极地具有独特的气候环境、地缘价值、潜在资源,对人类可持续发展及命运共同体构建具有重大意义。南极冰盖下蕴藏着700多个冰下湖,开展冰下湖研究可以探索冰下环境和地质构造、反演冰盖的演化历史、获取南极古气候信息以及发现新的生命形式。此外,冰下湖探测技术的发展,还可为人类未来探索火星、土卫二、木卫二等地外行星冰下环境提供技术支持。现有冰下湖直接探测手段主要有机械钻探、热水钻探和热融钻探。机械钻探和热水钻探均具有潜在的污染性,热融钻探可实现无污染钻进,但钻进效率低且难以有效穿透含粉细砂冰层。局部循环式冰层热水钻探采用融水孔底加热射流钻进方法,具有无污染、功耗低、钻进效率高等优点,具备穿透含粉细砂冰层的能力。国外研发了4种局部循环式冰层热水钻具,用于高山冰川成孔和外太空探测,验证了钻具的可靠性,但所涉及技术多属于地外行星探测领域范畴,具体设备参数、测试结果、实验数据及相关理论均未公开发表。因此,本文旨在设计一种孔底局部循环式冰层热水钻具,解决可回收型全自动冰下环境探测器RECAS钻遇含粉细砂冰层钻进效率低的问题。本文采用理论分析、数值模拟方法建立了孔底局部循环式热水钻进过程的物理模型,探究了钻具结构参数和钻进参数对钻进过程的影响规律。结合试验研究验证了理论分析和数值模拟结果,确定了钻具关键结构参数和钻进参数。在此基础上,研制了孔底局部循环式冰层热水钻具,通过整体钻具的钻进过程试验研究,验证了钻具具备在含粉细砂冰层的钻进能力。论文的主要研究过程和结论如下:（1）基于流体力学和传热学的理论研究,建立孔底局部循环式冰层热水钻进过程的数学模型和物理模型,确定了喷射流量、喷射水温、冰层温度、钻孔直径均对钻进过程产生影响,为RECAS探测器钻进参数选取提供依据。冰层温度-30℃条件下:射流水温、流量恒定时,降低钻速可实现有效扩孔,钻进速度降低16%～19%,孔径增大10%;以160 mm作为孔径目标、2 m/h作为平均钻速目标,则扩孔系数为1.1时,热流水温应达到40℃、流量应达到2.0 L/min,此时对应的孔底加热功率为5k W。（2）基于ANSYS Fluent软件平台建立钻具孔底热水钻进物理模型,模拟了孔底附近的冰层融化过程,并分别研究了钻头形状、喷嘴直径、热水流量及温度、冰层温度等变量对钻进过程的影响,阐明钻进速度的变化规律,为钻具设计及钻进参数选择提供依据。单变量控制条件下:钻头高度一致,钻头形状对钻孔形状的影响较小,90°圆锥形钻头能够获得更高的钻进速度;不同喷嘴直径条件下,直径为3.0 mm的喷嘴钻进速度最快;射流热水流量、温度越高,钻进速度越快;钻进速度与冰层温度呈现正相关性,南极冰层一般随钻进深度增加而升高,因此钻进速度会随着钻进深度的增加而增加。通过孔底融冰过程进行研究,可以为相关的钻具设计和钻进参数选择提供参考,提高钻进效率。（3）采用单因素轮换法对热水钻头进行选型和测试,研究钻头形状、喷嘴直径、钻压、温度、流量等因素对钻进速度的影响。试验结果表明:不同形状的钻头,高度相同条件下,圆锥形钻头优于抛物线形钻头,其中90°圆锥形钻头钻进速度最大,且钻头越短平,钻压变化越小;不同直径的喷嘴,恒定流量条件下,喷嘴越小流速越快,直径3 mm喷嘴钻进速度最快,且钻孔直径与喷嘴直径并无明显关联性,钻具成孔直径可达165～180 mm;通过调节钻进速度改变钻压参数,钻压过大时喷嘴堵塞、钻进速度降低,钻压过小时换热效率降低、钻速降低,本文所设计钻具优选钻压约为自身重量的30%;喷射水温、流量与钻进速度呈正相关性,试验结果与理论分析和数值模拟结果基本一致。通过对钻头进行选型和相关的测试,可为后续的钻具整体设计和钻进参数选择提供参考。（4）完成RECAS配套孔底局部循环式冰层热水钻具的设计及其试验,证实了钻具喷孔数目、喷孔角度、钻头结构、冰层温度及冰内粉细砂层均对钻进速度产生影响,得出了优选喷嘴及钻头结构,验证了钻具含粉细砂冰层钻进的可行性。试验结果表明:喷孔直径1.5 mm、数量9、喷射角度为35°的多喷孔式喷嘴与喷孔直径3.0 mm的单喷孔式喷嘴钻进速度最快,但钻压不稳定且呈现周期性震荡;在单喷孔式喷嘴后方增加6个后喷孔后,钻进速度降低13%,热融效率降低9%,但可改善钻孔底部传热,钻进过程更稳定;壁厚5 mm的中空钻头可有效消除钻头外部热传导冷点,增加孔底换热效率,提升钻进速度;冰层温度由-30℃上升到-10℃时,钻进速度由1.36 m/h上升至1.60 m/h;钻具可实现含粉细砂冰层钻进,粉细砂层厚度为10～20 mm时,钻进速度降低14%。综上,对孔底局部循环式冰层热水钻具结构设计及钻进过程进行研究,为未来的冰层热力钻进技术发展提供参考,也促进了未来极地科学研究发展。