其他光盘存储、光碟存储(包括压缩光碟、激光碟、光碟、数字通用光碟、蓝光光碟等)、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质，但不限于此。

为了监测试验过程中待测岩石的破碎情况，试验腔体2内设置有与控制器13信号连接的红外摄像仪11和X射线拍摄装置12，通过这两个传感器实时监测微波辅助破岩后的破岩效果并发送给控制器13，便于科研人员观察和储存。

由于月球没有空气，月球的表面温度白天127℃,夜间-183℃，为了模拟月球表面超高温和超低温的环境特征，同时模拟岩石在不同深度温度不同的环境特征，温度控制组件6包括设置在试验腔体内的加热器、制冷器和温度传感器，由控制器13控制加热或者制冷，并由温度传感器反馈温度信号监测待测岩石温度。由于本发明的装置为了模拟月基环境为真空状态，冷和热的传导无法采用对流的形式，所以本发明的加热器和制冷器采用传导或辐射的形式对待测岩石进行加热或制冷。本实施例中采用的辐射传导，加热器和制冷器设置在试验腔体2的内壁上，向待测岩石16辐射热量对其整体进行加热或制冷。

如图4所示，为了给待测岩石施加设定压力来模拟不同深度下待测岩石的赋存环境，压力控制组件4包括设置在待测岩石侧面的四个加压板41，加压板41内侧面设置有压力传感器42并与待测岩石接触，外侧面通过液压缸43与试验腔体侧壁连接，加压板41两侧沿上下方向设置有多个交叉臂44，交叉臂44之间设置有穿过相邻加压板的交叉臂44的交叉槽45，这样四个加压板41可以交叉合拢给待测岩石加压。由于四个加压板41的内部空间限制，待测岩石16再放入试验腔体2前加工成立方体形，放入时每条边正对一个加压板41。

在其他实施例中，对待测岩石16的加热也可以采用传导的形式，该实施例中托盘3和加压板41朝向待测岩石16端面设置有导热管，内通入加热或者制冷介质，通过导热管以传导的形式进行加热或制冷。

基于上述模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，本发明还提供了一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩方法，包括以下步骤：

步骤S1.试验选取不同硬度的待测岩石16放入试验腔体2，然后密闭试验腔体2，月基模拟组件抽真空模拟月基环境；

步骤S2.温度控制组件6、压力控制组件4调整待测岩石16的温度和压力，模拟本次试验设定深度下待测岩石的赋存环境；

步骤S3.打开微波控制组件1，通过伸缩装置10调节微波发射盘9位置靠近待测岩石16部位，进行微波加热；

步骤S4.微波辅助破岩结束关闭微波控制组件1，通过伸缩装置10提升微波发射盘远离破岩面；

步骤S5.根据钻进不同深度待测岩石16的硬度、力学特性以及待测岩石成分，调整钻进电机具参数，包括冲击频率、冲击振幅、进给速率以及转数等参数；

步骤S6.打开钻进组件5，进行取芯作业，获得目标岩芯；

步骤S7.关闭电源端，检查设备；重复上述步骤，进行下一次作业。

下一个测试，步骤S2.温度控制组件6、压力控制组件4调整待测岩石16的温度和压力，提高温度和压力，模拟更深的深度下待测岩石的赋存环境，测试更深的深度下岩石被微波照射后的物理特性和钻取效果。

整个试验过程，参数设置和组件控制均由控制器13完成，试验之前试验员将钻进电机、温度、压力、时间等参数输入控制器13，整个试验过程由控制器13控制完成，并且实验过程中的温度压力等数据和图像采集，均存储在控制器13中。

步骤S2中，由于岩石导热系数低加热慢，放入试验腔体2后进行加热会影响整体实现效率，可以选择在放入实验腔体2之前，将待测岩石16在加热炉中预热至试验温度，需要试验时放入试验腔体2，能够大大缩短试验时间。

步骤S2中，由于本实施例采用的是四个加压板41进行模拟加压，待测岩石16再放入试验腔体2前加工成立方体形，放入时每条边正对一个加压板41。在其他实施例中，如采用六个加压板41进行模拟加压，加压板数量越多加压越稳定和均匀试验效果好，但是试验成本高结构复杂，待测岩石16再放入试验腔体2前加工成六棱柱形，放入时每条边正对一个加压板41。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于，包括：试验腔体、月基模拟组件、微波控制组件、钻进组件、温度控制组件和压力控制组件；

所述试验腔体用于放置待测岩石；

所述月基模拟组件与试验腔体连接，用于控制试验腔体内的压力来模拟月球表面环境；

所述微波控制组件设置在试验腔体上，用于产生微波和向待测岩石发射微波；

所述钻进组件设置在试验腔体上用于钻进待测岩石进行取样；

所述温度控制组件设置在试验腔体内用于控制待测岩石的温度，所述压力控制组件设置在试验腔体内用于控制待测岩石的围压；通过控制待测岩石的温度和围压来模拟岩石在月基环境不同深度的赋存环境。

2.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述微波控制组件包括依次连接的微波源、导波管、微波发射盘，所述微波源设置在试验腔体外用于产生微波，所述导波管外端与微波源连接，另一端伸入试验腔体与微波发射盘连接，用于传导微波，所述微波发射盘设置在待测岩石的上方用于向其发射微波。

3.根据权利要求2所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述导波管上设置有伸缩装置，使其能够带着微波发射盘升降。

4.根据权利要求3所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述钻进组件包括用于钻进待测岩石进行取样的取芯钻头和驱动取芯钻头钻进的钻进电机，所述导波管和微波发射盘设置在取芯钻头中心。

5.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述装置还包括控制器，所述控制器与月基模拟组件、微波控制组件、钻进组件、温度控制组件、压力控制组件电连接。

6.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述试验腔体内设置有红外摄像仪和X射线拍摄装置，用于对试验过程中的待测岩石碎裂情况和钻进情况进行拍摄记录。

7.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述温度控制组件包括设置在试验腔体内的加热器、制冷器和温度传感器，加热器和制冷器采用辐射或传导的方式对待测岩石进行加热或制冷。

8.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述压力控制组件包括设置在待测岩石侧面的多个加压板，加压板内侧面设置有压力传感器并与待测岩石接触，外侧面通过液压缸与试验腔体侧壁连接。

9.根据权利要求8所述的一种模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置，其特征在于：所述加压板两侧沿上下方向设置有多个交叉臂，交叉臂之间设置有穿过相邻加压板的交叉臂的交叉槽。

10.基于权利要求1至9中任一权利要求所述模拟月基环境不同深度微波辅助破岩装置的模拟月基环境不同深度微波辅助破岩方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1.试验选取不同硬度的待测岩石放入试验腔体，然后密闭试验腔体月基模拟组件抽真空模拟月基环境；

步骤S2.温度控制组件、压力控制组件调整待测岩石的温度和压力，模拟不同深度下待测岩石的赋存环境；

步骤S3.打开微波控制组件，调节微波发射盘位置靠近待测岩石部位，进行微波加热；

步骤S4.微波辅助破岩结束关闭微波控制组件，通过伸缩装置提升微波发射盘远离破岩面；

步骤S5.根据钻进不同深度待测岩石的硬度、力学特性以及待测岩石成分，调整钻进电机具参数，包括冲击频率、冲击振幅、进给速率以及转数等参数；

步骤S6.打开钻进组件，进行取芯作业，获得目标岩芯；

步骤S7.关闭电源端，检查设备；重复上述步骤，进行下一次作业。

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