CN113464128B - 一种模拟月基环境钻进过程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钻进过程微波辅助破岩装置及其方法，包括：岩芯筒、拟月真空模块、微波模块、钻进模块和数据获取模块；岩芯筒内放置待破碎的岩石；拟月真空模块用于将岩芯筒内抽成真空以模拟月基环境；微波模块用于产生微波和向待测岩石发射微波以辅助钻进模块对岩石进行取样；钻进模块穿过岩芯筒对岩芯筒内的岩石进行钻进取样。本发明提供的模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，通过拟月真空模块、钻机以及微波模块有机的集成，实现模拟月球高真空环境下的微波联合钻机高效破岩试验，为月球资源和空间的安全高效开发提供技术及理论支撑。

Description

一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置及其方法

技术领域

本发明专利涉及月球取芯探矿、采矿技术和岩土工程领域，具体为一种室内尺度下模拟月球环境中微波协同钻机联合破岩装置。

背景技术

深空探测中在钻进取芯、资源勘探以及基础设施建设中均不可避免的涉及到岩石破碎等问题，已有研究表明，月球浅层位松散的月壤，而往月球深部延伸时，主要由陨石和玄武岩等坚硬成分构成，而传统机械破岩设备由于其能耗大，体积大，效率低等缺陷已经不适用与深空高效破岩过程。因此，岩石破碎已成为亟待突破的难题，已成为制约深空探测发展的重要难题。亟需开展在真空环境下的高效破岩研究，发展新型破岩技术手段，革新破岩理念，以期为月球资源和空间的安全高效开发提供技术及理论支撑。

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有望对硬岩进行致裂弱化硬岩，进而实现高效破岩。因此微波加热被引入到硬岩破碎领域中，虽然已有学者将微波加热引入到硬岩破碎领域，并研究论证了微波与机械设备协同破岩的可行性。然而针对月球真空环境下，微波联合钻机协同钻井破岩的相关研究及技术装备鲜有报道，因此亟需研发一种试验装置来模拟月基环境，采用微波联合钻机进行高效破岩，为将来月球环境下破岩勘探提供借鉴和参考。

发明内容

本发明的目的在于填补现有技术手段的空白，提供一种模拟月球高效破岩的新型破岩装置及其方法，不但可以模拟月球高真空环境，也可以同步开展微波联合钻机协同破岩试验，并且可以实现实时数据采集，具有较强的科学意义和应用价值。

本发明采用的技术方案为：一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置包括：岩芯筒、拟月真空模块、微波模块、钻进模块和数据获取模块；

所述岩芯筒内放置待破碎的岩石；

所述拟月真空模块设置在岩芯筒外侧，用于将岩芯筒内抽成真空以模拟月基环境；

所述微波模块设置在岩芯筒上，用于产生微波和向待测岩石发射微波以辅助钻进模块对岩石进行取样；

所述钻进模块穿过岩芯筒对岩芯筒内的岩石进行钻进取样；

所述数据获取模块包括设置在岩芯筒内的传感器以及与之信号连接的工作站，用于实时监控岩石状态。

作为优选，所述钻进模块包括设置在岩芯筒内的切削齿和驱动切削齿破碎岩石的钻机，钻机穿过岩芯筒驱动切削齿，钻机与岩芯筒设置有密封结构保持岩芯筒密封。

作为优选，所述微波模块包括设置在岩芯筒外用于产生微波的磁控管，磁控管通过同轴波导将微波传送给微波馈口，微波馈口正对岩石取样处用于向岩石射出微波，同轴波导穿过岩芯筒传递微波，同轴波导与岩芯筒之间设置有密封结构保持岩芯筒密封。

作为优选，所述切削齿为圆环形，微波馈口设置在切削齿的中心。

作为优选，所述同轴波导与微波馈口连接段设置有伸缩装置，使该段同轴波导带着微波馈口伸缩。

作为优选，所述磁控管通过矩形波导与环形器的输入口连接，环形器的输出口与同轴波导连接，同轴波导通过波导转换器转换微波的传输方向后传入岩芯筒内与微波馈口连接，所述磁控管外设置有冷却器，环形器的下方连接水负载以吸收多余的微波。

作为优选，所述冷却器和水负载采用水冷结构。

作为优选，所述传感器包括外热成像仪和高清镜头。

作为优选，所述数据获取模块还包括岩芯筒外壁设置的发射模块，用于将传感器的信号发射至工作站。

基于上述模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，本发明还提供了一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩方法，包括以下步骤：

S1，将岩石放在岩芯筒内，接通电源，调节钻机与被钻岩石的位置，使切削齿和微波馈口正对岩石钻取处，启动拟月真空模块将岩芯筒内抽成真空模拟月基环境；

S2，打开冷却器和水负载，启动微波模块，发射微波作用岩石；

S3，启动钻机模块，进行钻进，并同步开启数据采集模块；

S4，当达到目标岩石时，停止微波作用，并通过伸缩装置提升微波馈口，避免影响样品获取；

S5，钻进模块进行取芯作业，获取目标岩芯，并提升出岩芯筒外；

S6，关闭电源，检查设备，重复上一阶段操作，进行下一次试验。

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钻进过程微波辅助破岩装置，通过拟月真空模块、钻机以及微波模块有机的集成，实现模拟月球高真空环境下的微波联合钻机高效破岩试验，并通过数据获取模块同步获取相应的岩石变化以及微破裂特征；

2、本发明的微波馈口设置在切削齿中心，微波发射面贴近岩石，微波加热效率高效果好，加热后直接由切削齿钻孔取样；

3、本发明设置有伸缩装置能够使同轴波导伸缩，从而带动微波馈口升降，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馈口，方便获取岩石样本；

4、本发明提供的模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩方法，模拟月球高真空环境，同步开展微波联合钻机协同破岩试验，并且实现实时数据采集，具有较强的科学意义和应用价值，为月球资源和空间的安全高效开发提供技术及理论支撑。

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是本发明实施例1的结构示意图；

图2是同轴波导与微波馈口连接段示意图；

图3是本发明实施例2的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、磁控管；2、冷却器；3、矩形波导；4、同轴波导、5、环形器；6、水负载；7、波导转换器；8、微波馈口；9、切削齿；10、钻机；11、岩石；12、岩芯筒；13、伸缩装置；14、传感器；141、红外热成像仪；142、高清镜头；15、发射模块；16、工作站；17、拟月真空模块。

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。

实施例1。

如图1-图2所示，一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置包括：岩芯筒12、拟月真空模块17、微波模块、钻进模块和数据获取模块；岩芯筒12内放置待破碎的岩石11，实验中可选取不同材质不同硬度等物理特性的岩石，来模拟不同月岩材质。

拟月真空模块17设置在岩芯筒外侧，用于将岩芯筒12内抽成真空以模拟月基环境，一般采用真空抽取装置进行抽真空，为了保持岩芯筒12内的真空环境，岩芯筒12为真空密封容器，能够承受高真空带来的负压。

钻进模块穿过岩芯筒12对岩芯筒12内的岩石11进行钻进取样，本实施例中采用从上往下钻进取样的结构，所以钻进模块设置在岩芯筒12的上方；钻进模块包括设置在岩芯筒12内的切削齿9和驱动切削齿9破碎岩石11的钻机10，由于钻机10穿过岩芯筒12驱动切削齿9，所以钻机10与岩芯筒12之间设置有密封结构保持岩芯筒12密封。

微波模块设置在岩芯筒12上，用于产生微波和向岩石11发射微波以辅助钻进模块对岩石11进行取样，微波照射对岩石进行预处理，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；微波模块包括设置在岩芯筒12外用于产生微波的磁控管1，磁控管1通过同轴波导4将微波传送给微波馈口8，所述微波馈口8正对岩石11取样处用于向岩石11射出微波，同轴波导4穿过岩芯筒12传递微波，同轴波导4与岩芯筒12之间设置有密封结构保持岩芯筒12密封。所述切削齿9为圆环形，微波馈口8设置在切削齿9的中心，微波馈口8发射微波是放射状从内向外发射，所以微波馈口8设置在切削齿9中心正好将切削齿9正对的岩石进行加热使其强度降低方便钻入取样。由于同轴波导4穿过岩芯筒12传递微波，所以同轴波导4与岩芯筒12之间设置有密封结构保持岩芯筒12密封。

如图2所示，同轴波导4与微波馈口8连接段设置有伸缩装置13，使该段同轴波导4带着微波馈口8伸缩，工作时，微波馈口8与钻机10协同钻进破岩，提升或下降微波馈口8与岩石11的相对位置，从而尽可能的提高破岩效率，破岩结束后微波馈口8向上升出以及避免影响取芯作业。

作为一种实施例，磁控管1通过矩形波导3与环形器5的输入口连接，环形器5的输出口与同轴波导4连接，图1所示，本实施例的磁控管1在右侧，微波馈口8在上侧，这就需要同轴波导4通过波导转换器7转换微波的传输方向后传入岩芯筒12内与微波馈口8连接，所述磁控管1外设置有冷却器2，环形器5的下方连接水负载6以吸收多余的微波，冷却器2和水负载6采用水冷结构进行冷却。

数据获取模块包括设置在岩芯筒12内的传感器14以及与之信号连接的工作站16，传感器实时获取岩石状态并发送给工作站16，用于实时监控岩石状态，并将监控数据存储在工作站16中；传感器包括外热成像仪141和高清镜头142，同步获取岩石11的温度以及微破裂特征，同时岩芯筒外壁设置有向工作站16发射信号的发射模块15，传感器通过发射模块15将信号发射给工作站16，工作站16将信号数据化展示给工作人员，并将试验数据存储起来，便于工作人员进行多试验对比，以此来判断试验效果。

基于本实施例的模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，其模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩方法，包括以下步骤：

S1，将岩石11放在岩芯筒12内，接通电源，调节钻机与被钻岩石的位置，使切削齿9和微波馈口8正对岩石11钻取处，启动拟月真空模块17将岩芯筒12内抽成真空模拟月基环境；

S2，打开冷却器2和水负载6，启动微波模块，发射微波作用岩石11；

S3，启动钻机模块，进行钻进，并同步开启数据采集模块；

S4，当达到目标岩石时，停止微波作用，并通过伸缩装置13提升微波馈口8，避免影响样品获取；

S5，钻进模块进行取芯作业，获取目标岩芯，并提升出岩芯筒12外；

S6，关闭电源，检查设备，重复上一阶段操作，进行下一次试验。

下一个测试，步骤S2.发射不同波长和功率的微波作用岩石，观察不同微波作用下的岩石破碎状况，获取不同岩性的最佳破岩工况，从而达到降低破岩能耗，提高破岩效率。

实施例2。

如图3所示，该实施例与实施例1的不同之处在于微波模块和钻进模块均设置在岩芯筒12的右侧，微波馈口8从右侧照射岩石，切削齿9从右侧钻进岩石11并取样。这样磁控管1正对微波馈口8，磁控管1通过矩形波导3与环形器5的输入口连接，环形器5的输出口与同轴波导4连接，同轴波导4伸入岩芯筒12与微波馈口8连接，不需要波导转换器7转换微波的传输方向。

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 (5)

1.一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，其特征在于，包括：岩芯筒、拟月真空模块、微波模块、钻进模块和数据获取模块；

所述岩芯筒内放置待破碎的岩石；

所述拟月真空模块设置在岩芯筒上，用于将岩芯筒内抽成真空以模拟月基环境；

所述微波模块设置在岩芯筒外侧，用于产生微波和向待测岩石发射微波以辅助钻进模块对岩石进行取样；

所述钻进模块穿过岩芯筒对岩芯筒内的岩石进行钻进取样；

所述数据获取模块包括设置在岩芯筒内的传感器以及与之信号连接的工作站，用于实时监控岩石状态；

所述钻进模块包括设置在岩芯筒内的切削齿和驱动切削齿破碎岩石的钻机，钻机穿过岩芯筒驱动切削齿，钻机与岩芯筒设置有密封结构保持岩芯筒密封；

所述微波模块包括设置在岩芯筒外用于产生微波的磁控管，磁控管通过同轴波导将微波传送给微波馈口，微波馈口正对岩石取样处用于向岩石射出微波，同轴波导穿过岩芯筒传递微波，同轴波导与岩芯筒之间设置有密封结构保持岩芯筒密封；

所述磁控管通过矩形波导与环形器的输入口连接，环形器的输出口与同轴波导连接，同轴波导通过波导转换器转换微波的传输方向后传入岩芯筒内与微波馈口连接，所述磁控管外设置有冷却器，环形器的下方连接水负载以吸收多余的微波；

所述切削齿为圆环形，微波馈口设置在切削齿的中心；

所述同轴波导与微波馈口连接段设置有伸缩装置，使该段同轴波导带着微波馈口伸缩。

2.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，其特征在于：所述冷却器和水负载采用水冷结构。

3.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，其特征在于：所述传感器包括外热成像仪和高清镜头。

4.根据权利要求1所述的一种模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置，其特征在于：所述数据获取模块还包括岩芯筒外壁设置的发射模块，用于将传感器的信号发射至工作站。

5.基于权利要求1至4中任一权利要求所述模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩装置的模拟月基环境钻进过程微波辅助破岩方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1，将岩石放在岩芯筒内，接通电源，调节钻机与被钻岩石的位置，使切削齿和微波馈口正对岩石钻取处，启动拟月真空模块将岩芯筒内抽成真空模拟月基环境；

S2，打开冷却器和水负载，启动微波模块，发射微波作用岩石；

S3，启动钻机模块，进行钻进，并同步开启数据采集模块；

S4，当达到目标岩石时，停止微波作用，并通过伸缩装置提升微波馈口，避免影响样品获取；

S5，钻进模块进行取芯作业，获取目标岩芯，并提升出岩芯筒外；

S6，关闭电源，检查设备，重复上一阶段操作，进行下一次试验。

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