南极冰盖底部孕育有超过400个冰下湖。对这些冰下湖开展研究,不仅可以获取南极大陆的古气候信息、反演冰盖的演化历史、揭示冰下地质结构,而且有可能发现新的生命形式。此外,对冰下湖的研究可为人类探测外太空的冰下海洋提供有力的科学保障和技术支持。迄今为止,尽管人类已经利用机械钻进方法和热水钻进方法进行了四次冰下湖的钻探,但这两种方法在冰下湖探测中均存在较大的局限性。有鉴于此,吉林大学极地研究中心创新地提出了一种可回收型全自动冰下环境探测器RECAS（RECoverable Autonomous Sonde）来实现南极冰下湖的无污染钻探。本文旨在探究冰层热融钻进过程的传热机理并为可回收型全自动冰下环境探测器的原理样机RECAS-200研制热融钻头。本文首先归纳总结了冰层热融钻进技术的研究现状。然后,从理论分析、数值模拟、实验研究三个方面对冰层热融钻进过程的传热机理展开了研究。最后,本文完成了RECAS-200上下热融钻头的结构设计并针对其进行了试验研究。以下是本文的主要研究内容及获得的主要成果:（1）通过理论分析,分别建立了冰层热融钻进过程的物理模型和数学模型,并以平板形热融钻头为例分析了热融钻进过程中热融钻头、薄层水膜以及冰层的传热特性。基于各个介质的传热特性,简化了冰层热融钻进过程的数学模型并提出了求解该简化模型的方法。理论分析结果显示:（1）电加热型热融钻头内部的温度从加热元件到钻头外表面逐渐降低,加热元件内的温度沿法线方向以二次方形式分布,而热融钻头基体内的温度则呈线性分布;流体加热型热融钻头基体内的温度从内表面到外表面线性降低。（2）薄层水膜内的压力以二次方的形式从钻头中心位置向融水出口处减小;融水的切向流速沿钻头外表面法线方向呈抛物线形分布;从钻头外表面中心位置到融水流出边界,融水的最大切向流速线性增加;融水的温度从钻头外表面到冰水界面线性减小。（3）冰层内的温度沿冰水界面的法线方向以指数函数的形式变化。（4）加热元件合理布置的电加热型热融钻头能够在其外表面获得均匀的功率密度,而被热流体均匀加热的热融钻头则能在其外表面实现等温分布。（2）在COMSOL Multiphysics软件平台下开发了一种分析法和数值法相结合的混合解法,并对恒功率和恒温条件下的冰层热融钻进过程进行了数值模拟,分别讨论了热融钻头的形状、功率、钻压以及冰温对热融钻进过程的影响,得到了薄层水膜厚度、钻头外表面温度（或功率密度）、薄层水膜内压力和流速、钻进速度、钻头热效率、损失（或输入）的功率、冰层最大热扰动距离等参数的变化规律。数值模拟结果表明:在恒功率条件下,球形热融钻头能够获得更高的钻进速度;而在恒温条件下,则应该优先选择圆锥形作为热融钻头的形状;热融钻头的钻进速度随钻头外表面的功率（或温度）、钻压以及冰温的增加而增加,但钻压对钻进速度的影响有限,在超过一定的阈值后,钻进速度随钻压增长的越来越慢。（3）搭建了热融钻进实验平台,利用冻制的人工冰样研究了热融钻头形状、功率、钻压和冰温对钻进速度、钻头热效率以及钻孔直径的影响。实验结果表明:在发热源置于热融钻头顶部的情况下,圆锥形热融钻头能获得最高的钻进速度;热融钻头的功率和钻压越大,冰温越高,热融钻进速度就越快。值得一提的是,钻压只在一个较小的范围内对热融钻进速度有较大的影响,超过该范围后,钻压的影响会逐渐减弱。实验研究的结果和理论分析以及数值模拟的研究结果完全一致。（4）基于RECAS-200钻头的设计要求,首先确定了热融钻头功率、加热元件和钻头形状等关键参数,然后分别设计了加热丝浇铸型热融钻头和加热棒插入型热融钻头,并对其进行了钻进试验,确定了RECAS-200钻头较优的结构。随后,在加热棒插入型热融钻头的基础上,完成了RECAS-200热融钻头的结构设计并为下热融钻头设置了灰尘收集器。（5）对RECAS-200热融钻头进行了一系列的功能测试。首先在纯净冰层和含灰尘冰层中分别进行了钻进试验。此外,还对RECAS-200的热融钻头进行了压力试验、寿命试验以及上热融钻头中心孔的温度测量试验。最后,对包括热融钻头在内的钻具整体进行了野外试验。试验结果表明:在5 k W的功率下,RECAS-200热融钻头的钻进速度超过了1.5 m/h,且该热融钻头能够在含有火山灰的冰层中钻进;RECAS-200热融钻头能够在2 MPa的水压下工作,且其寿命超过了14天;上热融钻头在5 k W的功率下正常工作时,其中心孔内的温度不超过90℃,因此,钻具电缆不会受到损害。但在上热融钻头钻出冰盖表面时,中心孔内的温度升高的较快,所以上热融钻头必须采取小功率分时段控制的方式才能保证钻具电缆的安全;研制的热融钻头在野外试验中表现良好,未发生失效现象。