JSC-1A模擬月壤氣動開挖試驗研究

白 云，蔡國棟，鄭彥龍

（1.同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海200092；2.同濟大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海200092）

我國目前處于“嫦娥工程”探月計劃的第二個階段，預(yù)計在2040年左右建立短期有人值守的月球基地.探測并開發(fā)月球資源，建立一個永久的月球基地都不可避免地需要采集、開挖以及運輸月壤.而在月球表面進行開挖是十分困難的.白云等［1］總結(jié)了國內(nèi)外月壤開挖技術(shù)以及未來在月球開挖時將會遇到的一些惡劣的施工環(huán)境，比如高真空 （白天和夜晚的氣壓分別為10-7Pa和10-10Pa）、低重力（僅1/6地球重力的低重力環(huán)境）、月表土壤顆粒的高磨損性、劇烈的晝夜溫差變化、強輻射、潛在流星體的撞擊等.

Schaefer等［2］于1994年首次提出了在火星上利用壓縮氣體采集土樣，并分析了氣體壓力、氣體脈沖形式對采集效果的影響.Zacny等［3-5］2005年之后提出了將壓縮氣體用于高真空環(huán)境下取樣、開挖月壤，該方法巧妙利用了月球的高真空環(huán)境，并且實現(xiàn)了開挖的目的.其原理表述為壓縮氣體進入真空環(huán)境時快速膨脹，壓縮氣體間的分子勢能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w分子動能，當(dāng)氣體分子運動到挖掘管內(nèi)部時，氣體分子通過與月壤顆粒的能量交換，氣體分子的部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)樵氯李w粒的動能，促使固態(tài)相的顆粒流態(tài)化，從而實現(xiàn)月壤的開挖.其基本原理見圖1.

圖1 氣動開挖原理示意圖Fig.1 The theory of pneumatic excavation

Zacny等［6］利 用 NASA（National Aeronautics and Space Administration）的試驗飛機在模擬月球環(huán)境（g/6）和地球環(huán)境（g）以及完全失重環(huán)境中對模擬月壤JSC-1A進行了多組氣動挖掘試驗.在特定的試驗環(huán)境下，挖掘效率最大達(dá)到了1∶5 500，即1g土體能夠挖掘5 500g的月壤，這說明氣動挖掘能力是十分巨大的.

脈沖式噴氣方式、壓縮氣體的氣壓值、進氣管的進氣速率、挖掘管插入月壤的深度等因素會影響壓縮氣體的開挖效率，為了使氣體質(zhì)量效率最優(yōu)，即單位質(zhì)量的氣體所能挖掘到的月壤土體質(zhì)量最大，必須事先在地球環(huán)境下科學(xué)地進行試驗?zāi)M，分析眾多影響因素.為此，作者自主研發(fā)了一套用于模擬在月球環(huán)境下測試氣體質(zhì)量效率的試驗系統(tǒng)，用于分析挖掘管深度、壓縮氣體的氣壓值以及噴氣方式對最終氣體質(zhì)量效率的影響.本文將重點介紹利用該系統(tǒng)所得的相關(guān)試驗結(jié)論.試驗對象為JSC-1A模擬月壤.

圖2 氣動開挖和輸送模擬月壤的試驗裝置Fig.2 The test device of pneumatic excavation and conveying of lunar regolith simulant

1 JSC-1A模擬月壤參數(shù)

JSC-1A是由一種富含玻璃的玄武巖質(zhì)火山灰經(jīng)簡單加工研制而成.主要結(jié)晶礦物相是長石、輝石和橄欖石，副礦物包括欽鐵礦、鉻鐵礦和痕量黏土，玄武質(zhì)玻璃體積分?jǐn)?shù)大約為50%.其化學(xué)成分、礦物組成、粒度分布和力學(xué)性質(zhì)（壓縮系數(shù)、內(nèi)聚力c、內(nèi)摩擦角φ等）與阿波羅14號登月點的低鈦月海月壤相似，特別是與月球樣品14163的化學(xué)成分非常近似［7］.故本文中采用JSC-1A 模擬月壤.文獻(xiàn)［8-9］詳細(xì)介紹了JSC-1A系列模擬月壤的工程性質(zhì).JSC-1A型模擬月壤的物理力學(xué)性質(zhì)見表1.

表1 JSC-1A物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)［9］Tab.2 Mechanical properties of JSC-1A［9］

2 模擬月壤氣動開挖試驗系統(tǒng)簡介

整套試驗裝置由以下五大系統(tǒng)組成：供氣系統(tǒng)、氣體調(diào)節(jié)與測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空制造系統(tǒng)、開挖與輸送系統(tǒng).供氣系統(tǒng)主要由壓縮氮氣鋼瓶組成；氣體調(diào)節(jié)與測量系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制與測量挖掘所需氣體的氣壓值、質(zhì)量流量，以及測量真空箱體內(nèi)部的氣壓值；控制系統(tǒng)則是負(fù)責(zé)控制壓縮氣體的脈沖噴氣形式、試驗的開始和結(jié)束；真空制造系統(tǒng)即一個真空泵和有機玻璃的箱體，該系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)為模擬月壤開挖提供一個低壓的環(huán)境；開挖與輸送系統(tǒng)主要是由挖掘管、集土箱、以及連接挖掘管和集土箱的輸土軟管組成.試驗裝置具體形式見圖2.

試驗系統(tǒng)由氣體鋼瓶提供壓縮氮氣，經(jīng)由軟管進入真空箱內(nèi)，然后由配氣環(huán)箍將壓縮氣體分配到挖掘管壁的四根進氣管，由于挖掘管已經(jīng)插入到模擬月壤之中，當(dāng)壓縮氣體在內(nèi)外壓差之下高速運動，帶動處于挖掘管內(nèi)的模擬月壤，經(jīng)過輸土軟管到達(dá)集土箱，在氣土分離之后，氣體經(jīng)過濾器排出，土體便收集在集土箱內(nèi).

3 試驗結(jié)論

3.1 試驗指標(biāo)與試驗工況

在氣動開挖和輸送模擬月壤的過程中，影響模擬月壤顆粒流態(tài)化和運移特性的因素很多，其中包括進氣速度、進氣壓力、出口氣壓、管道長度、管道直徑、管道插入深度、顆粒粒徑、顆粒密度和重力加速度等.本試驗中，管道長度、管道直徑和材料物性均為定值，考慮到具備的條件，本試驗將進氣壓力、管道插入深度和噴氣方式作為試驗因素，重點考察三者對氣動開挖和輸送模擬月壤的氣體質(zhì)量效率的影響.

因為月球上空氣非常稀薄，作為動力的壓縮氣體將是十分稀缺的資源.早期月球探測活動中的壓縮氣體只能是從地球上運輸，因此如何利用最少的壓縮氣體挖掘到最多質(zhì)量的月壤有非常高的經(jīng)濟效益.氣體質(zhì)量效率作為本試驗中的主要試驗指標(biāo)，定義如下：

式中：m1和m2分別為開挖到的（模擬）月壤質(zhì)量和消耗的壓縮氣體質(zhì)量.

正交試驗選取如下試驗工況：氣體壓力分別為100，170，200，230，300kPa，由于壓力控制不能很精確，實際壓力值以測到的為準(zhǔn)；管道插入深度分別為5，10，15，20，25，30，35，40，45，50cm；噴氣方式為連續(xù)、開3s關(guān)1s、開1s關(guān)1s、開0.8s關(guān)0.2s、開0.2s關(guān)0.3s、開0.5s關(guān)0.5s、開0.2s關(guān)0.8s.

圖3展示了噴氣方式為開0.5s、關(guān)0.5s時，瞬時流量隨時間的變化.

圖3 每秒開0.5s、關(guān)0.5s時脈沖式噴氣效果圖Fig.3 The picture of 0.5son and 0.5s off per second pulse injection

3.2 試驗結(jié)論

一組試驗過程中真空箱內(nèi)氣壓隨時間的典型變化見圖4a.抽氣過程為AB段、CD段和EG段.從圖中可以看出，開始抽氣后氣壓迅速降低，至100s之后氣壓下降速度逐漸減慢.因為開始抽氣時真空箱底部和挖掘管內(nèi)部的JSC-1A型模擬月壤內(nèi)部含有一定量的氣體，如果抽氣過程中不采取任何措施，模擬月壤會產(chǎn)生“沸騰”現(xiàn)象，將嚴(yán)重影響真空箱內(nèi)的可視性，并可能威脅真空泵的正常運轉(zhuǎn).因此如圖中BC段和DE段所示，試驗過程中除了調(diào)整真空泵抽速外，還應(yīng)短暫關(guān)閉真空泵.這樣做的主要目的是允許JSC-1A型模擬月壤內(nèi)的氣體有足夠的時間逃逸到上部空間內(nèi)，從而抑制“沸騰”現(xiàn)象的發(fā)生.

進氣階段為圖中FG段.如圖4b所示，開始進氣后，氣壓明顯增大，但仍處于較低的水平.

HI段為試驗結(jié)束后，打開泄壓球閥后真空箱內(nèi)的氣壓變化.

圖4 試驗過程中真空箱內(nèi)氣壓變化Fig.4 The pressure variation in the process of experiment

3.2.1 氣體質(zhì)量效率隨氣體質(zhì)量消耗的關(guān)系

本試驗過程中，最關(guān)鍵的兩個參數(shù)是開挖到的模擬月壤質(zhì)量和消耗的壓縮氣體質(zhì)量.后者的準(zhǔn)確測量和用量控制對試驗結(jié)果影響巨大.以壓力為290 kPa，電磁脈沖閥常開的工況為例，氣體消耗5.69g時開挖907.5g模擬月壤.試驗中做了消耗氣體質(zhì)量25%，50%，75%，100%的試驗，得到了在0～25%，25%～50%，50%～75%，75%～100%這四個階段壓縮氣體分別開挖掉了挖掘管內(nèi)所有模擬月壤的67%，13%，11%和1%.這四個階段的氣體質(zhì)量效率分別為405，97，75和10.如圖5所示，氣體的質(zhì)量效率隨著試驗的進行迅速下降.下文所得到的氣體質(zhì)量效率都是基于完成整個開挖過程即消耗掉100%的氣體.壓縮氣體剛好不能繼續(xù)挖掘到更多模擬月壤的那個時刻作為試驗終止時刻.

圖5 氣體質(zhì)量效率、開挖完成率與氣體質(zhì)量消耗關(guān)系圖Fig.5 The relationship between mass efficiency and completion rates with quality of high pressure gas

3.2.2 氣體質(zhì)量效率與噴氣方式的關(guān)系

已有的不少研究成果證明，脈沖式噴氣方式對氣力輸送效率有一定的提升.圖6為插入深度分別為5cm和10cm時，氣壓p為170，230和290kPa時，在不同的噴氣方式下得到的氣體質(zhì)量效率.

據(jù)文獻(xiàn)［2］可得出氣體質(zhì)量效率在本試驗脈沖式噴氣開0.5s、關(guān)0.5s最大的推論，本試驗做了三組插入深度為30cm，氣體壓力為100，200和300 kPa，采用脈沖式噴氣（開0.5s、關(guān)0.5s）時的氣動開挖試驗.如圖7所示，脈沖式噴氣對氣動開挖氣體質(zhì)量效率有一定改善，能提高1.5%～17%.

從圖6和圖7可以看出，在相同的氣壓與脈沖方式下，插入深度為10cm時氣體質(zhì)量效率明顯高于插入深度為5cm時氣體質(zhì)量效率.在所嘗試的所有噴氣方式中，每個循環(huán)中電磁脈沖閥開0.5s、關(guān)0.5s的效果最佳，能普遍提升氣體質(zhì)量效率.

3.2.3 氣體質(zhì)量效率與插入深度的關(guān)系

圖6 氣壓為170，230，290kPa時不同噴氣方式下的氣體質(zhì)量效率Fig.6 The mass efficiency with different pulse injection when the gas pressure is 170，230，290kPa

因為振搗后的模擬月壤密實度較高，加上模擬月壤的內(nèi)摩擦角很大，故直接將挖掘管插入模擬月壤時阻力較高，難度較大，如不采取其他如沖擊等措施，依靠人工只能將挖掘管插入12cm左右.故本試驗采用了兩種形式：挖掘管直接插入模擬月壤中，將模擬月壤灌入挖掘管（工況中挖掘管埋入深度大于10cm均為第二種試驗手段），如圖8所示.方法不同導(dǎo)致氣體質(zhì)量效率也略有不同，后者的氣體質(zhì)量效率有所降低.具體原因可能是制造真空的過程中，進氣管內(nèi)的氣體被抽出時沿挖掘管形成了氣體通道.試驗過程中，沿進氣管進入的壓縮氣體可能沿此通道直接進入模擬月壤上部真空環(huán)境，產(chǎn)生了流化時的所謂“溝流現(xiàn)象”.大量氣體短路，沒有起到液化模擬月壤的效果.這一點在試驗中被觀測證實.

（1）挖掘管插入模擬月壤內(nèi)

本節(jié)將介紹挖掘管插入深度分別為5cm和10 cm時氣體的開挖和輸送效率.由圖9可知，插入深度為10cm時的氣體質(zhì)量效率較5cm時的質(zhì)量效率有明顯提高.

圖7 插入深度為30cm時脈沖噴氣對質(zhì)量效率的影響Fig.7 The affection of pulse injection way to mass efficiency when the burial depth is 30cm

圖8 兩種試驗方式示意圖Fig.8 The diagram of two type tests

（2）模擬月壤注入挖掘管內(nèi)

為了模擬插入深度更大的情況，本試驗將真空箱底部的模擬月壤清出，并將挖掘管底部封堵，模擬月壤直接從挖掘管頂部注入，其密度被振搗至1.5g·cm-3左右.

圖10顯示了挖掘管插入深度為5～50cm時，不同氣壓下開挖和輸送JSC-1A型模擬月壤的氣體質(zhì)量效率.可以看出，隨著插入深度的增加，氣體的質(zhì)量效率呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的趨勢.圖11對圖10中的三條曲線進行線性擬合，擬合曲線自變量（挖掘管插入深度）的取值范圍為5～50cm.由圖可知相關(guān)系數(shù)R2均在0.92以上，說明插入深度與氣體質(zhì)量效率高度線性相關(guān).

3.2.4 氣體質(zhì)量效率與氣體壓力的關(guān)系

（1）挖掘管插入模擬月壤內(nèi)

氣動開挖和輸送模擬月壤的氣體質(zhì)量效率跟氣體的狀態(tài)（速度、壓力、流量等）密切相關(guān).圖12顯示了采用多種噴氣方式、相對流量為5L·min-1左右時，三種不同壓力下的氣體質(zhì)量效率.試驗的土樣制備采用第一種方法.由兩圖可知，當(dāng)挖掘管插入深度為5cm和10cm，壓力調(diào)節(jié)范圍為170kPa～290 kPa時，氣體質(zhì)量效率隨著壓力的增加而增加.

圖9 氣壓為170，230，290kPa時挖掘管插入深度對氣體質(zhì)量效率的影響Fig.9 The mass efficiency with different burial depth when the gas pressure is 170，230，290kPa

圖10 不同氣壓下氣體質(zhì)量效率與挖掘管插入深度的關(guān)系Fig.10 The relationship between mass efficiency with burial depth

（2）模擬月壤注入挖掘管內(nèi)

圖13顯示了挖掘管插入深度為5～50cm，相對流量為3L·min-1左右時，三種不同壓力下的氣體質(zhì)量效率.試驗的土樣制備采用第二種方法.由該圖可知，當(dāng)挖掘管插入深度為5cm和50cm，壓力調(diào)節(jié)范圍為100～300kPa時，氣體質(zhì)量效率隨著壓力的增加先增加后降低，氣體的壓力在200kPa時的氣體質(zhì)量效率較高.

圖11 氣壓為100，200，300kPa時氣體質(zhì)量效率與挖掘管插入深度關(guān)系的擬合曲線Fig.11 The fitted curves of relationship between mass efficiency with burial depth when the gas pressure is 100，200，300kPa

分析其原因，壓縮氣體經(jīng)由進氣管進入挖掘管內(nèi)部，由于氣體壓力較大時，氣體在進入處于真空環(huán)境的挖掘管內(nèi)的氣體流速比較大，一旦氣體流速過大之后，氣體直接將沖破土層進入到挖掘管內(nèi)，而沒能有效地帶動挖掘管內(nèi)的土壤.

3.3 顆粒運移機理

圖12 插入深度為5，10cm時氣壓對氣體質(zhì)量效率的影響Fig.12 The affection of gas pressure to mass pressure when the burial depth is 5and 10cm

圖13 插入深度為5～50cm時氣壓對氣體質(zhì)量效率的影響Fig.13 The affection of gas pressure to mass pressure when the burial depth changes from 5cm to 50 cm

挖掘管插入深度不同時，模擬月壤顆粒的運移特性也截然不同.當(dāng)插入深度較小時（如5cm或10 cm），挖掘管內(nèi)部的模擬月壤迅速被流化，模擬月壤顆粒的運動速度很高.本試驗中，挖掘管和排土軟管的長度約為1.2m，模擬月壤顆粒最快在0.2s內(nèi)進入集土箱，若將此過程視為勻加速運動，運用運動學(xué)方程可知，顆粒的平均運動速率為6m·s-1，顆粒的加速度約為48m·s-2.模擬月壤顆粒的運動速度主要來自壓縮氣體在真空中的快速膨脹帶來的“爆炸”效果.此過程雖為密相氣力輸送，但已具備稀相氣力輸送的特點.高速氣體沿輸土軟管迅速自集土箱上的過濾器逃逸到真空箱內(nèi)，因此氣體的能量消耗較大，氣體質(zhì)量效率處于較低的水平.

當(dāng)挖掘管插入深度較大時（30～50cm），模擬月壤流態(tài)化的現(xiàn)象不明顯.模擬月壤將在上下界面壓差的作用下被整層托起，呈現(xiàn)出柱塞式密相輸送的狀態(tài).此時，氣體和模擬月壤顆粒的速度較低，固氣比很高，氣體的能量大部分被轉(zhuǎn)化為模擬月壤顆粒的動能，因此氣體的能耗小，氣體質(zhì)量效率明顯提高.圖14為顆粒柱塞式密相輸送示意圖.

圖14 顆粒密相輸送示意圖Fig.14 Particles dense-phase transporting system

當(dāng)挖掘管插入深度介于中間值時，模擬月壤顆粒的流態(tài)化處于中相氣力輸送的狀態(tài)，氣體和模擬月壤顆粒的速度處于中間值.相應(yīng)地，氣體質(zhì)量效率也處于中間水平.

綜上所述，如果輸送距離較短，應(yīng)盡量增大挖掘管的插入深度以提高氣體質(zhì)量效率，減少氣體質(zhì)量消耗.當(dāng)輸送距離較大時，可適當(dāng)減少挖掘管插入深度以獲得較高的輸送速度.

4 結(jié)論

（1）脈沖噴氣方式為開0.5s、關(guān)0.5s時在其他試驗指標(biāo)相同（壓縮氣體氣壓值相同、挖掘管插入深度相同）時各脈沖噴氣方式中氣體質(zhì)量效率往往最大.

（2）氣體質(zhì)量效率與挖掘管的埋入深度成高度的線性相關(guān).

（3）氣體質(zhì)量效率有隨氣體氣壓值呈現(xiàn)先增加然后降低的趨勢.在壓縮氣體氣壓值較高的情況下，由于氣體進入挖掘管內(nèi)速度較大，直接沖破土層，沒有將月壤有效地流化，因此氣體質(zhì)量效率有降低的趨勢.

（4）挖掘管在插入深度較大時，呈現(xiàn)柱塞式的密相輸送現(xiàn)象，此時輸送效率較高.如果挖掘管插入深度較小，則為稀相輸送狀態(tài)，氣體沿月壤之間縫隙“逃逸”較多，此時輸送效率較小.

［1］ 白云，鄭彥龍，寇磊，等.月壤開挖技術(shù)研究現(xiàn)狀綜述［J］.中國科技論文在線，2013，21（2）：97.BAI Yun，ZHENG Yanlong，KOU Lei，etal.The research review of lunar regolith excavation［J］.Sciencepaper Online，2013，21（2）：97.

［2］ Schaefer L J，Neathery K J，Stencel M J.Evaluation of a pneumatic Martian soil sampler concept［R］.Leixington：University of Kentucky，1994.

［3］ Zacny K，Mueller R，Galloway G，etal.Novel Approaches to Drilling and Excavation on the Moon［C］//AIAA Space 2009 Conference &Exposition.Pasadena：AIAA，2009：6431-6443.

［4］ Zacny K，Huang K，McGehee M，etal.Lunar soil extraction using flow of gas［C］//Revolutionary Aerospace Systems Concepts-Academic Linkage （RASC-AL）Conference.Cocoa Beach：National Aeronautics and Space Administration，2004.

［5］ Zacny K，Mungas G，Mungas C，etal.Pneumatic excavator and regolith transport system for lunar ISRU and construction［C］//AIAA SPACE 2008 Conference &Exposition.San Diego：AIAA，2008：9-11.

［6］ Zacny K，Craft J， Hedlund M，etal.Investigating the efficiency of pneumatic transfer of JSC-1a lunar regolith simulant in vacuum and lunar gravity during parabolic flights［C］//AIAA Space 2010 Conference &Exposition.Anaheim：AIAA，2010：1097-1106.

［7］ Carter L J，McKay S D，Allen C C，etal.New lunar root simulants：JSC-2 （JSC Clone）and JSC-3［R］.Huntsville：Marshall Space Flight Center，2005.

［8］ Simulant Working Group of the Lunar Exploration Analysis Group and Curation and Analysis Planning Team for Extraterrestrial Materials.Status of lunar regolith simulants and demand for Apollo lunar samples［R］.Berkeley：NAC Planetary Science Subcommittee，2010.

［9］ Arslan H，Batiste S，Sture S.Engineering properties of lunar soil simulant JSC-1A［J］.Journal of Aerospace Engineering，2010，23（1）：70.