[发明专利]一种基于超临界二氧化碳射流的火星钻进取样方法及装置

权利要求书

1.一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：固定钻进小车，安装钻杆和钻头；

S2：抽气泵抽取火星大气CO₂，加温加压处理，使CO₂气体转变为超临界CO₂射流；

S3：部分CO2经干冰磨料机制成干冰磨料颗粒，与超临界CO₂射流混合；

S4：混合有干冰磨料颗粒的超临界CO₂射流从钻头顶部喷嘴喷出，击打岩石表面，使岩石破碎；

S5：射流击打岩石的同时，钻进泵工作，带动三翼钻头向前钻进；

S6：岩屑回收检测器回收岩屑样品进行检测，并将检测结果反馈给控制中心。

2.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，直接抽取火星大气中CO₂作为气源，制备超临界CO₂射流和干冰磨料，充分利用了火星大气环境，气源充足，成本低廉，无污染。

3.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，步骤S4中混合有干冰磨料颗粒的超临界CO₂射流在从喷嘴喷出前，先经过阶梯振荡管道和自激振荡腔的双重振荡作用。

4.根据权利要求1中所述的一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，钻头为阶梯振荡射流钻头，即在传统三翼钻头中加入阶梯振荡装置，利用振荡射流辅助机械钻进，大大提高钻进效率。

5.根据权利要求1所述的一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，在传统钻进取样方法的基础上，加入超临界CO₂磨料射流辅助钻进，大大提高钻进效率和破岩效率。

6.根据权利要求1中所述的一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样方法，其特征在于，超临界CO₂射流不仅起到辅助钻进作用，还充当了冷却液的作用，大大延长了钻头的寿命，节约了钻进成本。

7.一种基于超临界CO₂射流的火星钻进取样装置，主要包括新型超临界CO₂火星钻进小车和阶梯振荡射流钻头装置；所述的新型超临界CO₂火星钻进小车包括过滤网、运输管道、抽气泵、通气阀门、升温加压器、控制中心、磨料控制阀门、干冰磨料机、蓄电池、钻进泵、样品检测器、岩屑收集检测器、岩屑过滤网、锚固器、固定锚杆、太阳能电池板、连接转轴、主摇臂杆、副摇臂杆、转向转轴、转向曲杆、防滑轮；所述的阶梯振荡射流钻头装置包括中空钻杆、钻杆运输管道、阶梯振荡管道、自激振荡腔、喷嘴、三翼钻头；其特征在于：

a.所述的升温加压器用于给CO₂气体升温加压，将CO₂气体转变为超临界态CO₂射流；

b.所述的新型超临界CO₂钻进小车设有控制中心，抽气泵、通气阀门、升温加压器、干冰磨料机、磨料控制阀门、钻进泵、锚固器、岩屑收集检测器、样品检测器、连接转轴、转向轴均与控制中心相连，并受控制中心控制；

c.所述的岩屑收集检测器是可收缩的，并且岩屑收集检测器四壁设有岩屑过滤网，在收集磨料前收缩在小车底部，钻进过程开始后控制中心控制岩屑收集检测器下放收集岩屑，与岩屑一起排出的CO₂气体从四壁经岩屑过滤网过滤逸出；

d.所述的干冰磨料机可将通入的CO₂气体制备成干冰并打碎成磨料颗粒；

e.所述的新型超临界CO₂钻进小车的运动系统采用六轮摇臂-转向式结构，小车每侧分布三个防滑轮，前轮和后轮连接有转向曲杆，再通过转向转轴与主、副摇臂杆连接，中轮直接连接在副摇臂杆上，主、副摇臂杆通过两个连接转轴连接在小车车身两侧；控制中心通过调节连接转轴控制主、副摇臂杆的位置，使小车适应火星表面的复杂路面情况，始终保持小车水平稳定状态，通过调节转向转轴控制转向曲杆的方向，从而控制小车转向；

f.所述的固定锚杆采用自钻旋进锚杆，钻杆置于锚杆体内，边钻孔边安装锚杆，钻安一次完成，锚固安全牢靠，施工速度快；

g.所述的中空钻杆中有和钻头对接的钻杆运输管道，钻进小车中制备的超临界CO₂射流经钻杆运输管道输送进钻头内运输管道；

h.所述的阶梯振荡管道采用由宽变窄的阶梯状设计并接通自激振荡腔，使通入阶梯振荡管道的超临界CO₂射流先发生振荡作用，进入自激振荡腔后再次振荡，最后喷出带有强振荡效应的振荡超临界CO₂射流，大大提高了超临界CO₂的效率；

i.所述的新型超临界CO₂钻进小车外壁设有延展性太阳能电池板，能够利用太阳能实时发电，和小车内自带的蓄电池共同给整个系统提供电能。