月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)發(fā)展趨勢(shì)與任務(wù)設(shè)想

姜生元，劉君巍，張偉偉，鄧宗全，賴小明，鄧湘金，赫梅列夫·弗拉基米爾，戈雷赫·羅曼

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150001；2.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100090；3.阿爾泰國(guó)立技術(shù)大學(xué)比斯克工藝研究院，比斯克659305)

1 引言

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，因其獨(dú)特的自然環(huán)境與礦產(chǎn)資源，成為人類開(kāi)展星球探測(cè)的主要目標(biāo)[1-3]。進(jìn)入21世紀(jì)以后，隨著空間技術(shù)的進(jìn)步和空間應(yīng)用需求的擴(kuò)展，美國(guó)航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、俄羅斯航天局(RAKA)和日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)等國(guó)際航天機(jī)構(gòu)都制定了各具特色的載人登月探測(cè)計(jì)劃[4-7]。

采樣探測(cè)作為人類勘查月球資源分布情況、獲知月球形成與演化過(guò)程的重要手段，在空間探測(cè)任務(wù)中被廣泛應(yīng)用[6-8]。與無(wú)人采樣探測(cè)任務(wù)相比，有人參與的月面采樣探測(cè)任務(wù)內(nèi)涵更加豐富，探測(cè)手段更加全面，探測(cè)過(guò)程更加靈活，探測(cè)能力也更加強(qiáng)大。同時(shí)，載人登月模式也會(huì)為采樣探測(cè)任務(wù)帶來(lái)新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[9-11]。

本文基于月球資源探測(cè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)面臨的新挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，提出載人登月模式下月面采樣探測(cè)任務(wù)構(gòu)想，以期為我國(guó)載人登月科學(xué)探測(cè)任務(wù)論證提供參考。

2 月球資源探測(cè)技術(shù)發(fā)展概述

月球資源探測(cè)活動(dòng)可追溯到20世紀(jì)60年代，根據(jù)探測(cè)方式差異，有遙感探測(cè)、采樣返回分析和原位采樣探測(cè)等類型。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，人類利用上述探測(cè)方式開(kāi)展了百余次月球探測(cè)活動(dòng)，獲得了380多千克月球樣品，科學(xué)家對(duì)這些樣品進(jìn)行測(cè)試分析并結(jié)合遙感數(shù)據(jù)，正在逐漸揭示月球的秘密[11-14]。

2.1 環(huán)月遙感探測(cè)

環(huán)繞遙感探測(cè)是對(duì)月球資源進(jìn)行測(cè)繪的重要手段，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是利用遙感衛(wèi)星或者星座技術(shù)進(jìn)行在軌多點(diǎn)探測(cè)和立體測(cè)繪。

1994年美國(guó)發(fā)射克萊門汀探測(cè)器，目的是在長(zhǎng)時(shí)間暴露的太空環(huán)境下測(cè)試傳感器和航天器部件，并對(duì)月球和近地小行星1620進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)。探測(cè)器上搭載了紫外/可見(jiàn)光相機(jī)、近紅外相機(jī)、激光雷達(dá)、長(zhǎng)波紅外相機(jī)、星跟蹤器相機(jī)等有效載荷。該任務(wù)獲得了月球數(shù)字高程模型和全月高分辨率多光譜圖像，取得大量詳細(xì)、精確的月球探測(cè)數(shù)據(jù)。從軌道器向月表發(fā)射雷達(dá)回波信號(hào)，在地球上接收反射回來(lái)的雷達(dá)波，根據(jù)回波信號(hào)反演出月球表面物質(zhì)的相關(guān)性質(zhì)(圖1)。它第一次獲得了月球南極可能存在水冰物質(zhì)的直接探測(cè)證據(jù)，但有些學(xué)者認(rèn)為這種回波異常并不一定是由水冰物質(zhì)引起的[15-17]。

圖1 克萊門汀號(hào)及其雙站雷達(dá)探測(cè)原理Fig.1 Schematic diagram of the Clementine detector and its dual station radar

1998年美國(guó)發(fā)射月球勘探者探測(cè)器，它是一個(gè)近月低軌環(huán)繞探測(cè)器，通過(guò)遙感探測(cè)方式獲得月球表面磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、月球脫氣以及極區(qū)冰沉積物分布等數(shù)據(jù)。該探測(cè)器搭載了伽馬射線光譜儀、中子能譜儀、阿爾法粒子能譜儀、多普勒重力實(shí)驗(yàn)儀、磁力計(jì)及電子反射計(jì)等有效載荷。伽馬射線光譜儀探測(cè)月球鐵、鈾、鉀、鈦、硅、鋁、鈣和釷等金屬元素的含量，并成功反演了月球礦物元素的分布狀況[18]。中子能譜儀用于月球氫分布探測(cè)，以此來(lái)推測(cè)月球中水的存在。探測(cè)結(jié)果表明，月球兩極存在豐富的氫元素，而且北極的氫信號(hào)比南極的稍強(qiáng)(圖2)。但也有不同的觀點(diǎn)認(rèn)為，上述氫元素信號(hào)的存在并不一定代表月球含有水，可能是其他含氫化合物或者羥基。

圖2 月球勘探者探測(cè)到的月球70°～90°N和70°～90°S中子通量(反映氫含量)分布結(jié)果Fig.2 The distribution of neutron flux(reflecting hydrogen content)of the Moon 70°～ 90°N and 70°～90°Sdetected by Lunar Prospectors

2003年ESA發(fā)射Smart-1探測(cè)器，搭載了光譜儀和相機(jī)等多種載荷，用于研究月球地形、地貌及礦物學(xué)特征，并進(jìn)一步探究月球南極是否存在水。

2005年美國(guó)發(fā)射深度撞擊號(hào)(包含飛掠器和撞擊器兩部分)探測(cè)器，搭載了高分辨率相機(jī)和中分辨率相機(jī)(圖3)。高分辨率相機(jī)具有光譜成像模塊(包括可見(jiàn)光相機(jī)、濾光輪及成像紅外光譜儀)，可檢測(cè)波長(zhǎng)為1.05～4.8μm的光譜。深度撞擊號(hào)在發(fā)射幾天后，在奔赴彗星的途中對(duì)月球開(kāi)展了短暫的遙感探測(cè)。在飛掠月球時(shí)，利用紅外光譜儀對(duì)月球進(jìn)行遙感分析，在極區(qū)的表面發(fā)現(xiàn)疑似H2O/-OH的信號(hào)[19-22]。

圖3 深度撞擊號(hào)探測(cè)器Fig.3 Schematic diagram of the Deep impact

2008年印度月船一號(hào)探測(cè)器成功發(fā)射。主要目的是探測(cè)月球表面成分(包括極區(qū)冰沉積物、磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、月球脫氣)。它搭載了超光譜圖像儀、三維地貌立體測(cè)繪相機(jī)、激光高度計(jì)、合成孔徑雷達(dá)和月球礦物質(zhì)繪圖儀等多種儀器。利用月表高空間分辨率數(shù)據(jù)繪制月球正面和背面的三維地圖，探測(cè)極區(qū)是否存在水冰物質(zhì)，繪制月表高空間分辨率的化學(xué)物質(zhì)和礦物質(zhì)分布圖，并開(kāi)展月球撞擊試驗(yàn)，為未來(lái)月表軟著陸探測(cè)任務(wù)提供實(shí)施依據(jù)。通過(guò)對(duì)月球礦物質(zhì)繪圖儀獲得的近紅外光譜數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)幾乎在月球上所有緯度區(qū)域都存在羥基或水的光譜信號(hào)[22-23]。

2009年美國(guó)發(fā)射LRO&LCROSS探測(cè)器(圖4)。LRO主要用于獲得全月地圖，了解月球的輻射環(huán)境，測(cè)量月表熱能發(fā)射(為未來(lái)月表實(shí)驗(yàn)和探測(cè)提供信息)，獲得月表高分辨率遙感影像。LCROSS旨在收集和傳遞運(yùn)載火箭撞擊月球南極Cabeus坑產(chǎn)生的碎屑羽流數(shù)據(jù)。它搭載了近紅外光譜儀、近紅外攝像機(jī)、中紅外攝像機(jī)和光度計(jì)等多種探測(cè)儀器。運(yùn)載火箭撞擊月球后產(chǎn)生的侵徹?zé)崃磕艽龠M(jìn)月壤中產(chǎn)生揮發(fā)物質(zhì)，利用儀器對(duì)揮發(fā)物羽流進(jìn)行觀測(cè)分析，發(fā)現(xiàn)月球南極水冰含量高達(dá) 5.6%±2.9%，揮發(fā)物中水物質(zhì)占比77%[24-26]。

圖4 LRO&LCROSS探測(cè)器示意圖Fig.4 Schematic diagram of LRO&LCROSS detector

2007年我國(guó)成功發(fā)射了嫦娥一號(hào)衛(wèi)星。這是我國(guó)發(fā)射的第一個(gè)月球軌道探測(cè)器，也是我國(guó)“繞、落、回”探月工程的第一步。嫦娥一號(hào)搭載了24臺(tái)科學(xué)載荷，包括微波探測(cè)儀系統(tǒng)、X射線譜儀、γ射線譜儀、激光高度計(jì)、干涉成像譜儀等，用于獲取月球表面的三維立體影像，分析月球表面有用元素的含量和物質(zhì)類型的分布特點(diǎn)，探測(cè)月壤的厚度和地球至月球的空間環(huán)境。嫦娥一號(hào)首次利用CCD立體相機(jī)獲得了120 m分辨率全月球影像圖、三維月球地形圖，包括月球的南極、北極。月球三維立體圖像的獲得在全世界范圍內(nèi)尚屬首次。此外，嫦娥一號(hào)的X射線譜儀和γ射線譜儀可實(shí)現(xiàn)月球透視探測(cè)，探明14種有用元素在全月球上的含量與分布特征[27-29]。

2010年我國(guó)第二顆探月衛(wèi)星——嫦娥二號(hào)成功發(fā)射。嫦娥二號(hào)作為嫦娥一號(hào)的備份星，搭載的科學(xué)載荷的性能指標(biāo)較嫦娥一號(hào)同類儀器有了很大提升。嫦娥二號(hào)取得了空間分辨率7 m的全月球圖像、多種元素月面分布圖等多項(xiàng)重要科學(xué)成果，獲得了迄今為止國(guó)際上分辨率最高、最清晰的全月立體圖像[27，30-33](圖5)。

上述遙感探測(cè)成果為人類認(rèn)知月表資源廣域分布、地月空間環(huán)境及月球演化歷史提供了初步依據(jù)。但是受限于遙感方式的遠(yuǎn)距離、非接觸、干擾因素多、數(shù)據(jù)具有多解性和精度等級(jí)較低等原理性制約，人類對(duì)月球資源及其特性的縱深分布情況尚缺乏準(zhǔn)確認(rèn)知，對(duì)月球水冰物質(zhì)的賦存狀態(tài)、縱深分布情況及其力/電/熱學(xué)等特性的了解不多。

2.2 采樣返回分析

1970至1972年間，蘇聯(lián)共發(fā)射3顆月球采樣返回探測(cè)器(圖6)。Luna 16與Luna 20采用了空心鉆桿式采樣裝置，采樣指標(biāo)見(jiàn)表1。通過(guò)鉆桿的外螺旋排除鉆屑，中間的巖芯樣品通過(guò)貫入方式進(jìn)入鉆桿內(nèi)腔。Luna 16和Luna 20分別取回了101 g和55 g月壤樣品。

Luna 24探測(cè)器采用了雙管雙袋式鉆取采樣裝置，鉆具直徑為31 mm，取芯直徑為8 mm。設(shè)計(jì)鉆深為2.5 m，實(shí)際鉆深2.25 m，采樣質(zhì)量170 g。通過(guò)對(duì)Luna 24采樣返回的樣品進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其中含有0.1%的水[34-35]。

圖5 嫦娥二號(hào)衛(wèi)星獲取的全月圖Fig.5 Complete moon map obtained by Chang e II

圖6 Luna 16/20采樣探測(cè)器Fig.6 Luna 16/20 sampling detector

表1 蘇聯(lián)Luna系列月面無(wú)人自主鉆取采樣指標(biāo)Table 1 Technical indexes of lunar surface unmanned automatic sampling in Luna series of Former Soviet Union

1969至1972年間，美國(guó)阿波羅任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)了6次載人登月(圖7)，獲得了2196個(gè)單獨(dú)的巖土樣品，總重量為381.7 kg。在Apollo 11、12、14任務(wù)中，航天員采用貫入式取芯管采樣，用手動(dòng)錘擊約50次，實(shí)現(xiàn)70 cm深度月壤樣品的采集。在Apollo 15、16、17任務(wù)中，采用ALSD回轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī)，在航天員的操控下實(shí)現(xiàn)了3.25 m深度月壤的鉆進(jìn)取樣任務(wù)[14，36-37]。

圖7 Apollo 11、12探測(cè)器Fig.7 Apollo 11 and 12 detectors

我國(guó)發(fā)射的嫦娥三號(hào)和四號(hào)月球軟著陸探測(cè)器獲得了月球地質(zhì)和礦物資源等探測(cè)數(shù)據(jù)，為后續(xù)我國(guó)月球采樣勘察探測(cè)及月球基地建設(shè)奠定了基礎(chǔ)[38-39]。此外，擬發(fā)射的嫦娥五號(hào)是我國(guó)首個(gè)月面無(wú)人采樣返回探測(cè)器，它由軌道器、返回器、著陸器、上升器4部分組成，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn)月面取樣返回任務(wù)[17，40-41]。鉆/表復(fù)合式采樣技術(shù)是嫦娥五號(hào)采樣探測(cè)的技術(shù)亮點(diǎn)，可通過(guò)一次任務(wù)同時(shí)獲得次表層(鉆取)、表層(鏟坑)2種形態(tài)的月壤樣品，預(yù)計(jì)總采樣量約2 kg。機(jī)械臂可獲得多點(diǎn)表層月壤樣品。鉆取采樣裝置預(yù)計(jì)鉆深2 m，采用雙管單袋取心裝置，可保持縱深月壤剖面的層序信息。

通過(guò)對(duì)采回的月球樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，深化了人類對(duì)月壤力學(xué)、物理和化學(xué)性質(zhì)的直接認(rèn)識(shí)，為人類開(kāi)展月球科學(xué)研究提供了最直接的證據(jù)。有鑒于此，采樣返回將是未來(lái)深空探測(cè)中最受關(guān)注的技術(shù)手段之一。

2.3 原位采樣探測(cè)

因采樣返回任務(wù)的工程代價(jià)較大，且存在返回物的污染防控等難題，星壤物質(zhì)的原位探測(cè)方法應(yīng)運(yùn)而生。原位采樣探測(cè)裝置一般搭載于著陸在地外天體的著陸器、星球車等智能裝備上，利用采樣機(jī)具獲取表層或次表層星壤樣品，傳送至分析儀器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)分析，或者在采樣機(jī)具上直接搭載綜合物性感測(cè)器件進(jìn)行原位探測(cè)，最終將探測(cè)數(shù)據(jù)傳回地球。

針對(duì)月球和火星水物質(zhì)探測(cè)需求，美國(guó)正在研制一種移動(dòng)式就位取水裝置(Mobile In-Situ Water Extractor，MISWE，圖8)。該裝置利用深槽螺旋鉆提取出淺表層月壤，然后將其轉(zhuǎn)移至處理艙進(jìn)行加熱，提取出月壤中的水分。圖9為處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖。在模擬火星條件下，在40 min內(nèi)，消耗0.9 Whr/g能量，提取土壤中92%的水[42-43]。

圖8 移動(dòng)就位取水器Fig.8 Mobile in-suit water extractor

圖9 處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖Fig.9 Sectional view of process chamber component，cold trap tank and auger

ESA正與俄羅斯航天局合作，計(jì)劃在2020年發(fā)射Luna 27號(hào)著陸器，并著陸于南極艾肯盆地。其主要任務(wù)是勘探永久陰影區(qū)的礦物、揮發(fā)物組分和水冰，以研究月球資源就位利用的可行性[44]。ESA將提供全新設(shè)計(jì)的自動(dòng)登陸系統(tǒng)以及一個(gè)勘探載荷包(包括鉆探、取樣、送樣、處理、分析)。由意大利Finmeccanica公司設(shè)計(jì)的鉆機(jī)可鉆取1～2 m深的水冰-月壤混合物，然后送至由英國(guó)OPEN大學(xué)研制的化學(xué)分析腔進(jìn)行成分分析。目前研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用模擬月壤在133 K環(huán)境下進(jìn)行了鉆機(jī)取樣測(cè)試。此外，他們還計(jì)劃在2020年發(fā)射ExoMars二期任務(wù)，進(jìn)行太空生物和地球化學(xué)研究，并開(kāi)展火星氣候演化的長(zhǎng)期研究[45-48]。

3 月面人機(jī)聯(lián)合探測(cè)發(fā)展建議

繼美國(guó)Apollo載人月球探測(cè)之后，我國(guó)也正在開(kāi)展載人月球探測(cè)工程的論證工作，航天員在月面開(kāi)展人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)是值得研究的重要課題。

在月球科學(xué)與現(xiàn)代技術(shù)飛速發(fā)展的21世紀(jì)，我國(guó)月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)的科學(xué)目標(biāo)和任務(wù)模式，不應(yīng)該照搬美國(guó)Apollo任務(wù)，應(yīng)具有中國(guó)特色。在綜合月球資源遙感探測(cè)、采樣返回分析、原位采樣探測(cè)等國(guó)際先例的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)載人登月的歷史背景和技術(shù)基礎(chǔ)現(xiàn)狀，提出以下4個(gè)方面的建議：

1)探測(cè)區(qū)域選址。月球兩極是開(kāi)展月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)的理想?yún)^(qū)域。針對(duì)月球極區(qū)水冰在月壤剖面中的賦存與分布狀態(tài)、品位和儲(chǔ)量進(jìn)行原位探測(cè)，為無(wú)人月球基地選址提供先驗(yàn)數(shù)據(jù)是當(dāng)前月面原位采樣技術(shù)的熱點(diǎn)問(wèn)題，其難點(diǎn)是在缺少光照的環(huán)境條件下，如何讓采樣設(shè)備正常開(kāi)展工作。相較于淺層月壤采樣探測(cè)，次表層和深達(dá)基巖的深層月壤剖面采樣和原位探測(cè)更具科學(xué)價(jià)值。相較于局部、單點(diǎn)的采樣探測(cè)，實(shí)施“廣域+縱深”相互關(guān)聯(lián)的采樣探測(cè)，對(duì)揭示月球資源賦存和環(huán)境參量分布特性具有更加重要的科學(xué)價(jià)值。

2)科學(xué)目標(biāo)。以往的月面采樣探測(cè)任務(wù)主要關(guān)注月壤、月巖樣品的采集和分析。我國(guó)擬實(shí)施的月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)活動(dòng)，應(yīng)更加關(guān)注月球水冰、揮發(fā)分和稀有氣體等典型物質(zhì)的無(wú)污染采集和原位探測(cè)，以及次表層月壤熱學(xué)/電學(xué)/化學(xué)等綜合物性分布的科學(xué)探測(cè)。

3)操控作業(yè)。美國(guó)的航天員月面采樣探測(cè)主要采用人工方式實(shí)施探測(cè)機(jī)具的布置和采樣探測(cè)，在新時(shí)代的載人登月模式下，航天員加智能機(jī)器人的人機(jī)聯(lián)合探測(cè)模式，具有安全性高、任務(wù)拓展性強(qiáng)、科學(xué)產(chǎn)出效能高等優(yōu)勢(shì)，需在任務(wù)規(guī)劃中予以高度重視。

4)作業(yè)裝備。我國(guó)的月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)裝備應(yīng)具有創(chuàng)新性。除了基本采樣作業(yè)所需的樣品辨識(shí)工具、采樣作業(yè)過(guò)程記錄工具、樣品采集與封裝工具外，還應(yīng)大力開(kāi)展次表層樣品低擾動(dòng)、高保真取樣工具、月壤剖面典型物質(zhì)和綜合物性原位探測(cè)工具、航天員現(xiàn)場(chǎng)操控大尺度鉆探工具、機(jī)器人化采樣探測(cè)工具的新概念和新方案研究。

4 月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)任務(wù)設(shè)想

根據(jù)我國(guó)月球探測(cè)任務(wù)需求和采樣探測(cè)技術(shù)發(fā)展情況，將未來(lái)載人登月活動(dòng)中采樣探測(cè)任務(wù)劃分為小規(guī)模、中等規(guī)模、大規(guī)模3個(gè)任務(wù)階段，并據(jù)此提出月表樣品采樣探測(cè)、廣域分布式原位探測(cè)、月壤大深度剖面科學(xué)鉆探的任務(wù)設(shè)想。

4.1 月表樣品采樣探測(cè)

在載人登月任務(wù)初期階段，考慮到航天器的搭載能力及采樣探測(cè)技術(shù)成熟度，應(yīng)重點(diǎn)保證航天員的安全返回。航天員的活動(dòng)范圍有限，任務(wù)目標(biāo)也相對(duì)簡(jiǎn)單。航天員需采用易于攜帶與操控、質(zhì)量小、功耗低并具有多功能特性的采樣探測(cè)裝置。為充分利用探測(cè)工具及有限月面作業(yè)時(shí)間，航天員月面勘查與采樣作業(yè)工具包的開(kāi)發(fā)與利用極其重要。

1)航天員月面采樣作業(yè)工具包。其功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型表層樣本的采集?？紤]到不同類型樣本的甄選與采集需求，研制適用于航天員操作的采樣作業(yè)探測(cè)工具(圖10)，如手持設(shè)備或可穿戴設(shè)備。手持設(shè)備是針對(duì)表層、淺表層散體顆粒狀月壤、月巖對(duì)象的采集工具，滿足廣域和縱深樣本采集的需求。采樣工具設(shè)計(jì)需要充分考慮航天員的月面活動(dòng)能力與人機(jī)工程學(xué)，并滿足易于攜帶、易于操控、質(zhì)量小、功耗低、可組合使用、功能多的特點(diǎn)，如采樣作業(yè)工具手柄可與多種類型的采樣作業(yè)工具頭組合使用，而采樣作業(yè)工具手柄本身也可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)采樣作業(yè)功能。

此外，需要配合手持式設(shè)備的特定輔助工具，以便配合手持設(shè)備的使用。如兼?zhèn)鋭澗€、放大鏡、毛刷等多種功能的劃線器，兼具日晷儀、紅旗標(biāo)簽筒等功能的比色卡，以及兼具樣本采集與存儲(chǔ)功能的封裝容器。

可穿戴設(shè)備是一種集成式月面采樣探測(cè)工具(圖11)，將航天員從攜帶繁多工具中解放出來(lái)，但需要充分考慮人機(jī)工程學(xué)問(wèn)題。在月面上，航天員可通過(guò)手指操作集成式采樣探測(cè)工具來(lái)輕松、高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)樣本的打磨、鉆進(jìn)、破碎、采集、掃描、拍照和巖石層理分析等多樣工作。

圖10 航天員月面勘查與采樣作業(yè)工具包系統(tǒng)設(shè)想Fig.10 Concept of lunar exploration and sampling toolkit system for astronauts

圖11 航天員可穿戴式集成采樣器Fig.11 Integrated wearable sampler for astronauts

2)月面人機(jī)智能交互系統(tǒng)。其功能是解決航天員在月面環(huán)境下的感觀失真和樣品甄別問(wèn)題，保障航天員月面操控作業(yè)的準(zhǔn)確性和安全性。在采樣作業(yè)工具中嵌入分布式多源傳感器，考慮電磁兼容、真空環(huán)境、極端溫度等特殊環(huán)境對(duì)傳感器測(cè)試精度的影響。利用短距離、低復(fù)雜度、低功耗、高可靠性的空間雙向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將應(yīng)變、位移、溫度等傳感器有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多傳感器信息的有效融合。通過(guò)智能計(jì)算、統(tǒng)計(jì)、可視化及數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、管理，將工具中不同傳感器反饋的信息高效、合理地綜合成統(tǒng)一的特征表達(dá)信息，實(shí)現(xiàn)特征數(shù)據(jù)圖像化顯示及人機(jī)交互，為航天員采樣作業(yè)智能決策提供可靠信息，保障航天員月面操控作業(yè)的準(zhǔn)確性。

3)月壤/月巖樣本辨識(shí)與分析系統(tǒng)。其功能是對(duì)采集的樣品進(jìn)行月面原位辨識(shí)與分析。受搭載能力及科學(xué)載荷的原位分析過(guò)程中的環(huán)境制約，利用科學(xué)儀器對(duì)采集到的具有代表性或重要研究?jī)r(jià)值的樣本進(jìn)行及時(shí)有效的科學(xué)分析存在困難，有必要開(kāi)發(fā)一種基于航天員人工月面采樣作業(yè)樣本辨識(shí)與分析裝置。月面采樣作業(yè)過(guò)程中，航天員利用工具包中攜帶的樣本類型比對(duì)器對(duì)樣本類型進(jìn)行初步辨識(shí)。利用與采樣工具集成的相機(jī)對(duì)樣本進(jìn)行拍照，并通過(guò)樣品測(cè)試工具對(duì)密度、質(zhì)量、硬度等物理特性進(jìn)行初步測(cè)定。通過(guò)比對(duì)與質(zhì)地測(cè)定兩個(gè)過(guò)程，篩選有價(jià)值的樣品。進(jìn)一步利用采樣工具對(duì)大塊樣本進(jìn)行破碎，采集符合尺寸、質(zhì)量大小要求的樣本，并利用科學(xué)儀器對(duì)其化學(xué)成分等特性進(jìn)行原位分析。

4.2 廣域分布式原位探測(cè)

在載人登月任務(wù)中期階段，載人登月探測(cè)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，搭載能力會(huì)有大幅度提高，任務(wù)周期也會(huì)大幅延長(zhǎng)。中等規(guī)模的月面人機(jī)聯(lián)合探測(cè)模式，將配備機(jī)動(dòng)月球車等月面移動(dòng)裝備，提升航天員在月面活動(dòng)范圍和探測(cè)能力，采樣探測(cè)工具也更多樣化，航天員可在月面廣域范圍開(kāi)展分布式原位探測(cè)任務(wù)(圖12)。一方面可通過(guò)月球車等機(jī)動(dòng)設(shè)備對(duì)廣域多點(diǎn)開(kāi)展表層、淺層樣品采集作業(yè)，增加樣品采集量，同時(shí)也提升樣品的多樣性；另一方面，也可在月面多個(gè)位置處布置自動(dòng)化月壤剖面貫入、鉆探基站，對(duì)次表層月壤機(jī)械力學(xué)特性、月表熱流、月震等科學(xué)目標(biāo)開(kāi)展原位探測(cè)。獲取月面廣域的分布式探測(cè)數(shù)據(jù)，有利于對(duì)月球科學(xué)的全面認(rèn)識(shí)，也能提高我國(guó)載人登月任務(wù)的科學(xué)顯示度。

圖12 月面廣域分布式原位探測(cè)設(shè)想Fig.12 Concept of wide-area and distributed in-situ exploration

4.3 大尺度剖面科學(xué)鉆探

在長(zhǎng)期駐留人機(jī)聯(lián)合探測(cè)階段，將配備類型更多、功能更豐富的探測(cè)設(shè)備，具備針對(duì)月壤對(duì)象開(kāi)展深入探測(cè)與原位利用的能力。遙感探測(cè)表明，月壤厚度在6～20 m左右。采用繩系式掘進(jìn)、器基大尺度深孔鉆等作業(yè)系統(tǒng)突破這層月壤，實(shí)施直達(dá)基巖的月球深鉆(圖13)，在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)施典型位置樣品的高保真取樣、鉆進(jìn)全程的熱流分布原位探測(cè)、典型揮發(fā)分的原位探測(cè)等任務(wù)，對(duì)月球演化與生命起源科學(xué)認(rèn)知及未來(lái)月球活動(dòng)與資源利用具有重大的科學(xué)價(jià)值和工程意義。

圖13 大尺度月壤剖面科學(xué)鉆探任務(wù)設(shè)想Fig.13 Concept of scientific drilling mission for large-depth profile of lunar regolith

5 結(jié)論

1)遙感探測(cè)、采樣返回和原位探測(cè)是開(kāi)展月球資源探測(cè)的主要技術(shù)手段，3種手段的關(guān)聯(lián)應(yīng)用將會(huì)產(chǎn)生更大的科學(xué)效益。遙感探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)是針對(duì)典型資源的多點(diǎn)探測(cè)和立體測(cè)繪；采樣返回的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)原質(zhì)原位的高保真取樣與封裝；原位探測(cè)的發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)廣域與縱深相結(jié)合的原位綜合物性數(shù)據(jù)探測(cè)。

2)月面人機(jī)聯(lián)合采樣探測(cè)是載人登月工程的任務(wù)亮點(diǎn)。月球極地月壤剖面中水冰物質(zhì)的賦存與分布特性的原位勘查將成為未來(lái)的科學(xué)亮點(diǎn)，開(kāi)展廣域與縱深相關(guān)聯(lián)的采樣探測(cè)任務(wù)規(guī)劃，并據(jù)此開(kāi)展作業(yè)工具創(chuàng)新研究具有重要意義。

3)針對(duì)未來(lái)載人登月采樣探測(cè)任務(wù)，提出的月表樣品采樣探測(cè)工具包、廣域分布式原位探測(cè)系統(tǒng)、大縱深月壤剖面科學(xué)鉆探裝置等任務(wù)設(shè)想，可為我國(guó)未來(lái)載人登月工程任務(wù)規(guī)劃、采樣探測(cè)方案論證提供參考。