[發明專利]一種月球水冰原位加熱開采的方法

有效

• 申請號: 202010697913.9
• 申請日: 2020-07-17
• 公開（公告）號: CN113107494B
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發明（設計）人: 宋洪慶;張杰;張賢國;孫越強;馬冬宇;李正一;寇玨
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: E21C51/00
• 分類號: E21C51/00
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

1.一種月球水冰原位加熱開采的方法，其特征在于：該方法首先提取目標開采區域含水冰月壤物性參數，然后利用水蒸氣捕集罩原位收集模型，計算穩定生產時不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率，根據得到的不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強，確定水冰最優開采溫度，基于提取的物性參數，對水冰熱采過程中的月壤溫度進行數值求解，最后根據得到的水冰最優開采溫度以及不同導熱棒數量下月壤溫度的時空分布，計算對于給定最大升溫時間內，水冰開采的最優導熱棒數量；

具體包括步驟如下：

(1)提取目標開采區域含水冰月壤物性參數；

(2)利用水蒸氣捕集罩原位收集模型，計算穩定生產時不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強以及水冰收集率；

(3)根據得到的不同導熱棒溫度下的捕集罩中水蒸氣的壓強，確定水冰最優開采溫度；

(4)利用月球水冰升華-擴散耦合數學模型，基于步驟(1)中提取的物性參數，對水冰熱采過程中的月壤溫度進行數值求解；

(5)結合水冰最優開采溫度以及不同導熱棒數量下月壤溫度的時空分布，計算對于給定最大升溫時間內，水冰開采的最優導熱棒數量；

所述步驟(2)中考慮水冰的升華、水蒸氣在捕集罩中的擴散以及水蒸氣的收集整個過程，得到水冰收集率為：

其中，為水冰收集率，φ為含水冰月壤層的孔隙度，S為捕集罩的底面面積，單位為m²；α為升華系數；A為排氣孔面積，單位為m²；P為捕集罩中水蒸氣的壓強，單位為Pa；P_s為水冰-蒸汽平衡時的飽和蒸氣壓，單位為Pa；M為水的摩爾質量，單位為kg/mol，R為普適氣體常數，單位為J/(mol·K)，T是含水冰月壤的溫度，單位為K；

所述步驟(3)中水冰原位熱采的最優開采溫度按下式確定：

其中，為捕集罩中水蒸氣的壓強隨開采溫度的導數，單位為Pa/K，b₀為常數，單位為Pa/K，取為0.25。

2.根據權利要求1所述的月球水冰原位加熱開采的方法，其特征在于：所述步驟(1)中物性參數包括含水冰月壤的初始溫度、密度、導熱系數、比熱容、孔隙度。

3.根據權利要求1所述的月球水冰原位加熱開采的方法，其特征在于：所述步驟(2)中所構建的水蒸氣捕集罩原位收集模型，涉及水蒸氣的生產與收集過程，水蒸氣捕集罩原位收集模型為：

其中，m為任意時刻捕集罩中水蒸氣的質量，單位為kg；t是開采時間，單位為s；d是全微分算符；為水冰升華的質量流量，單位為kg/s；為水冰收集率，單位為kg/s。

4.根據權利要求1所述的月球水冰原位加熱開采的方法，其特征在于：所述步驟(2)中捕集罩中水蒸氣壓強計算公式為：

其中，φ為含水冰月壤層的孔隙度，S為捕集罩的底面面積，單位為m²；α為升華系數；P_s為水冰-蒸汽平衡時的飽和蒸氣壓，單位為Pa；A為排氣孔面積，單位為m²。

5.根據權利要求1所述的月球水冰原位加熱開采的方法，其特征在于：所述步驟(5)中最優導熱棒數量n滿足下式：

T(n,x,y,z,t_max)＝T_opt

其中，x，y，z為空間坐標；t_max為給定的最大升溫時間；T_opt為水冰最優開采溫度。