CN112067651A - 一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法，热探针包括用于与钻探部件连接的连接部、传感器支撑部以及测温部，连接部为中空结构，传感器支撑部位于中空结构内，测温部安装在传感器支撑部上；其中，传感器支撑部能驱动测温部沿垂直于钻探部件钻杆的方向穿出或缩入中空结构内，使测温部水平扎入外星体内部收回到连接部内。本发明的热探针采用传感器支撑结构，能够使测温部穿出或缩入连接部内，穿出连接部的测温部可以直接扎入外星体内部进行测温，增大测温部与外星体间的接触，减小接触热阻的影响，避免了明显的接触热阻和钻管内部轴向导热对温度/温差测量精度的影响，可以得到更加精确的外星体内部纵向剖面温度分布。

Description

一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法

技术领域

本发明涉及一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法，具体涉及一种基于稳态傅里叶导热定律和瞬态热线法的驻留式外星体内部热流测量热探针和测量方法。

背景技术

星体表层和内部的温度分布同时受到外部辐射和内部产热的影响。外部辐射包括太阳等的电磁辐射，内部产热包括星球形成阶段存储于内部的耗散热和不稳定同位素放射性衰变产生的热量。其中，星球内部热流是衡量其地壳运动和火山活动活跃性的重要参数，同时对揭示星球的起源和演化有着重要意义。星体热演变的整体趋势是不断冷却，月球大约于45亿年前通过气体与宇宙尘埃的堆积最终形成，但其热演变过程至今没有结束。数值模拟研究是认识月球热演变过程的重要方法，但数值模拟的可信度依赖于对月球热参数的准确测量。微地震的方法可以得到星球内部的地质结构，但无法获取星体内部的热流和导热系数等热物性参数。因此，有必要开展月球内部热流的原位测量。

月球是地球的唯一卫星，也是人类探索地外天体的第一站。认识月球的形成与演化过程对揭示地月系统起源和人类发展有着重要的意义。其中，月球热环境、热参数的测量在认识月球形成与演化历史的过程中扮演着重要的角色。

1971-1972年，美国Apollo计划开展的月球热流实验实现了人类历史上第一次对月球内部热流的直接测量，基于瞬态热线法的基本原理，得到了Apollo15和Apollo 17着陆点月球内部热流密度分别为21mW/m²和16mW/m²，月球内部热流密度基本为地球内部热流的18-24％。但这两次测量的地点均是在月球表面高地和月海的交界处，测量结果并不能说明月球内部整体的平均热流水平。

除美国外，前苏联也曾多次开展月球探测，但未见公开报道的月球内部热流测量的相关研究。日本曾开展Lunar-A月球探测计划(2004年)，但最后发射计划取消(2007年)。Lunar-A计划中设计了锥状的热探针，计划对月球表面开展导热系数和热流的测量。目前除月球外，相关国家也开展了其他地外天体的热参数测量研究。比如美国“凤凰号”和“洞察号”火星探测器，均计划对火星地表的热参数进行测量。其中“凤凰号”探测器(2008年)采用瞬态热线法的基本测量原理，开展了火星表面土壤导热系数的测量。“洞察号”火星探测器(2018年)同样采用瞬态热线法的基本测量原理，测量了火星纵深土壤的导热系数分布。同时，利用火星纵向剖面的温度分布，得到火星内部的热流密度。欧盟Rosetta/Philae彗星探测器(2004年)对67P彗星进行了热参数测量，得到了彗星浅表层的温度分布和导热系数。

可以看到，目前人类对月球内部热流的测量十分有限，所得到的数据的代表性也明显不足。现在很多学者研究月球热流问题，只能利用50年前Apollo计划得到的原始数据采用新的数据处理手段开展分析。而对Apollo计划得到的原始数据的再分析也不断暴露Apollo计划热流实验方法的不足之处。目前国内的相关测量技术研究处于空白。因此，有必要基于当代技术，设计更加合理的月球内部热流测量方法和设备，通过国家月球探测计划，开展更多的月球热流探测研究。

1971-1972年，美国在Apollo计划中采用铂电阻电桥作为温度传感器，测量得到了月壤的纵向温度梯度和导热系数，通过进一步的数值分析和反演得到了月球内部的热流。实地测量中航天员预先在月表钻孔，孔深1.6-2.3米。钻孔结束后将中空的钻杆留在钻孔内，以加固孔壁。随后将热探针放置于钻孔内，待钻孔产热的影响消失后，开始温度测量。

Apollo计划热探针由两节半米长的刚性圆柱构成，圆柱通过柔性材料连接。在每个圆柱上四个不同的位置布置温度传感器，可测量两个相对位置的温差和每个位置的绝对温度。另外，为了得到月壤的导热系数，在每节圆柱上布置有两个加热器，采用瞬态热线法，通过测量加热器位置温度随时间的变化得到月壤的导热系数。

Apollo热探针存在以下缺点：

缺点一：温度/温差测量不准确。热探针进入月表钻孔后，热探针表面的温度传感器隔着空心钻杆测量钻杆外月壤的温度。温度传感器与钻杆内壁、钻杆外壁与月壤间均存在空隙，导致测温过程中温度传感器与剖面月壤间存在明显的接触热阻，测量得到的温度/温差偏离真实值。另外，由于月壤导热系数极低，而钻杆的导热系数相对较高，温度测量过程中钻杆内部轴向导热会导致所测量得到的月壤剖面温差比真实值小。

缺点二：月壤导热系数测量中用来反演的温度信息有限(仅一个温度值)。月壤导热系数测量采用近似的瞬态热线法，但用来反演月壤导热系数的温度测点只有加热片处一个，这导致反演的可靠性和精度降低。

2018年11月下旬，美国“洞察号”火星探测器在火星安全着陆，开始对火星内部进行测量研究。“洞察号”上携带的HP3 mole(Heat Flow and Physical Properties Probe)设备可以实现对火星内部土壤导热系数和温度梯度的测量，进而由傅里叶导热定律，得到火星内部的热流。HP3 mole可以实现地下钻深5m，土壤的导热系数测量模块集成在设备的尾部(Payload Compartment)，通过修正的瞬态热线法，建立物理模型，反演得到火星土壤的导热系数。温度梯度测量带上等距离布置有PT 100温度传感器，从而获得火星内部的温度分布。另外，为了得到火星表面的热流边界条件，在“洞察号”着陆器附近布置有辐射计。

HP3热探针存在以下缺点：

缺点一：月壤导热系数测量中用来反演的温度信息有限(仅一个温度值)。与Apollo热探针一样，HP3热探针在测量土壤的导热系数时仅能测量加热片处的温度变化，进而采用近似的瞬态热线法，反演得到土壤的导热系数。这种仅利用加热片处温度变化进行反演的方法存在可靠性和精度低的缺点。

缺点二：热流实验钻进设备设计存在缺陷。HP3热探针为无人热流探测设备，火星剖面温度分布和导热系数测量依赖前部HP3 mole钻头不断钻入地下，但钻头钻入地下十分困难。自“洞察号”登陆火星，历时一年多的时间才实现HP3 mole钻头钻入地下，且美国航空航天局公开的资料显示，钻头并非按照预想的竖直下钻，这必将对火星内部热流的测量结果产生影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种驻留式外星体内部热流测量热探针以及测量方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种驻留式外星体内部热流测量热探针，包括用于与钻探部件连接的连接部、传感器支撑部以及测温部，所述连接部为中空结构，所述传感器支撑部位于所述中空结构内，所述测温部安装在所述传感器支撑部上；其中，所述传感器支撑部能驱动所述测温部沿垂直于钻探部件钻杆的方向穿出或缩入所述中空结构内，使测温部水平扎入外星体内部收回到连接部内。

本发明的有益效果是：本发明的热探针采用传感器支撑结构，能够使测温部穿出或缩入连接部内，穿出连接部的测温部可以直接扎入外星体内部进行测温，增大测温部与外星体间的接触，减小接触热阻的影响，避免了明显的接触热阻和钻管内部轴向导热对温度/温差测量精度的影响，可以得到更加精确的外星体内部纵向剖面温度分布。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述测温部包括从上至下依次布置的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第三温度传感器上设有加热单元。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用上下依次布置的三根温度传感器，并且在第三温度传感器上设置加热单元，可以对第三温度传感器处的外星体壤体进行定功率加热，第二温度传感器和第三温度传感器一起对加热温度场进行测量，从而利用瞬态热线法的基本原理测量得到月壤的导热系数。

进一步，所述测温部包括针状支撑结构以及温度传感器，所述针状支撑结构固定在所述传感器支撑部上，所述温度传感器固定在所述针状支撑结构的尖端。

采用上述进一步方案的有益效果是：针状支撑结构方便扎入到外星体壤体内。

进一步，所述传感器支撑部包括支撑杆、两组对称布置的连杆机构以及为所述连杆机构运动提供动力的驱动部，所述支撑杆沿平行于钻探部件钻杆的方向布置，两组连杆机构的一端分别铰接在所述支撑杆的同一位置，两组连杆机构的另一端分别可移动的连接在所述支撑杆上；其中一组连杆机构固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组连杆机构上。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用连杆机构和支撑杆配合，实现测温部的驱动，能够在有限的钻管直径内实现向径向星壤的推出、温度测量。

进一步，所述连杆机构为三连杆机构，其中一组三连杆机构的中间连杆固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组三连杆机构的中间连杆上。

采用上述进一步方案的有益效果是：采用三连杆机构，方便实现测温部的连接驱动。

进一步，所述支撑杆为螺杆，所述驱动部连接并驱动所述支撑杆，所述螺杆上螺纹连接有螺纹滑套，两组连杆机构的另一端铰接在所述螺纹滑套上。

进一步，还包括激励电源模块、信号采集模块和数据传输模块，所述激励电源模块与测温部连接并为测温部提供激励电源和加热功率，所述信号采集模块与测温部连接并将测温部测得的信号进行滤波放大后转换为温度信息，所述数据传输模块用于将所述温度信息传递给外星体表面的数据收发站。

进一步，所述连接部包括钻管，所述传感器支撑部安装在所述钻管内。

进一步，所述钻管外侧壁上设有外螺纹，所述钻管采用低导热系数材料制成。

采用上述进一步方案的有益效果是：钻管外螺纹的设置方便与钻杆进行连接，钻管可采用低导热系数的聚酰亚胺纤维/碳纤维复合材料，减轻了钻管的重量，同时降低了钻管的导热系数。低导热系数的钻管结构可以有效地抑制钻管内部轴向导热对外星体温度分布的影响，明显减弱了钻管的“热管效应”。

一种驻留式外星体内部热流测量方法，包括以下步骤：

S1,当热探针深入钻孔内部后，通过传感器支撑部将测温部从热探针连接部的中空结构内穿出，使测温部水平扎入外星体内部；

S2，使测温部中位于最上方的第一温度传感器测量外星体内的温度和温差分布；

S3，使测温部中位于最下方的第三温度传感器上的加热单元对外星体内部进行定功率加热，使第三温度传感器以及测温部中位于中间的第二温度传感器同时对加热温度场进行温度测量；采用瞬态热线法的基本原理和导热反问题的方法计算得到外星体土壤的导热系数，利用傅里叶导热定律计算得到外星体不同壤层的热流参数。

本发明的有益效果是：外星体内部纵向剖面的温度通过针状结构的第一温度传感器直接插入外星体内部，避免了明显的接触热阻和钻管内部轴向导热对温度/温差测量精度的影响，可以得到更加精确的外星体内部纵向剖面温度分布；外星体导热系数测量过程中除了测量加热单元(第三传感器)处的温度变化，同时测量与加热单元有一定距离处(第二号传感器)的温度变化，从而在外星体导热系数反演计算的可靠性更高，测量精度更高。

附图说明

图1为本发明热探针使用状态示意图一；

图2为本发明热探针使用状态示意图二。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

100、热探针；101、支撑杆；102、螺纹滑套；103、连杆机构；104、驱动部；105、信号采集模块和激励电源模块；106、数据传输模块；107、第一温度传感器；108、第二温度传感器；109、第三温度传感器；110、加热单元；111、供电线缆；112、钻管；113、中间连杆；114、针状支撑结构；115、铂电阻；

200、钻孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例的一种驻留式外星体内部热流测量热探针，包括用于与钻探部件连接的连接部、传感器支撑部以及测温部，所述连接部为中空结构，所述传感器支撑部位于所述中空结构内，所述测温部安装在所述传感器支撑部上；其中，所述传感器支撑部能驱动所述测温部沿垂直于钻探部件钻杆的方向穿出或缩入所述中空结构内，使测温部水平扎入外星体内部收回到连接部内。

本实施例的热探针采用传感器支撑结构，能够使测温部穿出或缩入连接部内，穿出连接部的测温部可以直接扎入外星体内部进行测温，增大测温部与外星体间的接触，减小接触热阻的影响，避免了明显的接触热阻和钻管内部轴向导热对温度/温差测量精度的影响，可以得到更加精确的外星体内部纵向剖面温度分布。

本实施例的一个具体方案为，如图1和图2所示，所述测温部包括从上至下依次布置的第一温度传感器107、第二温度传感器108和第三温度传感器109，所述第三温度传感器109上设有加热单元110，第三温度传感器109通过供电线缆111数据传输模块106进行连接，具体如图2中的A部放大示意图。采用上下依次布置的三根温度传感器，并且在第三温度传感器上设置加热单元，可以对第三温度传感器处的外星体壤体进行定功率加热，第二温度传感器和第三温度传感器一起对加热温度场进行测量，从而利用瞬态热线法的基本原理测量得到月壤的导热系数。

具体的，如图1和图2所示，所述测温部包括针状支撑结构114以及温度传感器，所述针状支撑结构114固定在所述传感器支撑部上，所述温度传感器固定在所述针状支撑结构114的尖端。所述温度传感器可选用铂电阻115。针状结构的温度传感器方便扎入到外星体壤体内。所述加热单元110为加热片，固定在针状支撑结构的尖端；加热片具体可选用环形加热片(铜片)，套设在针状支撑结构尖端。

如图1和图2所示，本实施例的所述传感器支撑部包括支撑杆101、两组对称布置的连杆机构103以及为所述连杆机构103运动提供动力的驱动部104，所述支撑杆101沿平行于钻探部件钻杆的方向布置，两组连杆机构103的一端分别铰接在所述支撑杆101的同一位置，两组连杆机构103的另一端分别可移动的连接在所述支撑杆101上；其中一组连杆机构103固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组连杆机构103上。驱动部可选用驱动电机。螺杆驱动连杆机构，能够在有限的钻管直径内实现向径向星壤的推出、温度测量。

其中，如图1和图2所示，本实施例的所述连杆机构103为三连杆机构，其中一组三连杆机构的中间连杆113固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组三连杆机构的中间连杆113上。所述支撑杆101为螺杆，所述驱动部104连接并驱动所述支撑杆101，所述螺杆上螺纹连接有螺纹滑套102，两组连杆机构103的另一端铰接在所述螺纹滑套102上。采用三连杆机构，方便实现测温部的连接驱动。具体的，所述中间连杆113可选用支撑板结构，方便连接安装。中间连杆113两端铰接的连杆长度相同，方便折叠支撑。

本实施例利用驱动电机驱动螺杆转动，螺杆与驱动电机的连接处可安装轴承，两组三连杆机构分别与轴承铰接。螺杆转动，使螺纹滑套沿螺杆移动，带动三连杆机构折叠或展开，进而带动中间连杆上的测温部移动。

如图1和图2所示，本实施例的热探针100还包括数据传输模块106、信号采集模块和激励电源模块105，所述激励电源模块105与测温部连接并为测温部提供激励电源和加热功率，所述信号采集模块与测温部连接并将测温部测得的信号进行滤波放大后转换为温度信息，所述数据传输模块106用于将所述温度信息传递给外星体表面的数据收发站。

如图1和图2所示，所述连接部包括钻管112，所述传感器支撑部安装在所述钻管112内。所述钻管112外侧壁上设有外螺纹，所述钻管112采用低导热系数材料制成。使用时，钻管112位于钻孔200内。钻管112上开设有便于三根传感器伸出或缩回的通孔。钻管外螺纹的设置方便与钻杆进行连接，钻管可采用低导热系数的聚酰亚胺纤维/碳纤维复合材料，减轻了钻管的重量，同时降低了钻管的导热系数。低导热系数的钻管结构可以有效地抑制钻管内部轴向导热对外星体温度分布的影响，明显减弱了钻管的“热管效应”。

实施例2

本实施例的一种驻留式外星体内部热流测量方法，包括以下步骤：

S1,当热探针100深入钻孔200内部后，通过传感器支撑部将测温部从热探针100连接部的中空结构内穿出，使测温部水平扎入外星体内部；

S2，使测温部中位于最上方的第一温度传感器107测量外星体内的温度和温差分布；

S3，使测温部中位于最下方的第三温度传感器109上的加热单元110对外星体内部进行定功率加热，使第三温度传感器109以及测温部中位于中间的第二温度传感器108同时对加热温度场进行温度测量；采用瞬态热线法的基本原理和导热反问题的方法计算得到外星体导热系数，利用傅里叶导热定律计算得到外星体不同壤层的热流参数。

本实施例的测量方法，外星体内部纵向剖面的温度通过针状结构的第一温度传感器直接插入外星体内部进行测量，避免了明显的接触热阻和钻管内部轴向导热对温度/温差测量精度的影响，可以得到更加精确的外星体内部纵向剖面温度分布；外星体导热系数测量过程中除了测量加热单元(第三传感器)处的温度变化，同时测量与加热单元有一定距离处(第二传感器)的温度变化，从而在外星体导热系数反演计算的可靠性更高，测量精度更高。

本发明的一种基于稳态傅里叶导热定律和瞬态热线法的驻留式外星体(例如月球)内部热流测量热探针，作为科学实验载荷，完成外星体(例如月球)内部热流的准确原位测量，对认识外星体(例如月球)的形成与演化过程有着重要的意义。

以月球为例，来对本发明的热探针以及热流测量方法进行说明。

月球热流实验包含月壤温度梯度、导热系数测量和探针结构设计三个关键问题。下面将对每一部分进行具体介绍。

月球内部热流测量的基本原理为傅里叶导热定律：

其中ΔT为相距L的两点(即第二温度传感器和第三温度传感器所在位置)的温差，λ为月壤的导热系数。铂电阻的稳定性好、温度线性度高，因此采用铂电阻(第一、第二和第三温度传感器可采用铂电阻)测量月壤纵向温差ΔT。由于月球钻孔的深度有限，温差的值很小(Apollo计划测量结果表明月壤纵向温度梯度约1.7K/m)，因此需要采用电桥进行直接测量，以提高温差测量的准确度。铂电阻电桥的输出电压与温差的关系通过标定得到。铂电阻的温度信号通过高精度的电子电路滤波放大获取。

月壤导热系数λ采用瞬态热线法的基本原理进行测量。柱坐标一维无内热源瞬态导热方程

当一根无限长、热容尽可能小且直径无限小的加热丝插入无限大的待测试样时，不考虑加热丝与试样间的接触热阻，由上述方程和对应边界条件可以得到热线的温度变化率与时间的自然对数成正比，即

其中Q为热线单位长度的加热功率。从而通过测量热线的温度变化与时间对数的关系得到试样的导热系数。月壤导热系数的测量则更加复杂，实际加热单元的布置偏离热线法的理想模型，因此，需要采用数值模拟和导热反问题的方法对测量结果进行反演和修正。

在钻孔过程中往往难以避免钻头钻杆对孔壁周围月壤的扰动和破坏，使得钻孔孔壁周围的月壤结构和热物性发生变化。另外，空心钻管与月壤间、热探针与空心钻管间并非完美接触，应当存在明显的接触热阻。采用本发明的热探针可以减少热探针与井壁、井壁与月壤间接触热阻和月壤受影响区对温度测量的影响。在月壤钻孔内部每个测温点处均有三根探针，每相邻两个测温点间隔0.5米(单个模块间距给定，可以测量该位置的月壤热物性参数；多个位置的测量获取温度梯度。本发明热流测量系统模块化处理，可以根据需要自由组合使用数量等，而且组接间距可设计相应接口和安装位结构自定义，例如接口设计可以进行螺纹组接或者卡扣组接方式与钻管其他部分相连接，具体安装位置由连接的钻管长度和组接长度确定，如图1所示。若为热流/温度延深度方向梯度的计算，组接距离需要提前标定)。当热探针深入钻孔内部后，通过传感器支撑部打开针状传感器结构，使三根传感器水平扎入月壤内部，从而突破月壤受影响区，同时增大传感器与月壤间的接触，减小接触热阻的影响。三根传感器中最上面的第一传感器测量月壤的温度和温差；第三传感器上的加热单元可以对月壤进行定功率加热，第二和第三传感器一起对加热温度场进行测量，从而利用瞬态热线法的基本原理测量得到月壤的导热系数。月球表面没有空气，月壤的导热过程依赖月壤颗粒间的辐射和接触导热。辐射受温度影响明显，颗粒间接触的程度受月壤深度的影响明显，因此月壤的导热系数是温度和深度函数，需要在不同深度位置对月壤的导热系数进行测量。

月球的真空环境导致月壤的导热系数很低，为减小钻管轴向导热对月壤温度梯度测量的影响，减小钻管的“热管效应”，钻管的导热系数应当尽可能低。同时，月球的热环境十分苛刻，温度波动范围巨大，钻管的选材应当满足月球的使用环境。本发明热探针设计中钻管主体结构拟采用聚酰亚胺纤维复合材料、PEEK复合材料或玻璃纤维复合材料等非金属低导热系数的材料。为了满足钻杆螺旋下钻的功能需求，钻管外周的螺纹采用强度较高的钛合金材料。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，包括用于与钻探部件连接的连接部、传感器支撑部以及测温部，所述连接部为中空结构，所述传感器支撑部位于所述中空结构内，所述测温部安装在所述传感器支撑部上；其中，所述传感器支撑部能驱动所述测温部沿垂直于钻探部件钻杆的方向穿出或缩入所述中空结构内，使测温部水平扎入外星体内部收回到连接部内。

2.根据权利要求1所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述测温部包括从上至下依次布置的第一温度传感器、第二温度传感器和第三温度传感器，所述第三温度传感器上设有加热单元。

3.根据权利要求1或2所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述测温部包括针状支撑结构以及温度传感器，所述针状支撑结构固定在所述传感器支撑部上，所述温度传感器固定在所述针状支撑结构的尖端。

4.根据权利要求1或2所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述传感器支撑部包括支撑杆、两组对称布置的连杆机构以及为所述连杆机构运动提供动力的驱动部，所述支撑杆沿平行于钻探部件钻杆的方向布置，两组连杆机构的一端分别铰接在所述支撑杆的同一位置，两组连杆机构的另一端分别可移动的连接在所述支撑杆上；其中一组连杆机构固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组连杆机构上。

5.根据权利要求4所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述连杆机构为三连杆机构，其中一组三连杆机构的中间连杆固定在连接部侧壁上，所述测温部安装在另一组三连杆机构的中间连杆上。

6.根据权利要求4所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述支撑杆为螺杆，所述驱动部连接并驱动所述支撑杆，所述螺杆上螺纹连接有螺纹滑套，两组连杆机构的另一端铰接在所述螺纹滑套上。

7.根据权利要求1至2、5至6任一项所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，还包括激励电源模块、信号采集模块和数据传输模块，所述激励电源模块与测温部连接并为测温部提供激励电源和加热功率，所述信号采集模块与测温部连接并将测温部测得的信号进行滤波放大后转换为温度信息，所述数据传输模块用于将所述温度信息传递给外星体表面的数据收发站。

8.根据权利要求1至2、5至6任一项所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述连接部包括钻管，所述传感器支撑部安装在所述钻管内。

9.根据权利要求8所述一种驻留式外星体内部热流测量热探针，其特征在于，所述钻管外侧壁上设有外螺纹，所述钻管采用低导热系数材料制成。

10.一种驻留式外星体内部热流测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1,当热探针深入钻孔内部后，通过传感器支撑部将测温部从热探针连接部的中空结构内穿出，使测温部水平扎入外星体内部；

S2，使测温部中位于最上方的第一温度传感器测量外星体内的温度和温差分布；

S3，使测温部中位于最下方的第三温度传感器上的加热单元对外星体内部进行定功率加热，使第三温度传感器以及测温部中位于中间的第二温度传感器同时对加热温度场进行温度测量；采用瞬态热线法的基本原理和导热反问题的方法计算得到外星体土壤的导热系数，利用傅里叶导热定律计算得到外星体不同壤层的热流参数。

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