面向深空探測(cè)的星球鉆取采樣技術(shù)綜述

唐鈞躍，鄧宗全，陳崇斌，王印超，全齊全，姜生元，唐德威

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

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面向深空探測(cè)的星球鉆取采樣技術(shù)綜述

唐鈞躍，鄧宗全，陳崇斌，王印超，全齊全，姜生元，唐德威

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

回顧國(guó)內(nèi)外星球鉆取采樣技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了星壤的物理力學(xué)特性及模擬星壤制備工藝，著重分析了鉆進(jìn)取心特性實(shí)驗(yàn)及理論研究成果，深入剖析了包含鉆進(jìn)狀態(tài)參數(shù)辨識(shí)及自主鉆進(jìn)控制在內(nèi)的星球自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程關(guān)鍵技術(shù)問題。在此基礎(chǔ)上，以我國(guó)探月三期工程無(wú)人鉆取采樣任務(wù)為研究背景，提出了對(duì)星球鉆取采樣技術(shù)的展望與建議。

深空探測(cè)；星球鉆取采樣；星壤；鉆進(jìn)取心特性；自適應(yīng)鉆進(jìn)

0 引 言

對(duì)未知世界的探索，是人類發(fā)展的永恒動(dòng)力；對(duì)茫茫宇宙的認(rèn)知，是人類進(jìn)步的不懈追求[1-2]。從1957年第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik發(fā)射成功，到1969年人類首次踏足月球并收集月壤樣品，再到2014年Rosetta號(hào)著陸于67P號(hào)彗星表面開展原位土體探測(cè)，人類的深空探索已基本覆蓋太陽(yáng)系內(nèi)絕大數(shù)的行星、衛(wèi)星及小行星等天體。針對(duì)未來(lái)星球探測(cè)任務(wù)，當(dāng)前亟需一種穩(wěn)定可靠地到達(dá)指定目標(biāo)深度并有效采集土體樣本的實(shí)現(xiàn)方式。相較于其他土體破壞方法，鉆取采樣借助采樣鉆具的回轉(zhuǎn)和進(jìn)尺耦合運(yùn)動(dòng)可相對(duì)高效、便捷、穩(wěn)定地去除表層土體，在獲取沿深度方向星壤樣品的同時(shí)，可顯著減少對(duì)周圍原位星壤的破壞，因此該方法當(dāng)前已被廣泛地應(yīng)用于各國(guó)地外天體探測(cè)任務(wù)[3]。

地外天體受極端溫度、稀薄大氣等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致其表面分布著一層厚約數(shù)米至數(shù)十米含有不同組分的星壤顆粒[4-6]。由于不同星壤組分的物理-力學(xué)特性存在較大差異，鉆進(jìn)過程中采樣裝置所受力載極有可能發(fā)生劇烈波動(dòng)，嚴(yán)重影響鉆進(jìn)穩(wěn)定性和取樣質(zhì)量。受探測(cè)雷達(dá)精度制約，目前星球鉆取采樣仍無(wú)法提前獲取采樣點(diǎn)處準(zhǔn)確地質(zhì)層理信息[7-8]。為保證采樣任務(wù)的順利實(shí)施，鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)力載須實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并控制在合理范圍內(nèi)。當(dāng)前星球鉆取采樣控制方法主要包含：地面遠(yuǎn)距離遙控和星球表面自主控制。鑒于地球與目標(biāo)星球間通訊不可避免地存在傳輸延時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)遲滯勢(shì)必影響鉆取任務(wù)的可靠實(shí)施[9-10]。因此在任務(wù)執(zhí)行中將以星球表面的自適應(yīng)鉆進(jìn)為主要控制方法，以地面遙控方式為輔助控制方法。

自2004年正式開展探月工程以來(lái)，我國(guó)已先后完成了對(duì)月球的“繞”、“落”探測(cè)任務(wù)，收集了大量有關(guān)月表地形地貌的原始數(shù)據(jù)[11]。目前正在實(shí)施的探月三期工程無(wú)人自主采樣任務(wù)將利用鉆取采樣的方式獲取深度約為兩米的連續(xù)月壤樣品并返回地球。本文面向未來(lái)深空探測(cè)的星球鉆取采樣任務(wù)，在回顧當(dāng)前星球鉆取采樣技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合我國(guó)的探月工程背景，重點(diǎn)探討星球鉆取采樣中的關(guān)鍵問題：鉆進(jìn)取心特性及自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程，并結(jié)合我國(guó)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)基礎(chǔ)，提出了發(fā)展星球鉆取采樣研究的展望和建議。

1 星球鉆取采樣技術(shù)發(fā)展概述

上天、入地、下海自古以來(lái)一直是人類探索自然的三大壯舉[12]。星球鉆取采樣占據(jù)三大壯舉中的前兩項(xiàng)，在實(shí)現(xiàn)過程中極具挑戰(zhàn)性。依據(jù)巖土鉆掘?qū)W定義，星球鉆取采樣屬于科學(xué)鉆探的分支?？茖W(xué)鉆探旨在通過勘測(cè)星球土壤，獲悉星球內(nèi)部地質(zhì)結(jié)構(gòu)，研究星球形成和生命演化等重大科學(xué)問題。

1.1 地面?zhèn)鹘y(tǒng)鉆探技術(shù)概述

人類鉆探起源于我國(guó)勞動(dòng)人民鉆鑿鹽井[13]。目前，常用的地面鉆探方法主要有：金剛石回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、三牙輪鉆進(jìn)和氣動(dòng)潛孔錘鉆進(jìn)。不同于金剛石鉆進(jìn)，牙輪鉆進(jìn)為不取心的全面鉆進(jìn)。常用的取心方法有常規(guī)提鉆取心、繩索取心和水力/空氣反循環(huán)取樣，生產(chǎn)中應(yīng)用繩索取心和反循環(huán)取樣較多[14]。繩索取心是一種不提鉆的鉆探技術(shù)。當(dāng)樣心充滿取心管時(shí)，借助繩索打撈工具在鉆桿內(nèi)可將樣心管撈取上來(lái)。此方法可有效減少鉆桿升降次數(shù)和動(dòng)力消耗。反循環(huán)取樣分為空氣反循環(huán)和水力反循環(huán)[15]，具有鉆探效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于采用全面鉆進(jìn)的方式，所以不能真實(shí)反映所鉆地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

近年來(lái)，鉆探作業(yè)中的自動(dòng)化技術(shù)伴隨隨鉆測(cè)井技術(shù)的推進(jìn)得到了穩(wěn)步發(fā)展。輔助以隨鉆測(cè)量技術(shù)，新一代的自動(dòng)化鉆探技術(shù)可利用隨鉆測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整并控制鉆井參數(shù)(鉆壓、扭矩、轉(zhuǎn)速和泵壓等)。斯倫貝謝公司研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)為自動(dòng)化鉆探系統(tǒng)的代表。該系統(tǒng)能夠依據(jù)實(shí)時(shí)隨鉆測(cè)量和隨鉆測(cè)井的反饋數(shù)據(jù)對(duì)井下系統(tǒng)控制裝置的高級(jí)命令做出快速反應(yīng)，通過改變沖洗液的流速調(diào)整鉆進(jìn)狀態(tài)[16]。目前，大量鉆機(jī)上已配有本地遙控作業(yè)功能，可在控制室內(nèi)進(jìn)行常規(guī)作業(yè)，但是長(zhǎng)距離尤其是跨區(qū)域的遙控鉆探仍處于起步階段。2004年11月位于英國(guó)斯倫貝謝劍橋研究中心的科學(xué)家借助衛(wèi)星通訊技術(shù)發(fā)送遙控命令使得位于美國(guó)的斯倫貝謝試驗(yàn)中心的鉆機(jī)成功改變了泵排量，實(shí)現(xiàn)了人類首次跨洋遠(yuǎn)程遙控鉆井作業(yè)[17]。但是鑒于遠(yuǎn)程遙控對(duì)遠(yuǎn)程端操作人員的專業(yè)性要求較高，且出現(xiàn)緊急情況時(shí)仍需借助現(xiàn)場(chǎng)司鉆對(duì)工況進(jìn)行酌情判斷，因此該項(xiàng)技術(shù)目前仍處于摸索階段。

1.2 星球鉆取采樣技術(shù)概述

從20世紀(jì)50年代至今，多個(gè)國(guó)家針對(duì)地外天體開展了深入廣泛的鉆取采樣探索。其中，前蘇聯(lián)的Luna系列、美國(guó)的Apollo載人登月計(jì)劃和火星探測(cè)計(jì)劃以及歐空局的ExoMars火星探測(cè)計(jì)劃和Rosetta彗星探測(cè)計(jì)劃尤為矚目[18]。鑒于各國(guó)的星球鉆探任務(wù)目的不同，鉆取采樣器的鉆進(jìn)方式、取樣方式及控制策略均存在較大差異。

1.2.1 前蘇聯(lián)Luna系列鉆取采樣器

迄今為止，前蘇聯(lián)Luna系列是唯一成功實(shí)施月面無(wú)人鉆取采樣并返回的探測(cè)器[19]。Luna-16探測(cè)器采用外伸式機(jī)械臂搭載采樣器的方式鉆取月壤。螺旋鉆桿內(nèi)裝有用于取樣的取心管。當(dāng)采樣鉆具鉆至指定深度后，樣品連同鉆具一起轉(zhuǎn)移至返回器上方的收集容器中并隨之返回地球[20]。隨后發(fā)射的Luna-20探測(cè)器采樣方式與Luna-16類似。鉆進(jìn)中，鉆機(jī)在10cm后遭遇較大阻力并導(dǎo)致三次電機(jī)過熱故障，最終被迫在25cm處停止鉆進(jìn)，共收集55g月壤[21]。前蘇聯(lián)最后一次月面采樣任務(wù)Luna-24采用了改進(jìn)的滑軌式深層鉆取采樣方式，更大程度地利用了著陸器自重顯著提升了鉆壓力[22]。改進(jìn)后的鉆機(jī)具備回轉(zhuǎn)和沖擊功能，適應(yīng)于更為堅(jiān)硬的地質(zhì)層。螺旋鉆桿內(nèi)安置有一套復(fù)雜的取樣機(jī)構(gòu)，借助內(nèi)翻軟袋可有效包覆月壤樣品并保持其層理信息。當(dāng)鉆進(jìn)至指定深度時(shí)，通過樣品傳送機(jī)構(gòu)可完成月壤樣品的纏繞和封裝。不同于前兩次任務(wù)，Luna-24探測(cè)器采用閾值判斷的自主控制方法，借助彈簧機(jī)構(gòu)判斷鉆進(jìn)壓力是否超出設(shè)定的進(jìn)尺力閾值，及時(shí)啟動(dòng)沖擊電機(jī)以克服鉆進(jìn)阻力[23]。由Luna-24遙測(cè)結(jié)果可知，鉆進(jìn)過程中沖擊電機(jī)被頻繁地開啟，并曾兩次出現(xiàn)鉆壓力過大報(bào)警，最終鉆進(jìn)深度達(dá)2250mm，返回月壤總長(zhǎng)約1600mm，樣品質(zhì)量171g[24]。

1.2.2 美國(guó)Apollo登月計(jì)劃人工采樣器

美國(guó)地外天體鉆取采樣起始于20世紀(jì)60年代的阿波羅載人登月計(jì)劃[25]。與前蘇聯(lián)的無(wú)人自動(dòng)鉆取采樣方式不同，美國(guó)在開展月面鉆取采樣時(shí)采用人工鉆取采樣的方法獲取月壤樣品。Apollo11、12和14任務(wù)中，宇航員手持壓入式取心管獲取月壤樣品，最大壓入深度僅為70cm[26]。在后續(xù)的Apollo任務(wù)中，宇航員使用手扶式回轉(zhuǎn)沖擊式鉆具ALSD(Apollo lunar surface drill)開展月面采樣。此鉆具由一組456W(24 VDC/19 A)的電池驅(qū)動(dòng)，最高回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速280r/min，最大沖擊頻率37.8Hz，最大沖擊功4.4J/blow[27]。執(zhí)行任務(wù)過程中，宇航員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境自行選擇采樣點(diǎn)并實(shí)時(shí)調(diào)整鉆壓力和進(jìn)尺速率。Apollo15、16及17三次任務(wù)均成功實(shí)現(xiàn)了2.4m的鉆進(jìn)目標(biāo)，共取回4123g月壤樣品[28]。盡管采用人工鉆取采樣可更為靈活地選擇采樣點(diǎn)且實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)，但是在上提鉆具和回收月壤過程中卻易出現(xiàn)問題，例如：在Apollo15任務(wù)中宇航員為上提堵塞的鉆桿導(dǎo)致肩膀扭傷[29]。

1.2.3 美國(guó)Curiosity火星探測(cè)任務(wù)采樣器

2012年成功登陸火星的好奇號(hào)火星車上搭載了一套臂載回轉(zhuǎn)沖擊式鉆取采樣器，以實(shí)現(xiàn)火星表面多點(diǎn)沙土和巖石樣品的就位檢測(cè)[30]。該采樣器取樣深度僅為5cm，屬于淺層鉆取采樣器。鉆進(jìn)中，鉆壓力由機(jī)械臂壓縮鉆具與鉆機(jī)之間的儲(chǔ)能彈簧提供，并由機(jī)械臂對(duì)鉆進(jìn)深度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償[31-32]。采樣器采用直徑6mm的全面鉆頭。鉆進(jìn)過程中樣品經(jīng)由鉆頭與取心管之間環(huán)隙進(jìn)入收集腔供分析儀器開展原位測(cè)試。此采樣器采用了和Luna-24采樣器類似的閾值判斷自主鉆進(jìn)控制方法[33]。鉆進(jìn)過程中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流超過預(yù)設(shè)定的閾值時(shí)將自動(dòng)停止鉆進(jìn)，等待地面操作人員診斷完遙測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)送故障恢復(fù)的遙控指令后才能繼續(xù)鉆進(jìn)。

1.2.4 歐空局ExoMars火星車采樣器

歐空局預(yù)計(jì)于2018年發(fā)射的ExoMars火星探測(cè)計(jì)劃將借助巡視器開展火星表面的樣品探測(cè)和采集任務(wù)[34]。該采樣系統(tǒng)主要包括鉆取單元和位姿調(diào)整單元。鉆取單元由取心鉆具和內(nèi)部光譜探測(cè)儀組成。采樣系統(tǒng)的位姿調(diào)整單元實(shí)現(xiàn)鉆具的兩自由度運(yùn)動(dòng)[35]。探測(cè)器采用多桿組接的方式鉆進(jìn)取心。置于機(jī)械臂末端的鉆機(jī)內(nèi)裝有五根鉆桿，最大鉆進(jìn)深度2m。借助內(nèi)部桿件堵塞取心鉆頭孔將其變?yōu)槿驺@頭；到達(dá)預(yù)期采樣深度時(shí)，取心鉆頭前端塞桿抽離，鉆頭切換為普通取心鉆頭[36]。

1.2.5 歐空局Rosetta彗星探測(cè)任務(wù)SD2采樣器

針對(duì)彗星探測(cè)，歐空局于2004年開展了羅塞塔(Rosetta)探測(cè)計(jì)劃。經(jīng)歷10年約5億公里的太空飛行后，Rosetta探測(cè)器于2014年11月成功登陸丘留莫夫-格拉西緬科彗星開展探測(cè)任務(wù)[37]。Rosetta探測(cè)器搭載了一套鉆取采樣裝置(SD2)。SD2采樣器采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的工作方式，最大鉆進(jìn)深度20cm。該鉆具設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速100～150r/min，鉆進(jìn)功耗4～8W。鉆進(jìn)至目標(biāo)深度后，采樣鉆具將提升1mm以釋放取心管，繼續(xù)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)20s后收回取心管，實(shí)現(xiàn)樣品探測(cè)和收集任務(wù)。當(dāng)鉆進(jìn)堅(jiān)硬巖石時(shí)，采樣鉆具的最大鉆壓力分別可達(dá)60N和220N，進(jìn)尺速度約為1mm/min和2mm/min[38]。

1.2.6 美國(guó)USDC沖擊式超聲波鉆探器

針對(duì)未來(lái)小行星鉆取采樣中鉆壓力及鉆進(jìn)功耗較低的特點(diǎn)，美國(guó)航空航天局(NASA)基于壓電驅(qū)動(dòng)原理聯(lián)合研發(fā)了超聲波沖擊式鉆探器(USDC)。此鉆探器通過由高頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換成的低頻沖擊作用實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的向下鉆進(jìn)，主要包含：壓電換能器、自由質(zhì)量塊和鉆具[39]。采樣中，壓電換能器末端的超聲波振動(dòng)經(jīng)自由質(zhì)量塊轉(zhuǎn)化為鉆具的高頻機(jī)械振動(dòng)，從而縱向沖擊并破碎巖石。與傳統(tǒng)鉆探器不同，USDC只需較小的鉆壓力就可鉆進(jìn)較高硬度的巖石，克服了傳統(tǒng)鉆探器難以在低重力環(huán)境下工作的難題[40-41]。目前，美國(guó)計(jì)劃將USDC安裝于微型著陸器上或小型巡視機(jī)器臂上開展就位探測(cè)。

1.2.7 星球鉆取采樣器技術(shù)分析

星球鉆取采樣器均針對(duì)各自探測(cè)任務(wù)開發(fā)研制，在鉆探方式、取樣方法及控制策略等方面存在較大的技術(shù)差異，因此針對(duì)未來(lái)深空探測(cè)需對(duì)比各自技術(shù)特點(diǎn)，吸收各自成功經(jīng)驗(yàn)，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)。

(1)鉆探方式：除美國(guó)Apollo計(jì)劃采用人工采樣外，其余所有星球采樣任務(wù)均采用無(wú)人采樣器開展探測(cè)任務(wù)。其中，Curiosity采樣器及SD2探測(cè)器均為淺層鉆進(jìn)；Luna系列則為較深層鉆探，多采用回轉(zhuǎn)沖擊方式；ExoMars采樣器則主要針對(duì)深層鉆探任務(wù)設(shè)計(jì)，因而采用多桿組接的方式開展任務(wù)。

(2)取樣方法：考慮到星球采樣多在真空環(huán)境下開展，無(wú)法實(shí)現(xiàn)氣/液反循環(huán)取樣，因而歷次星球鉆取采樣任務(wù)均采用取心管采樣、繩索取樣或提鉆取樣的方法。在層理保持性方面取心管采樣及繩索取樣具有較大優(yōu)勢(shì)，例如Luna系列探測(cè)器采用軟袋取心的方式能夠獲取較為連續(xù)的月壤樣品。

(3)控制策略：針對(duì)淺層鉆進(jìn)，由于鉆進(jìn)工況較為簡(jiǎn)單，基于閾值判斷的在線控制方法大多可以勝任；針對(duì)較深層鉆探任務(wù)，采用上述控制策略則存在較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，例如Luna系列中曾多次發(fā)生鉆機(jī)過熱或鉆壓力過大的工況，利用閾值判斷的控制策略在鉆進(jìn)工況或鉆進(jìn)對(duì)象的力載適應(yīng)性方面仍存在較大不足，導(dǎo)致最終的取樣效果不甚理想。

2 星壤/模擬星壤研究現(xiàn)狀

2.1 星壤物理-力學(xué)特性

考慮到火星及小行星探測(cè)較月球探測(cè)執(zhí)行時(shí)間較短，目前關(guān)于火星及小行星土體的資料還鮮有發(fā)現(xiàn)，因此本文主要針對(duì)月球土壤(以下簡(jiǎn)稱為“月壤”)的物理-力學(xué)特性進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研。月壤是指覆蓋在月球基巖之上的所有月表風(fēng)化層物質(zhì)，即月球表面經(jīng)過各種風(fēng)化作用而形成的疏松堆積層[42]。其主要成分包括巖石碎屑、粉末、角礫和撞擊熔融玻璃等。月海區(qū)次表層月壤厚度約為4～5m，月陸區(qū)由于暴露于月表的時(shí)間較長(zhǎng)，受歷次沖擊成坑的濺射物的覆蓋，導(dǎo)致月壤堆積較厚，通?？蛇_(dá)10m。

如圖1所示，由Luna探測(cè)器采集的月壤樣品知，月壤粒徑分布極為廣泛，既有10mm以上的巖塊也有0.1mm以下的松散顆粒。表征月壤力學(xué)特性的參數(shù)主要包括壓縮性、抗剪強(qiáng)度、滲透性、承載能力、斜坡穩(wěn)定性和通過性等[43-45]。月壤的力學(xué)特性由其物理特性決定，包括顆粒形狀、粒徑分布、顆粒比重、堆積密度、孔隙率、相對(duì)密度等。而上述物理特性是通過若干具體物理參數(shù)描述的，例如，描述顆粒形狀的主要參數(shù)有：延性、長(zhǎng)度直徑比、圓度、體積系數(shù)、比表面積等。在所有物理特性中，月壤的天然密度和相對(duì)密度直接影響月壤的力學(xué)特性，進(jìn)而影響鉆進(jìn)取心效果。

圖1 前蘇聯(lián)Luna系列返回月壤樣品Fig.1 Lunar soil sampled by Soviet Union’s Luna probes

除上述參數(shù)外，月壤的抗剪強(qiáng)度直接影響鉆進(jìn)力載和取心效果。對(duì)于實(shí)際月壤的抗剪強(qiáng)度，特別是大深度處月壤的原位抗剪強(qiáng)度，目前沒有直接的測(cè)試數(shù)據(jù)，只能通過類比試驗(yàn)的方法獲得。Mitchell等[31]根據(jù)玄武巖模擬月壤地面試驗(yàn)繪制了內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力與相對(duì)密度三者間的關(guān)系曲線。根據(jù)返回月壤樣品估計(jì)的平均比重(Gs=3.1)及孔隙比(e=0.7～1.7)極限值，結(jié)合天然密度的估計(jì)值可獲得實(shí)際月壤的抗剪強(qiáng)度在較大深度范圍的分布情況。該分析方法通過天然密度將類比試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度結(jié)果和月壤深度聯(lián)系起來(lái)。事實(shí)上，該估計(jì)結(jié)果較實(shí)際月壤的剪切試驗(yàn)得出的內(nèi)聚力和摩擦角均偏大，這主要是由于：玄武巖模擬月壤與實(shí)際月壤在物質(zhì)組成上不完全相同；月壤樣品在返回地球和在地球環(huán)境的儲(chǔ)存過程中真空度發(fā)生變化；實(shí)際月壤的抗剪參數(shù)測(cè)定過程引起顆粒狀態(tài)變化。

2.2 模擬星壤制備工藝

無(wú)論是著陸器還是巡視器，一旦其接觸星球表面就將與星壤發(fā)生相互作用。目前，隨著深空探測(cè)任務(wù)的不斷深入和拓展，前蘇聯(lián)和美國(guó)采集回來(lái)的月壤已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足地面實(shí)驗(yàn)研究的需求，因此亟需研制大量與真實(shí)月壤自然屬性一致的模擬月壤。

在Apollo任務(wù)初期，美國(guó)NASA根據(jù)月球探測(cè)器Surveyor I和III獲得的探測(cè)數(shù)據(jù)，在12種不同成分的模擬月壤中，選擇了紅色的火山渣和大理石作為原料，經(jīng)破碎、研磨后混合成模擬月壤，用于著陸器的著陸沖擊實(shí)驗(yàn)。1970年以后，美國(guó)相繼研制了MLS和JSC系列等多種模擬月壤。MLS系列研制于Apollo后期，參考Apollo11號(hào)高鈦含量的月陸月壤，主要成分為玄武巖。至1990年代，針對(duì)月海和月陸兩種不同的地質(zhì)特征，NASA研制了JSC系列模擬月壤，該系列也是目前應(yīng)用最廣的模擬月壤。JSC系列中的JSC-1型模擬月壤主要從模擬低鈦含量的角度進(jìn)行研制，基材是富含玻璃的玄武質(zhì)火山灰，通過研磨、篩分制備而成，其化學(xué)組成、礦物成分、顆粒形狀、顆粒粒徑分布、比重、內(nèi)摩擦角及粘聚力參數(shù)與Apollo14號(hào)采集的月海低鈦月壤相似[46]。JSC-1A型模擬月壤以開挖、取樣等實(shí)驗(yàn)為研究目標(biāo)研制，因此在JSC-1型模擬月壤中添加了較大顆粒[47]。除上述兩種模擬月壤外，美國(guó)針對(duì)未來(lái)重返月球計(jì)劃，重新研制了標(biāo)準(zhǔn)模擬月壤NU-LHT[48]。如圖2所示，NU-LHT采用與JSC系列類似的加工工藝，將礦石原料初加工破碎后加入氧化鋁研磨劑研磨至適當(dāng)粒徑，再進(jìn)行多種原料的混合攪拌。與JSC和MSL系列不同，NU-LHT型模擬月壤原料為低鈦型礦石和高鈣型礦石，與真實(shí)月壤成分更為接近。

圖2 美國(guó)NU-LHT標(biāo)準(zhǔn)模擬月壤制備流程Fig.2 Preparation processes of American NU-LHT standard lunar soil simulant

為滿足月球采樣任務(wù)實(shí)驗(yàn)需求，日本研制了MKS-1和FJS-1用以模擬Apollo14號(hào)采集的月海低鈦型模擬月壤[49]。隨著中國(guó)月球探測(cè)的不斷深入，國(guó)內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)也研制了多種模擬月壤。例如：中國(guó)科學(xué)院與國(guó)家天文臺(tái)合作研制了模擬月壤CAS-1和NAO-1，其中CAS-1與Apollo14樣品的元素組成和物理力學(xué)性質(zhì)接近[50]。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)以我國(guó)新生代火山巖為原料研制出了模擬月壤CUG-1A。該模擬月壤與實(shí)際月壤的化學(xué)性質(zhì)、元素組成和物理力學(xué)性質(zhì)比較接近。同濟(jì)大學(xué)在CAS-1和NAO-1型模擬月壤基礎(chǔ)上，將模擬月壤烘干、粉碎、篩分獲得符合目標(biāo)力學(xué)指標(biāo)的模擬月壤TJ-1[51]?；谠氯榔骄阅軈?shù)，華南理工大學(xué)研制了一種典型基礎(chǔ)模擬月壤樣品，主要用于月球探測(cè)工程和月球基地的相關(guān)研究。上述模擬月壤制備方法都較好的選取了模擬月壤原材料并配以復(fù)雜的制備工藝，研制出了與真實(shí)月壤屬性相近的模擬月壤，但是制備中大多忽略了沿深度方向上月壤的密度變化[52-53]。

針對(duì)未來(lái)小行星探測(cè)任務(wù)，目標(biāo)星壤與月壤間勢(shì)必存在一定程度上的物理屬性差異，因此在未獲得實(shí)際星壤前，可依據(jù)衛(wèi)星獲取的行星表面遙測(cè)數(shù)據(jù)推斷此星球星壤的物質(zhì)組成，選用合適的模擬星壤原料，并根據(jù)探測(cè)任務(wù)的特點(diǎn)選用相應(yīng)的制備工藝，進(jìn)而制備出物理力學(xué)屬性相似的模擬星壤。

3 鉆壤作用力學(xué)特性研究現(xiàn)狀

受火箭運(yùn)載能力限制，星球鉆取采樣大多采用小型化鉆機(jī)，此類鉆機(jī)所能提供的鉆壓力及鉆進(jìn)功耗都無(wú)法與地面鉆探相比。在此工況下，星球鉆取采樣呈現(xiàn)出其獨(dú)有的物理規(guī)律，即為鉆進(jìn)取心特性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要借助于地面實(shí)驗(yàn)和理論建模的手段研究鉆壤作用過程，以期獲得影響鉆進(jìn)力載和取樣效果的關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化鉆機(jī)結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)。

3.1 鉆進(jìn)取心特性實(shí)驗(yàn)研究

美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的Zacny[54]以火星鉆探為背景，開展了火星環(huán)境下鉆進(jìn)取樣研究。利用半自動(dòng)的鉆采系統(tǒng)和火星環(huán)境模擬試驗(yàn)箱開展了以砂巖、大理巖、含水土壤和冰為鉆進(jìn)對(duì)象，以孕鑲金剛石鉆頭、PDC鉆頭和復(fù)合片鉆頭為鉆具的室內(nèi)模擬鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中通過真空泵保證試驗(yàn)箱內(nèi)氣壓基本穩(wěn)定于4torr(火星表面氣壓值)，并利用加熱裝置加熱模擬星壤樣本至80℃，鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)采集星壤樣本的溫升、鉆具外表溫升、鉆具回轉(zhuǎn)扭矩、鉆壓力等關(guān)鍵指標(biāo)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在含有水的星壤樣本鉆進(jìn)時(shí)，樣本中的水易發(fā)生升華，變成氣體后有利于鉆孔底部切屑的運(yùn)移排屑，有效降低了鉆進(jìn)功率，同時(shí)極大改善了孔底的鉆具應(yīng)力狀態(tài)，降低了鉆頭處磨損[55]。后續(xù)試驗(yàn)中，引入了氣體沖洗裝置，開展了不同氣壓條件下的排屑效率分析。

圖3 模擬火星環(huán)境的鉆進(jìn)取心實(shí)驗(yàn)Fig.3 Drilling tests under simulated martian environment

英國(guó)薩里大學(xué)針對(duì)歐空局未來(lái)低重力環(huán)境下的星球鉆探任務(wù)提出了一種仿生型的雙向交錯(cuò)往復(fù)鉆進(jìn)方式[56]。如圖4所示，此鉆進(jìn)方式參考木胡蜂產(chǎn)卵器的雙瓣結(jié)構(gòu)，通過控制雙瓣鉆桿的上下交錯(cuò)往復(fù)振動(dòng)鉆進(jìn)土體。鉆進(jìn)中，當(dāng)其中一瓣鉆桿開始沖擊振動(dòng)時(shí)，另一瓣鉆桿利用其特殊構(gòu)型提供向下的額外鉆壓力，從而使得鉆進(jìn)過程中鉆頭前端可獲得更多的鉆壓力[57]?？紤]到星球低重力環(huán)境，雙向交錯(cuò)往復(fù)鉆進(jìn)方式可一定程度上提高采樣器的鉆進(jìn)效率。鑒于此鉆進(jìn)方式對(duì)原位土體的破壞較大，且為全面鉆頭鉆進(jìn)，樣品的層理信息保持性較差。

圖4 雙向交錯(cuò)往復(fù)鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)Fig.4 Dual-reciprocating drilling experiments

受日本航天局空間教育中心資助，日本綜合研究大學(xué)院大學(xué)Nagaoka等[58]以月球探測(cè)為背景，系統(tǒng)分析了阿基米德螺旋機(jī)構(gòu)在空間機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用，提出了一種新型正反向雙螺旋鉆進(jìn)方法。該鉆機(jī)在圓錐型母體上設(shè)計(jì)了兩段不同旋向的螺旋翼，其中前端螺旋翼主要完成原位土體的擾動(dòng)，后端螺旋翼則將擾動(dòng)后的土體向上運(yùn)移，兩段螺旋翼由兩電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。如圖5所示，單螺旋與正反向雙螺旋鉆進(jìn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明：采用正反向螺旋并匹配合適的轉(zhuǎn)速比可有效抵消鉆具所受到的土體反作用力，提高鉆進(jìn)效率?？紤]到此鉆進(jìn)屬于全面鉆進(jìn)，且對(duì)硬件資源提出較高要求，目前仍在實(shí)驗(yàn)階段。

圖5 正反向雙螺旋鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)Fig.5 Contra-rotor screw drilling experiments

哈爾濱工業(yè)大學(xué)宇航空間機(jī)構(gòu)及控制研究中心結(jié)合我國(guó)探月三期工程要求提出了一種軟袋式取心方法。采用內(nèi)翻式的軟袋包覆月壤樣心，鉆進(jìn)過程中軟袋處于固定位置，保持管隨鉆具一起向下鉆進(jìn)取心。由于鉆進(jìn)過程中軟袋與樣心間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，該取心方法可保持樣心的層理信息。研究者基于此取心原理研制了兩米級(jí)的鉆取采樣測(cè)試平臺(tái)，并利用此測(cè)試平臺(tái)開展了不同鉆頭構(gòu)型、不同鉆桿構(gòu)型及不同鉆進(jìn)工藝參數(shù)下的鉆進(jìn)取心實(shí)驗(yàn)，獲取了實(shí)時(shí)鉆進(jìn)負(fù)載及最終的取樣量[59]。

3.2 鉆進(jìn)取心特性理論研究

無(wú)論從礦物成分還是粒徑級(jí)配等角度分析，星壤都屬于傳統(tǒng)“土壤”的范疇，因此開展鉆進(jìn)取心特性研究時(shí)可參考地面?zhèn)鹘y(tǒng)鉆壤作用研究。目前，地面鉆壤作用力學(xué)特性研究大多借助土力學(xué)相關(guān)理論，通常依據(jù)鉆壤作用區(qū)域與作用機(jī)理不同，將鉆壤整體力學(xué)作用分為鉆頭切削和鉆桿排屑[60-61]。

3.2.1 鉆頭回轉(zhuǎn)切削理論

與直線切削土體不同，回轉(zhuǎn)切削過程中切削刃的軌跡為圓弧，導(dǎo)致實(shí)際切削角比刀角要小，且切削刃上方的土體自重也將對(duì)切削土體產(chǎn)生影響，此外回轉(zhuǎn)切削外側(cè)刃與孔壁始終接觸，因此相應(yīng)的側(cè)向阻力也與直線切削不同[62-63]。目前，關(guān)于土體的回轉(zhuǎn)切削理論研究較少，哈爾濱工業(yè)大學(xué)趙偉民與日本愛媛大學(xué)在此方面開展了相關(guān)合作，在McKyes[63]直線切削模型基礎(chǔ)上，提出了土體的回轉(zhuǎn)切削模型，并推導(dǎo)了回轉(zhuǎn)切削土阻力矩與切削角及刃角間的關(guān)系[64]。該切削模型考慮了切削角與刃角間的差異和側(cè)向土體的剪切破壞對(duì)切削力的影響。研究表明：1)刀具的切削角是回轉(zhuǎn)切削阻力的主要影響因素，且阻力與切削角呈非線性關(guān)系，最小阻力切削角受土體的物理-力學(xué)參數(shù)的影響；2)土的物理力學(xué)特性參數(shù)中，土的剪切強(qiáng)度和內(nèi)摩擦角是影響旋挖切削阻力的主要參數(shù)，且內(nèi)摩擦角和剪切強(qiáng)度的越大切削阻力隨之越大。

3.2.2 螺旋鉆桿排屑理論

鉆進(jìn)過程中，螺旋鉆桿主要用于運(yùn)移鉆頭切削月壤產(chǎn)生的鉆屑，其排屑原理類似于螺旋輸送機(jī)[65-66]。加州大學(xué)伯克利分校的Zacny等[54]基于螺旋輸送原理，分析了螺旋翼上的土體微元的受力情況，得到了螺旋鉆桿的驅(qū)動(dòng)力矩與鉆桿的尺寸參數(shù)、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速及物料的物理力學(xué)參數(shù)間的關(guān)系模型，并對(duì)該理論模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉飛通過分析空心外螺旋鉆桿與月壤間的相互作用特性，提出了螺旋鉆桿排屑過程的“光桿模型”，并基于此模型建立了螺旋鉆桿與月壤相互作用的等效力學(xué)模型[67]。在此等效模型中，將螺旋鉆桿與土體間的相互作用力等效至螺旋鉆桿螺旋翼的包絡(luò)面上，并對(duì)螺旋槽內(nèi)的鉆屑微元進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和靜力學(xué)分析，建立了螺旋鉆桿的排粉阻力矩和輔助鉆壓力與土體物理-力學(xué)參數(shù)、鉆桿構(gòu)型尺寸參數(shù)和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)的解析模型。

4 星球自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程研究現(xiàn)狀

星球鉆取采樣中，采樣器排屑方式較為單一，所能利用的鉆進(jìn)工藝參數(shù)和鉆進(jìn)能量都極為有限，加之星地鏈路不可避免存在時(shí)滯，無(wú)法借助地面遙控實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)，因此為應(yīng)對(duì)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)，亟需開展星球表面自適應(yīng)的鉆進(jìn)規(guī)程研究，以期通過實(shí)時(shí)辨識(shí)當(dāng)前鉆進(jìn)對(duì)象，并依據(jù)當(dāng)前鉆進(jìn)對(duì)象的物理力學(xué)屬性及時(shí)調(diào)整合適的鉆進(jìn)工藝參數(shù)(例如回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、進(jìn)尺速率、沖擊頻率等)進(jìn)行潛在故障的修復(fù)及降荷處理，進(jìn)而達(dá)到有效控制鉆進(jìn)力載，提高鉆進(jìn)過程取心率，規(guī)避鉆進(jìn)故障的目的。

4.1 鉆進(jìn)狀態(tài)參數(shù)及其辨識(shí)方法

實(shí)時(shí)獲取鉆進(jìn)狀態(tài)參數(shù)并正確識(shí)別當(dāng)前鉆進(jìn)工況是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程的前提條件。為應(yīng)對(duì)未來(lái)的火星深層鉆探計(jì)劃，美國(guó)NASA聯(lián)合佐治亞理工學(xué)院提出了基于激光多普勒測(cè)振儀的鉆進(jìn)狀態(tài)辨識(shí)方法[68]。如圖6所示，鉆進(jìn)過程中兩臺(tái)激光測(cè)振儀被安置于鉆具前端發(fā)送并接收干涉激光，將信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)傅里葉變換獲得鉆桿在多方向上的自然頻率和振動(dòng)模態(tài)，并將其作為辨識(shí)參數(shù)輸入至人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。在2006年南極科考實(shí)驗(yàn)中，該鉆進(jìn)狀態(tài)辨識(shí)方法成功辨識(shí)出了5種鉆進(jìn)故障。在鉆進(jìn)含冰層時(shí)，由于液態(tài)水在低溫環(huán)境中發(fā)生凝固導(dǎo)致辨識(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)了故障誤判[69-70]。鑒于該鉆進(jìn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法借助于多臺(tái)外部傳感器獲取鉆桿的鉆進(jìn)特征，應(yīng)用中對(duì)傳感器的安裝、集成等方面提出了較高要求，因此該方法目前仍處于地面實(shí)驗(yàn)階段。

圖6 基于激光多普勒測(cè)振儀的鉆進(jìn)狀態(tài)辨識(shí)方法Fig.6 Drilling status recognition method based on LDVs

4.2 星球無(wú)人自主鉆進(jìn)控制方法

美國(guó)NASA聯(lián)合Honeybee Robotics公司針對(duì)火星表面原位探測(cè)任務(wù)研制了MARTE地面樣機(jī)[71]。該樣機(jī)借助公共通訊架構(gòu)整合了多種不同的傳感及驅(qū)動(dòng)單元，并利用遙控遙測(cè)接口及任務(wù)分布器，通過遠(yuǎn)程端發(fā)送指令至臨時(shí)處理器，再由處理器完成與分布器的指令傳遞。針對(duì)未來(lái)無(wú)人深層鉆取采樣任務(wù)，NASA基于多種故障辨識(shí)方法開發(fā)了具備完全自主鉆進(jìn)控制的DAME鉆取采樣試驗(yàn)平臺(tái)[72]。如圖7所示，基于規(guī)則、振動(dòng)監(jiān)測(cè)及模型預(yù)測(cè)三種診斷方法，DAME可將鉆進(jìn)故障診斷結(jié)果輸入至仲裁程序中，若故障發(fā)生的可能性超過預(yù)先設(shè)定值，則啟動(dòng)故障修復(fù)程序，并中斷鉆進(jìn)主程序?？刂破鲗⑵ヅ涔收媳孀R(shí)結(jié)果與預(yù)先設(shè)定的鉆進(jìn)規(guī)程，并將控制指令輸出至驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行故障修復(fù)動(dòng)作，待故障修復(fù)后返回至鉆進(jìn)主程序[73]。通過此閉環(huán)控制方法，DAME能夠準(zhǔn)確識(shí)別出“鉆桿卡鉆”、“鉆桿受拉”等6種故障，并能根據(jù)辨識(shí)并修復(fù)故障。

圖7 DAME原理樣機(jī)自主控制方法Fig.7 The control strategy of DAME prototype

5 展望與建議

星球鉆取采樣，無(wú)論在作業(yè)對(duì)象還是鉆探條件等方面都與地面?zhèn)鹘y(tǒng)鉆探存在顯著差異。其中，鉆探方法、鉆進(jìn)取心特性機(jī)理、鉆進(jìn)對(duì)象辨識(shí)方法及自適應(yīng)閉環(huán)鉆進(jìn)控制等問題是亟待解決的瓶頸問題，是實(shí)現(xiàn)全流程最優(yōu)化鉆進(jìn)的重要基礎(chǔ)。綜合上述，筆者提出如下四個(gè)方面的發(fā)展建議。

5.1 依據(jù)任務(wù)特點(diǎn)選用合適的鉆探方法

目前，受航天器運(yùn)載能力的限制，探測(cè)器所能提供的鉆進(jìn)功耗、鉆壓力等關(guān)鍵指標(biāo)較地面鉆探普遍較小，因此為保證任務(wù)的可靠實(shí)施，須有針對(duì)性的選用合適的鉆探方法。針對(duì)搭載于巡視器機(jī)械臂末端的淺層鉆探，可采用超聲波鉆探器的鉆探方法；針對(duì)較深層鉆探(大于50cm小于2m)，多可采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)沖擊鉆具的鉆探方法，利用電磁電機(jī)提供回轉(zhuǎn)和沖擊運(yùn)動(dòng)；針對(duì)深層鉆探(大于2m)，鑒于目標(biāo)深度偏大，不宜采用傳統(tǒng)的單鉆具方案，否則會(huì)帶來(lái)鉆具難以安裝、樣品取心不宜實(shí)現(xiàn)等技術(shù)問題，此時(shí)可采用多桿組接的鉆探方法，將鉆具分成多段，鉆進(jìn)時(shí)樣品分段取出。

5.2 研究特定鉆探環(huán)境下的鉆進(jìn)取心機(jī)理

星球鉆取采樣區(qū)別于地面?zhèn)鹘y(tǒng)鉆探的重要特征即為其特殊的鉆探環(huán)境。針對(duì)無(wú)水干鉆環(huán)境(例如：月球)，應(yīng)充分考慮顆粒體固有的剪脹效應(yīng)、糧倉(cāng)效應(yīng)，研究星壤固體顆粒在鉆具擾動(dòng)作用下的幾何形態(tài)分布、應(yīng)力狀態(tài)變化；針對(duì)含固態(tài)水的鉆探環(huán)境(例如：火星)，需在上述鉆進(jìn)取心機(jī)理的基礎(chǔ)上，耦合固態(tài)水受熱引發(fā)的三相轉(zhuǎn)換特性，研究星壤此時(shí)的切削和排屑特性，揭示鉆-壤-水作用下的取心機(jī)理。針對(duì)既定的鉆探條件，為獲取影響鉆進(jìn)取心的關(guān)鍵物理參數(shù)，需在大量鉆進(jìn)取心實(shí)驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，觀測(cè)在不同鉆進(jìn)工藝參數(shù)及不同鉆具構(gòu)型參數(shù)下星壤的宏微觀力學(xué)行為。

5.3 基于有限傳感器資源準(zhǔn)確辨識(shí)鉆進(jìn)對(duì)象

鑒于真實(shí)星球鉆探環(huán)境極為復(fù)雜，且可利用的星載資源極為有限，如何在無(wú)水干鉆的惡劣條件下實(shí)現(xiàn)基于有限傳感器資源的鉆進(jìn)工況辨識(shí)成為急需解決的關(guān)鍵問題。相較于針對(duì)鉆進(jìn)對(duì)象的辨識(shí)方法，鉆進(jìn)故障的辨識(shí)方法依據(jù)既定的故障種類及故障閾值進(jìn)行辨識(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在非故障工況下的鉆進(jìn)狀態(tài)辨識(shí)，進(jìn)而無(wú)法平衡全流程采樣器所受到的鉆進(jìn)力載和當(dāng)前取樣量，即在保證鉆進(jìn)力載不超過設(shè)定的安全閾值前提下應(yīng)盡可能多獲取星壤樣品。針對(duì)單點(diǎn)單次采樣任務(wù)，亟需基于現(xiàn)有的力學(xué)傳感器資源，建立基于力學(xué)的鉆進(jìn)對(duì)象辨識(shí)模型，獲取實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的鉆進(jìn)狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化鉆進(jìn)提供有效反饋。

5.4 構(gòu)建具有適應(yīng)性的無(wú)人自主鉆進(jìn)控制方法

對(duì)于既定采樣鉆具，若其配備有一定自主能力的在線閉環(huán)控制方法將極大提升采樣器面向不確定星球鉆探環(huán)境的適應(yīng)能力。當(dāng)前國(guó)外學(xué)者采用基于故障辨識(shí)的鉆進(jìn)控制方法。此種自主鉆進(jìn)控制方法有效提高了采樣器應(yīng)對(duì)故障的解決能力，但需借助額外的儀器且無(wú)法實(shí)現(xiàn)非鉆進(jìn)故障下的采樣器面向不確定鉆進(jìn)對(duì)象的鉆進(jìn)力載和取心率最優(yōu)，即無(wú)法通過實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)平衡力載和取心量。為提高深層鉆探的自適應(yīng)能力，當(dāng)前亟需開展針對(duì)鉆進(jìn)對(duì)象的在線辨識(shí)閉環(huán)控制方法，同時(shí)需結(jié)合鉆壤作用力學(xué)模型考慮鉆進(jìn)深度對(duì)辨識(shí)模型的影響，實(shí)現(xiàn)全流程的自主最優(yōu)鉆進(jìn)控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

星球鉆取采樣技術(shù)是開展深空探測(cè)任務(wù)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。深入理解和掌握國(guó)外已有技術(shù)對(duì)我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)的相關(guān)技術(shù)發(fā)展具有重要的借鑒意義。本文系統(tǒng)總結(jié)了歷次成功實(shí)施及正在實(shí)施的星球鉆取采樣任務(wù)技術(shù)實(shí)施途徑，著重分析了星壤物理-力學(xué)特性、模擬星壤制備工藝及鉆壤作用力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)及理論研究的技術(shù)現(xiàn)狀，深入剖析了包含鉆進(jìn)狀態(tài)參數(shù)辨識(shí)及自主鉆進(jìn)控制在內(nèi)的星球自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程關(guān)鍵技術(shù)問題，并結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，給出了初步的發(fā)展建議，可為我國(guó)未來(lái)開展火星等地外天體的鉆取采樣任務(wù)的方案設(shè)計(jì)和技術(shù)攻關(guān)提供技術(shù)的參考。

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通信地址：黑龍江省哈爾濱市一匡街2號(hào)哈工大科學(xué)園2F棟502室3037信箱(150080)

電話：(0451)86413857

E-mail: tangjunyue_hit@163.com

全齊全(1983-)，男，副教授，主要從事空間在軌及地面測(cè)試技術(shù)研究。本文通信作者。

通信地址：黑龍江省哈爾濱市一匡街2號(hào)哈工大科學(xué)園2F棟502室3037信箱(150080)

電話：(0451)86413857

E-mail：quanqiquan@hit.edu.cn

Review of Planetary Drilling & Coring Technologies Oriented Towards Deep Space Exploration

TANG Jun-yue, DENG Zong-quan, CHEN Chong-bin, WANG Yin-chao, QUAN Qi-quan, JIANG Sheng-yuan, TANG De-wei

(State Key Laboratory of Robotics and System, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Based on the review of planetary drilling and coring technologies, this paper elaborates the mechanical properties of planetary regolith and the preparation method of the soil simulant. Then, the experimental and theoretical drilling and coring characteristics are analyzed respectively. Meanwhile, the self-adaptive drilling strategy containing the drilling states recognition and autonomous drilling control are carefully researched. Based on the above foundations, the technical prospects and advices have been proposed for China lunar exploration.

Deep space exploration; Planetary drilling and coring; Planetary regolith; Drilling and coring characteristics; Self-adaptive drilling

2016-08-18;

2017-05-04

國(guó)家自然科學(xué)基金(61403106, 51575122)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B07018)

TH132.41

A

1000-1328(2017)06-0555-11

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.06.001

唐鈞躍(1989-)，男，博士生，主要從事地外天體無(wú)人鉆取采樣技術(shù)研究。