权利要求

1.月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，其特征在于，包括：钻进取样机构，所述钻进取样机构用于钻进至月壤/岩内，所述钻进取样机构还用于与月壤/岩进行热交换;

相变导热机构，一端设置在所述钻进取样机构内，用于与所述钻进取样机构进行热交换;

原位发电机构，设置在所述钻进取样机构与所述相变导热机构之间，所述原位发电机构能够通过所述钻进取样机构与所述相变导热机构之间的温差在第一发电模式和第二发电模式之间切换，在所述第一发电模式，所述钻进取样机构与月壤/岩之间产生摩擦热，此时所述钻进取样机构为热端，所述相变导热机构为冷端;在所述第二发电模式，所述钻进取样机构位于月壤/岩内部，月昼时，所述钻进取样机构为冷端，所述相变导热机构为热端，月夜时，所述相变导热机构为冷端，所述钻进取样机构为热端;

所述相变导热机构上还设置有热辐射机构，所述热辐射机构位于月球表面，所述热辐射机构用于与所述相变导热机构热交换;

所述相变导热机构上还设置有保温机构，所述保温机构用于对所述相变导热机构进行保温;

所述钻进取样机构还传动连接有动力机构，所述动力机构用于驱动所述钻进取样机构进行月壤/岩取样;

所述钻进取样机构包括外壳(5)，所述相变导热机构的一端设置在所述外壳(5)内，所述外壳(5)还用于传导热量，所述外壳(5)的底端可拆卸连接有钻头(6)，所述钻头(6)上开设有用于取样的取样孔，所述钻头(6)取样时的热量传递至所述外壳(5);

所述相变导热机构包括导热管(3)，所述导热管(3)的底端同轴穿设在所述外壳(5)内;

所述原位发电机构包括多个热电模块组，所述热电模块组设置在所述导热管(3)的外侧壁与所述外壳(5)的内侧壁之间，多个所述热电模块组沿所述外壳(5)的长度方向由上至下等间隔设置，所述热电模块组包括多个热电模块(4)，多个所述热电模块(4)周向等间隔设置，所述热电模块(4)的两端分别与所述导热管(3)的外侧壁以及所述外壳(5)的内侧壁贴合。

2.根据权利要求1所述的月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，其特征在于，所述热辐射机构包括多个辐射板(1)，多个所述辐射板(1)周向等间隔设置在所述导热管(3)的外侧，多个所述辐射板(1)均位于月球表面，所述辐射板(1)用于对所述导热管(3)传递热量。

3.根据权利要求2所述的月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，其特征在于，所述动力机构包括钻机(7)，所述钻机(7)的输出轴与所述导热管(3)通过接头(9)传动连接，所述辐射板(1)可拆卸连接在所述接头(9)的外侧壁上。

4.根据权利要求3所述的月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，其特征在于，所述导热管(3)包括热管(3.1)，所述热管(3.1)的底端同轴穿设在所述外壳(5)内，所述热管(3.1)的顶端与所述接头(9)连接，所述热管(3.1)的外侧套设有所述保温机构，所述热管(3.1)内/所述热管(3.1)的内侧壁上设置有导热结构(3.2)，所述辐射板(1)用于对所述导热结构(3.2)传递热量。

说明书

技术领域

[0001]本发明属于月球基地钻探取样能源供应和发电技术领域，尤其涉及月基取芯探矿原位随钻实时发电装置。

背景技术

[0002]在大规模月球探测活动背景下，月球能源供应成为首要问题。目前月球探测设备的能源电力供应主要依赖于太阳能和核能等方式，太阳能只能在月昼使用，而核电池输出能量较低，只能满足小功率科研仪器的使用。因此，仅依靠太阳能或核电池难以为大规模探月活动提供可持续的能源保障，迫切需要研发月球原位能源供应新技术。

[0003]事实上，当月球表面深度超过1m后，月壤或月岩层均为恒温层，且恒温层和月球表面间存在较大的温差;将该温差转化为可在月球直接利用的能源对实现月基活动原位能源供给具有重要的意义，开发月球地热能是极具潜力的方向。另一方面，月基钻进过程中，将会产生高温热(1000℃)，作为潜在的能量来源，还未有针对月基钻进取芯探矿热回收的相关报道。利用月基取芯钻进过程中的高温热量进行实时发电，可实现降低钻头温度与原位随钻发电的双重功效，推进保障月基取芯安全钻进，为月基探测活动提供持续能源供应。

[0004]现有技术中存在一种月基保真取芯多级大深度钻进系统，解决了对月球土壤的取芯作业问题，实现了保真状态下对月球土壤的采集、开挖和输送作业，同时增大了月球土壤取芯的采样量。

[0005]然而该装置在钻取月壤过程中不能进行发电，无法回收利用月球钻进极端环境下产生的高温摩擦热，不能将热能转换为电能，无法实现能源的持续性供应，因此提出月基取芯探矿原位随钻实时发电装置。

发明内容

[0006]本发明的目的是提供月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，以解决上述问题。

[0007]为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0008]月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，包括：钻进取样机构，所述钻进取样机构用于钻进在月壤/岩内，所述钻进取样机构还用于与月壤/岩进行热交换;

[0009]相变导热机构，一端设置在所述钻进取样机构内，用于与所述钻进取样机构进行热交换;

[0010]原位发电机构，设置在所述钻进取样机构与所述相变导热机构之间，所述原位发电机构能够通过所述钻进取样机构与所述相变导热机构之间的温差在第一发电模式和第二发电模式之间切换，在所述第一发电模式，所述钻进取样机构与月壤/岩之间产生摩擦热，此时所述钻进取样机构为热端，所述相变导热机构为冷端;在所述第二发电模式，所述钻进取样机构位于月壤/岩内部，月昼时，所述钻进取样机构为冷端，所述相变导热机构为热端，月夜时，所述相变导热机构为冷端，所述钻进取样机构为热端。

[0011]优选的，所述相变导热机构上还设置有热辐射机构，所述热辐射机构位于月球表面，所述热辐射机构用于与所述相变导热机构热交换。

[0012]优选的，所述相变导热机构上还设置有保温机构，所述保温机构用于对所述相变导热机构进行保温。

[0013]优选的，所述钻进取样机构还传动连接有动力机构，所述动力机构用于驱动所述钻进取样机构进行月壤/岩取样。

[0014]优选的，所述钻进取样机构包括外壳，所述相变导热机构的一端设置在所述外壳内，所述外壳还用于传导热量，所述外壳的底端可拆卸连接有钻头，所述钻头上开设有用于取样的取样孔，所述钻头取样时的热量传递至所述外壳。

[0015]优选的，所述相变导热机构包括导热管，所述导热管的底端同轴穿设在所述外壳内。

[0016]优选的，所述原位发电机构包括多个热电模块组，所述热电模块组设置在所述导热管的外侧壁与所述外壳的内侧壁之间，多个所述热电模块组沿所述外壳的长度方向由上至下等间隔设置，所述热电模块组包括多个热电模块，多个所述热电模块周向等间隔设置，所述热电模块的两端分别与所述导热管的外侧壁以及所述外壳的内侧壁贴合。

[0017]优选的，所述热辐射机构包括多个辐射板，多个所述辐射板周向等间隔设置在所述导热管的外侧，多个所述辐射板均位于月球表面，所述辐射板用于对所述导热管传递热量。

[0018]优选的，所述动力机构包括钻机，所述钻机的输出轴与所述导热管通过接头传动连接，所述辐射板可拆卸连接在所述接头的外侧壁上。

[0019]优选的，所述导热管包括热管，所述热管的底端同轴穿设在所述外壳内，所述热管的顶端与所述接头连接，所述热管的外侧套设有所述保温机构，所述热管内/所述热管的内侧壁上设置有导热结构，所述辐射板用于对所述导热结构传递热量。

[0020]与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

[0021]本发明中，通过钻进取样机构对月壤/岩进行取样，在月壤/岩取芯钻探作业过程中，吸收月球真空无水的极端钻进环境下产生的高温摩擦热，利用月面与钻孔底部的环境温差实现原位发电，降低钻孔内部及钻头温度，为月基取芯钻进及随钻随测仪器提供原位能源动力支撑;取芯作业结束后，钻进装置的主体结构进入月壤恒温层，此时利用月壤恒温层与月表之间的温差实现昼夜不间断发电，建立月基原位发电系统。本发明利用月基取芯钻进过程中的高温热量进行实时发电，实现降低钻头温度与原位随钻发电的双重功效，推进月基取芯钻进，同时可作为临时性或永久性发电装置，为月基探测活动提供持续能源供应。

附图说明

[0022]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：

[0023]图1为本发明的整体结构示意图;

[0024]图2为本发明中钻头处的结构示意图;

[0025]图3为本发明中钻头处的横截面图;

[0026]其中，1、辐射板;2、真空隔热层;3、导热管;4、热电模块;5、外壳;6、钻头;7、钻机;8、传动轴;9、接头;3.1、热管;3.2、导热结构。

具体实施方式

[0027]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。

[0028]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0029]在大规模月球探测活动背景下，月球能源供应成为首要问题。目前月球探测设备的能源电力供应主要依赖于太阳能和核能等方式，太阳能只能在月昼使用，而核电池输出能量较低，只能满足小功率科研仪器的使用。因此，仅依靠太阳能或核电池难以为大规模探月活动提供可持续的能源保障，迫切需要研发月球原位能源供应新技术。

[0030]热伏发电技术是将热能直接转变成电能，即通过高温与低温之间的温差产生的热，将移动的热能转变成电能的过程，是一种可以在极端环境下工作的有效能源转换方法。由于月球处于真空、无水的极端环境，月基钻进取芯探矿实际上是一个无水干钻的摩擦生热过程，孔内热量得不到有效排出，钻头最高温度可达1000℃，回收利用月基干钻产生的高温摩擦热，可同时实现月基原位发电与有效取芯探矿。近年来，随着对月球探索的深入，人类对月球能源的需求愈发加剧，而现有月球能源来源局限性明显，还未有针对月基钻进取芯探矿热回收的相关报道。利用月基取芯钻进过程中的高温热量进行实时发电，可实现降低钻头温度与原位随钻发电的双重功效，推进保障月基取芯安全钻进，为月基探测活动提供持续能源供应。

[0031]参照图1至图3，本发明公开了月基取芯探矿原位随钻实时发电装置，包括：钻进取样机构，钻进取样机构用于钻进在月壤/岩内，钻进取样机构还用于与月壤/岩进行热交换;

[0032]相变导热机构，一端设置在钻进取样机构内，用于与钻进取样机构进行热交换;

[0033]原位发电机构，设置在钻进取样机构与相变导热机构之间，原位发电机构能够通过钻进取样机构与相变导热机构之间的温差在第一发电模式和第二发电模式之间切换，在第一发电模式，钻进取样机构与月壤/岩之间产生摩擦热，此时钻进取样机构为热端，相变导热机构为冷端;在第二发电模式，钻进取样机构位于月壤/岩内部，月昼时，钻进取样机构为冷端，相变导热机构为热端，月夜时，相变导热机构为冷端，钻进取样机构为热端。本发明中，通过钻进取样机构对月壤/岩进行取样，钻进取样机构取样时与月壤/岩摩擦产生大量的热，此时钻进取样机构作为热端，相变导热机构一方面将钻进取样机构的热传导出去，降低钻进取样机构的温度，另一方面，相变导热机构作为冷端，此时原位发电机构通过钻进取样机构与相变导热机构之间的温差进行发电;取样完成后，钻进取样机构位于月壤/岩内部，月昼时，钻进取样机构为冷端，相变导热机构为热端，月夜时，相变导热机构为冷端，钻进取样机构为热端，原位发电机构通过钻进取样机构与相变导热机构之间的温差进行发电。本申请中通过回收钻进取样机构取样时的热量进行发电，同时集成热伏发电装置，实现持续发电，不受工况和月昼/夜的时间影响。

[0034]进一步优化方案，相变导热机构上还设置有热辐射机构，热辐射机构位于月球表面，热辐射机构用于与相变导热机构热交换。

[0035]进一步优化方案，相变导热机构上还设置有保温机构，保温机构用于对相变导热机构进行保温。

[0036]进一步优化方案，钻进取样机构还传动连接有动力机构，动力机构用于驱动钻进取样机构进行月壤/岩取样。

[0037]进一步优化方案，钻进取样机构包括外壳5，相变导热机构的一端设置在外壳5内，外壳5还用于传导热量，外壳5的底端可拆卸连接有钻头6，钻头6上开设有用于取样的取样孔，钻头6取样时的热量传递至外壳5，其中外壳5为导热壳体，由导热材料制成;钻头6与外壳5之间通过螺纹连接，延长螺纹的长度，可以有效增加钻头6与外壳5之间的热传导效率。

[0038]进一步优化方案，相变导热机构包括导热管3，导热管3的底端同轴穿设在外壳5内。

[0039]进一步优化方案，原位发电机构包括多个热电模块组，热电模块组设置在导热管3的外侧壁与外壳5的内侧壁之间，多个热电模块组沿外壳5的长度方向由上至下等间隔设置，热电模块组包括多个热电模块4，多个热电模块4周向等间隔设置，热电模块4的两端分别与导热管3的外侧壁以及外壳5的内侧壁贴合。

[0040]进一步优化方案，热辐射机构包括多个辐射板1，多个辐射板1周向等间隔设置在导热管3的外侧，多个辐射板1均位于月球表面，辐射板1用于对导热管3传递热量。

[0041]进一步优化方案，保温机构包括：真空隔热层2，设置在导热管3的外侧，真空隔热层2与导热管3之间形成真空腔，用于对导热管3进行保温。

[0042]进一步优化方案，动力机构包括钻机7，钻机7的输出轴与导热管3通过接头9传动连接，辐射板1可拆卸连接在接头9的外侧壁上。

[0043]进一步优化方案，导热管3包括热管3.1，热管3.1的底端同轴穿设在外壳5内，热管3.1的顶端与接头9连接，热管3.1的外侧套设有保温机构，热管3.1内/热管3.1的内侧壁上设置有导热结构3.2，辐射板1用于对导热结构3.2传递热量，其中，导热结构3.2为毛细结构，开设在热管3.1内部或者设置在热管3.1的内侧壁上，导热结构3.2内设置有导热介质(工质)，用于加快热量的传递。

[0044]工作原理：

[0045]当钻具在月基环境钻进取芯时，由于钻孔内没有循环介质，实际上是一个无水干钻的摩擦生热过程，钻头端最高可产生近1000℃的高温。钻头6产生的高温传导到外壳5，导热管3外侧布置有真空隔热层2形成一个保温腔体，尽量避免热量传导到月壤/岩区，热电模块4和外壳5接触处形成热端，热电模块4和导热管3接触处形成冷端。当导热管3一端受到外壳5传导来的热源被加热时，内部工质吸收热量并蒸发，形成蒸汽;蒸汽在毛细效应的推动下沿着热管3.1内部的导热结构3.2迅速流向较冷的一端;在较冷的一端，蒸汽遇冷凝结成液体并释放热量。冷凝后的液体通过导热结构3.2回流到较热的一端，完成循环，实现热量从热端向冷端的转移。通过上述过程能够实现钻头钻进时的高温热量与月表热源之间的热量交换，利用月基钻进取芯探矿产生的高温和月表之间的温差，通过集成的热伏发电器将温差转换成电能。该热电模块是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。

[0046]当钻孔完成后，在月昼/夜时，热电模块4的两侧分别吸收的是来自月壤/岩恒温层和月表之间的热量。月昼时温度最高可达127℃，月表的温度通过辐射板1传导下来形成热端，与月壤/恒温层温度约-20℃的冷端形成温度差异;月夜时温度最低可至-183℃，月壤/岩恒温层温度约-20℃的热量传导到外壳5处形成热端，月表的温度通过辐射板1传导下来形成冷端，利用月昼/夜时外壳5和月壤/岩恒温层之间的温差，通过集成的热伏发电器将温差转换成电能。该装置可实现无论是钻进取芯时还是钻孔完成后，都可不间断连续发电，不受工况和月昼/夜的时间影响。

[0047]本发明的设备安装和固定过程如下：第一步，将装置通过月球探测设备运输到目标位置;第二步，在目标位置进行精准定位，通过月球探测设备将装置固定在月壤/岩中;第三步，启动该装置并钻入到月壤/岩，达到预定深度，进行取样;第四步，取样过程中通过原位发电机构进行发电，输出电力为孔内随钻仪器或月表仪器设备供电;第五步，取样完成后，利用特定储存舱体储存芯样，利用固定装置将导热管3和真空隔热层2固定在月壤/岩中，构建临时性或永久性原位发电系统，同时可利用多个发电装置串联方式，持续为月表仪器设备提供电力。

[0048]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。

[0049]以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

说明书附图(3)