地外研究中，地下勘探的钻井系统原理
【地外研究中，地下勘探的钻井系统原理】
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为了帮助从火星北部平原的冻土中获取冰样品 ， 冰土采集装置具有许多功能 ， 包括一个小的锉刀式切割钻头 ， 它可以在高速旋转的同时插入冰冷的土壤中 。 硬质合金锉刀以一定角度穿过铲斗底板中的开槽负载板 ， 并且可以围绕弹簧加载的铰链线枢转 ， 因此施加在钻头上的力由弹簧决定 。 在使用冰土采集装置的刀片特征准备表面后 ， 机械臂将锉刀预加载到表面上 。 此时 ， 直流电机通电以大约5000转速的速度旋转锉刀 。 当它穿透表面时 ， 岩屑被扔进冰土采集装置的后部取样室 。 一系列机械臂手腕关节 ， 结合钻头轴上的凸轮冲击功能产生的振动 ， 将粉末状的碎屑从后部采样室转移到前部开放室 ， 在那里它们可以被相机成像并转移到科学仪器 。
使用无侧限抗压强度为45兆帕的冻土混合物测试了冰土采集装置样品采集性能 。 使用新钻头 ， 四个15秒的锉刀操作将产生粉末状钻屑 ， 具体取决于表面条件 。 对采集的样本量有很大影响的一个参数是冰土采集装置的开槽负载板与表面之间的间隙 。 理想情况下 ， 如果表面准备好并且没有机械臂定位错误 ， 则不会出现间隙 。 但是 ， 肯定总会有一些可衡量的差距 。 虽然仍在研究精确的灵敏度 ， 但已显示1-2毫米的间隙会导致采集的材料体积至少减少50% 。
此外 ， 使用当前的冰土采集装置锉刀钻头设计进行锉磨已被证明可以去除永久冻土样品中的大部分水 。 据推测 ， 不同的切削钻头设计可能会减轻水分流失 ， 火星科学实验室漫游车将配备一个小型钻头 ， 能够钻入岩石几厘米并获取粉末状岩屑样本 。
欧洲航天局的罗塞塔任务的采样钻探和分配系统的钻头 ， 旨在穿透彗星的地下25厘米 ， 并且在预定或已知深度采集样本 。 然后 ， 分配系统会将样品运送到传送带 ， 传送带将它们送入不同的仪器或工作站 ， 例如光谱仪、容量检查塞、中高温分析炉和清洁站 。 分配系统设计人员必须解决一些与微重力环境相关的挑战 ， 例如自主性、构成彗星的未知地层、200°C范围内的低温以及对很少或没有样品污染 。 通过组装4个部分来实现钻头2米的全部延伸 。
该系统的目标是提供原始的地下样本 ， 以在钻头内使用光谱仪研究土壤和岩石的矿物学 。 光谱仪套件预计包括光谱仪的光学头、用于照亮钻孔壁的灯以及将信号传送到光谱仪的光纤 。 多预计光谱图像将通过放置在钻具侧壁上的蓝宝石窗口获得 。
钻孔钻孔由两个过程组成：第一个是钻头破碎岩石 ， 第二个是将岩屑从孔底清除到地表 。 这些过程可以同时进行 ， 也可以分开进行 ， 例如 ， 先钻孔 ， 然后使用打捞器清除岩屑 。 如果使用螺旋钻去除岩屑 ， 则将岩屑螺旋钻到地表所需的功率可能比破碎岩石所需的功率大几个数量级 。 由于钻孔和螺旋钻操作而产生的功率可以很容易地分离 。 测试开始时25瓦的钻孔功率几乎可以完全归功于切割过程 。 一旦钻头深入到样品中 ， 螺旋钻去除的钻屑也开始消耗功率 。
螺旋钻功率的增加与深度呈线性关系 ， 并表示为直线 ， 将此梯度外推到更深的孔中 ， 钻入样品1米的同一钻头将使用150瓦将钻屑从孔中螺旋钻出 ， 或仅钻头消耗的功率的6倍 ， 如果通过压缩气体清除岩屑 ， 则不需要螺旋钻 ， 反过来 ， 也没有螺旋钻动力 。 岩石的破碎通常是通过使岩石承受高于其拉伸、剪切或压缩强度的应力来完成的 。 拉伸和剪切破坏主要涉及晶间键的破坏 ， 而压缩破坏主要涉及晶粒破碎和破碎 。
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