月球極區(qū)鉆取采樣技術(shù)

劉德赟，張 熇，楊 帥，殷 參，張加波，孫啟臣，賴小明

（1. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

引 言

我國探月工程“繞”“落”“回”三步走的任務(wù)即將完成，并已開始規(guī)劃月球四期探測任務(wù)，計劃于2021—2030年針對月球南極執(zhí)行3次無人探測任務(wù)，以增進對月球的了解，加強技術(shù)儲備，希望在月球南極建成“月球科研站”基本型，作為人類地外天體開發(fā)活動標志性的重大工程，推動國際月球大科學計劃，成為全人類太空開發(fā)的重要共享平臺。

月球極區(qū)的資源，特別是水資源的分布及其存在形式是月球探測的重要科學目標之一，探尋水的存在對月球科研站的建立以及后續(xù)深空探測任務(wù)具有重大意義[1]。按照現(xiàn)有論證規(guī)劃，“探月四期”工程第1次任務(wù)將對月球南極進行物質(zhì)成分就位探測普查，特別是將選取永久陰影區(qū)內(nèi)部作為探測區(qū)域，驗證水資源存在于月球的科學推測。探測手段擬采用飛躍探測器進入永久陰影區(qū)，使用其上搭載的原位采樣機具采集月壤樣品，通過自身攜帶的科學儀器進行就位分析；“探月四期”第2次任務(wù)將對月球極區(qū)進行樣品采集并帶回地球用于科學研究，作業(yè)方式擬繼承“探月三期”“嫦娥5號”，并在現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)基礎(chǔ)上針對極區(qū)低溫環(huán)境、復(fù)雜對象等特征對產(chǎn)品進行適應(yīng)性改進。

上述兩次工程任務(wù)，都需要開展針對月球極區(qū)的采樣技術(shù)研究。本文將針對“探月四期”任務(wù)采樣技術(shù)需求，通過分析月球極區(qū)環(huán)境及采樣對象特點、梳理月球極區(qū)采樣作業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)研究進展情況，提出適用于搭載飛躍探測器進行永久陰影區(qū)成分普查的原位采樣技術(shù)方案和適用于著陸區(qū)次表層樣品返回的鉆取采樣技術(shù)方案，為我國“探月四期”任務(wù)論證及工程實施提供方案參考和技術(shù)支持。

1 月球極區(qū)鉆取采樣任務(wù)分析

1.1 極區(qū)鉆取采樣作業(yè)特殊性

相較于月球中低緯度采樣任務(wù)，月球極區(qū)采樣作業(yè)有其特殊性，主要表現(xiàn)為環(huán)境更為惡劣、對象更為復(fù)雜，這使得采樣任務(wù)實施也更為困難復(fù)雜。

1）極端溫度環(huán)境

由于地形、地貌等條件的影響，極區(qū)光照分布很不均勻：雖然高地地區(qū)光照較為充足，但太陽高度角小，陽光斜射，造成該區(qū)域長期處于低溫環(huán)境，普遍溫度約在–170～–110 ℃，最高溫度也在–60 ℃以下；而在隕石坑底，則存在終年不見陽光的永久陰影區(qū)，溫度較極區(qū)高地更低，屬于極冷環(huán)境。美國月球勘測軌道飛行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）攜帶的Diviner載荷對月球極區(qū)隕石坑底永久陰影區(qū)進行內(nèi)部探測時發(fā)現(xiàn)，在南極最黑的隕石坑里觀測到最低的夏季溫度大約是–238 ℃，而北極的赫米特隕石坑（Hermite Crater）在隆冬時節(jié)的夜間，其底部西南邊緣溫度最低可達–249 ℃，堪稱太陽系內(nèi)最冷的地方[2-3]。

圖1（a）（b）展示了月球接近南極夏至時通過LCROSS觀測和模型計算得到的月球南極地表和次表層溫度特性結(jié)果。其中圖1（a）為日間輻射熱亮度溫度，圖1（b）為夜間輻射熱量度溫度。

圖1 觀測和模型計算得到的月球南極月表和次表層溫度特性[4]Fig. 1 Maps of measured and model-calculated surface and subsurface temperatures in the lunar south polar region[4]

2）復(fù)雜作業(yè)對象

月球中低緯采樣對象以散體月壤為主，作業(yè)過程可能遇到顆粒狀或塊狀月巖，對象相對單一。而根據(jù)最近的月球探測結(jié)果推測，在月球極區(qū)極有可能有水存在，其賦存形式可能為冰與月壤的混合態(tài)，也可能是以水冰或結(jié)合水的形式存在。由于水可能以多種形式存在，意味著極區(qū)采樣作業(yè)對象將不僅僅局限于無水散體月壤或月巖，還可能包括冰壤混合物、吸水巖石和純冰等多種物質(zhì)形態(tài)[5-6]。確定剖面星壤的性質(zhì)與含水量和組分之間的關(guān)系對于采樣任務(wù)實施至關(guān)重要。

圖1（c）展示了極區(qū)年平均月表溫度的模型計算值，圖1（d）展示了水冰凍土可能存在的區(qū)域位置。其中白色區(qū)域為水冰目前可能賦存于表層的位置，彩色區(qū)域為月球凍土可能存在于上表層的區(qū)域，灰色區(qū)域由于次表層溫度較高，1 m深度內(nèi)不太可能有水冰存在。此外，月球極區(qū)地形復(fù)雜、物質(zhì)分布不均勻、光照條件苛刻等客觀因素，也是采樣作業(yè)需要面對和解決的問題。

1.2 極區(qū)鉆取采樣關(guān)鍵技術(shù)分析

基于極區(qū)采樣任務(wù)的特殊性，一系列關(guān)鍵技術(shù)需要突破，才能保證采樣作業(yè)的成功，具體包括以下幾個方面。

1）適用于低溫凍土類月壤的鉆取、封裝執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計技術(shù)

由于極區(qū)環(huán)境和采樣目標的特殊性，作業(yè)執(zhí)行機構(gòu)的采樣深度、環(huán)境適應(yīng)性、樣品科學信息保存能力和多次作業(yè)能力都需要特別關(guān)注。

根據(jù)中子光譜儀觀測結(jié)果推測，約有30億t水冰埋藏于月球極區(qū)隕石坑底0.5 m深度以下，而在坑邊高地上一定深度也可能埋藏有水。這意味著要實現(xiàn)驗證水存在的科學目標，取樣機構(gòu)需具備表層以下一定深度的取樣能力。對于“探月四期”工程第1次任務(wù)，搭載于飛躍探測器的取樣機構(gòu)至少需具備永久陰影區(qū)坑底表層以下大于0.5 m深度的取樣能力，而對于探月四期工程第2次任務(wù)，搭載于著陸器的取樣機構(gòu)應(yīng)具備著陸區(qū)米級以上次表層取樣能力。

由于水存在的可能性，在同一采樣剖面可能要面臨無水月壤、凍土類月壤、水冰、月巖等多種對象。這些對象的力學特性差異很大，要求作業(yè)機具要有極強的對象適應(yīng)性。此外由于極區(qū)極端的低溫環(huán)境，要從材料選用、熱控設(shè)計、實驗驗證等多個方面開展工作，保證采樣作業(yè)機具在低溫環(huán)境能夠生存并正常開展工作。基于我國目前地外天體采樣產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，這是一個全新的極具挑戰(zhàn)的命題。

由于采樣的最終目的是服務(wù)于科學研究，無論是供原態(tài)分析用還是供返回地球用，樣品獲取過程要盡可能保存原態(tài)科學信息，不對樣品產(chǎn)生過多的擾動和破壞，同時需要采用合理可行的封裝方法，確保樣品在轉(zhuǎn)移過程中科學價值得以保存。

對于極區(qū)第1次任務(wù)，飛躍器將進入永久陰影區(qū)進行多點探測，其搭載的采樣機構(gòu)也需要具備多次采樣能力。對于每次采樣，都需要樣品獲取、封裝、轉(zhuǎn)移全鏈路功能獨立完整，不能發(fā)生混樣情況干擾科學分析。同時要求采樣機構(gòu)輕小型化，在不增加重量代價的情況下滿足功能復(fù)用要求，這對機構(gòu)設(shè)計提出了更高的要求。

2）低溫對象鉆進規(guī)程設(shè)計技術(shù)

由于極區(qū)采樣對機構(gòu)表層以下一定深度樣品獲取能力提出了要求，鉆進采樣方式應(yīng)被重點考慮。在鉆進過程中，鉆頭對月壤的切削作用，會產(chǎn)生一定的熱量，使溫度明顯升高。雖然在極區(qū)低溫環(huán)境下，溫升不會對機構(gòu)本身產(chǎn)品致命影響，但有可能破壞樣品的原態(tài)信息。極區(qū)采樣極有可能面臨以固態(tài)存在的低溫含水對象，根據(jù)水的相變特性（圖2），在真空環(huán)境下約–70 ～ –60 ℃時會發(fā)生氣態(tài)與固態(tài)間相變。當鉆進熱量累積使溫度超過其相變溫度，凍土中的水會發(fā)生氣化。氣化后的水在擴散過程中，由于低溫月壤和環(huán)境溫度的影響，氣態(tài)水會再次凝華固化。這個過程不僅會使樣品科學信息受損，也可能發(fā)生粘鉆凍鉆影響鉆進作業(yè)。因此鉆進過程中的相變是凍土類月壤鉆進的風險之一。

圖2 水的三相圖Fig. 2 Three phase diagram of water

要規(guī)避這一風險，除了機構(gòu)要優(yōu)化設(shè)計外，更要設(shè)計科學合理的鉆進規(guī)程，既要滿足不同對象鉆進和樣品采集的功能需要，又要控溫升控相變。這項工作要基于對極區(qū)月壤的可鉆性、取芯特性的研究，建立可鉆性、取芯特性與鉆取采樣機構(gòu)設(shè)計參數(shù)、動力參數(shù)之間的定性、定量關(guān)系，形成適用的鉆進規(guī)程。目前的研究進展表明，采用低轉(zhuǎn)速、慢進給的鉆進策略應(yīng)該是可行的方法。

3）極區(qū)月壤地面模擬物制備技術(shù)

地面模擬物制備對采樣作業(yè)機具的研究與試驗驗證至關(guān)重要。地面模擬物制備的前提是對擬作業(yè)區(qū)域的對象特性具備基礎(chǔ)性認識，特別是與采樣作業(yè)相關(guān)的構(gòu)造特性、強度特性、熱物性等。對于月球中低緯度月壤特性，我國“探月三期”工程任務(wù)中進行了大量研究，也制備了相似度較高的地面模擬物。而對于月球極區(qū)，由于還沒有接觸式探測的先例，所有認知都是基于遙感觀測分析推演得出，缺乏關(guān)于極地月壤剖面中水冰物質(zhì)范圍和分布的定量信息，特別是要制備出包絡(luò)性、覆蓋性、等效性高的極區(qū)月壤模擬物是具有挑戰(zhàn)性的工作。尤其是水的存在，導(dǎo)致月壤的均一性存在極大變數(shù)，未來的探測所遇到的含水星壤的性質(zhì)可能會有很大的不同，大幅增加了模擬月壤的制備難度。對此，一方面需加強極區(qū)遙感資料調(diào)研與分析力度；另一方面借鑒地面凍土水冰研究成果勢在必行。

即使對于極區(qū)月壤特性有了一定的認知和判斷，要制備低溫含水模擬月壤也絕非易事。如何在地面實現(xiàn)類比極區(qū)的低溫環(huán)境、如何在這種環(huán)境中大批量制備足以支撐取樣試驗的模擬月壤、如何評價模擬物的等效性、科學性和樣本覆蓋性，都是需要研究和解決的問題。

2 月球極區(qū)鉆取采樣相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 采樣機構(gòu)設(shè)計技術(shù)

歐洲航天局（European Space Agency，ESA）與俄羅斯聯(lián)邦航天局（Russian Federal Space Agency，RKA）合作計劃2020年發(fā)射“月神27號”（Luna 27）著陸器，擬著陸于南極艾特肯盆地（South Pole Aitken Basin），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，以研究資源就位利用的可行性。ESA將提供全新設(shè)計的自動登陸系統(tǒng)以及一個勘探載荷包（包括鉆探、取樣、送樣、處理、分析）。首先由意大利Finmeccanica公司設(shè)計的鉆機鉆取1～2 m深的水冰-月壤混合物，然后送至由英國開放大學（UK Open University）研制的化學分析腔進行成分分析。目前研究團隊已經(jīng)利用模擬月壤在133 K環(huán)境下進行了鉆機取樣測試[7]。

美國正在研制一種移動就位取水器（Mobile In-Situ Water Extractor，MISWE），如圖3（a）所示，利用深槽螺旋鉆提取表層剖面星壤，然后轉(zhuǎn)移到處理艙中加熱提取星壤中的水分[8]。

HoneyBee Robotics SMC公司為美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）開發(fā)了建筑和資源利用探索（Construction and Resource Utilization eXplorer drill，CRUX）鉆探測試平臺，能夠在不同表面和環(huán)境條件下對各種目標中的不同穿透方法、不同鉆頭幾何形狀和不同的控制算法進行研究，如圖3（b）所示。開發(fā)的主要目的是勘探月表下物質(zhì)組成，特別是針對月球南極預(yù)期的水冰，以實現(xiàn)原位資源利用（In Situ Resource Utilization，ISRU）。CRUX鉆頭設(shè)計為可以純旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)敲擊或沖擊鉆孔，能夠在各種目標材料（如石英、巖石或冰）中進行高效鉆孔，可達到的采樣深度至少為2 m[9]。

圖3 MISWE移動就位取水器和CRUX鉆進系統(tǒng)Fig. 3 MISWE and drilling system and sample condition of CRUX

2.2 凍土模擬物制備技術(shù)

目前國際上普遍采用的凍土模擬制備方式是將水與干燥的模擬月壤機械混合或蒸餾潤濕混合。這兩種方式簡單、易操作，在配制飽和點以下模擬星壤水冰樣本時具有一定的參考價值，但也有一定的不足，例如：在模擬星壤水冰樣本達到過飽和時，機械混合或蒸餾潤濕混合均無法保證樣本含水量的均勻性；在這兩種方式下，模擬星壤水冰樣本的制備無法實現(xiàn)組構(gòu)及局部層理的在線控制；兩種制備方式的制作周期較長，樣本制備的可重復(fù)性、等效性較差。模擬物制備方面典型的工作成果為：①NASA研制了各種版本的月球極地模擬物，如NULHT系列，被認為是月球極地月壤與一定量的水冰混合后的物質(zhì)，可被用于模擬月球極地風化層的基礎(chǔ)材料。該系列具有與JSC-1A月壤模擬物相同的顆粒尺寸分布，但其礦物組成卻有不同[10]；② Craig Pitcher等以“導(dǎo)流混合法”“蒸餾濕潤法”“高壓蒸餾法”等不同方法進行了樣品含水率的配置[11-12]，如圖4所示；Kris Zacny等以JSC-1A月壤模擬物和FJS-1月壤模擬物為原料，采用混合冷凍法嘗試制備了凍土類模擬月壤并實現(xiàn)在1 m高的土柱中分層布置不同含水率的模擬物[13-14]；Marcus Piquette等將基于JSC-1A月壤模擬物的水冰樣本冷卻到100 K并保持在真空狀態(tài)下，通過實驗測試了模擬物的穩(wěn)定性[15]。

圖4 凍土月壤模擬物制備方法Fig. 4 Preparation methods of simulated icy lunar soil

3 極區(qū)鉆取采樣技術(shù)方案設(shè)計

3.1 極區(qū)永久陰影區(qū)次表層原位取樣技術(shù)

3.1.1 作業(yè)模式

根據(jù)我國“探月四期”任務(wù)規(guī)劃，“嫦娥7號”將攜帶飛躍探測器對極區(qū)永久陰影區(qū)進行探測。飛躍探測器主要功能在于隨著陸器在撞擊坑坑緣的持續(xù)光照區(qū)著陸，攜帶有效載荷，從著陸點起飛，在撞擊坑內(nèi)的永久陰影區(qū)著陸。飛躍過程及著陸后對永久陰影區(qū)內(nèi)的水冰等資源進行短時原位多點移動探測，然后復(fù)飛，并重新著陸于坑緣的持續(xù)光照區(qū)。

飛躍探測器需攜帶一套樣品采集與轉(zhuǎn)運裝置，在永久陰影區(qū)著陸后，通過取樣機構(gòu)實現(xiàn)原位次表層月壤樣品取樣，并將次表層樣品轉(zhuǎn)移至分析儀器，開展永久陰影區(qū)內(nèi)是否存在水冰、永久陰影區(qū)月壤成分等分析，具有重要的科學價值。

3.1.2 設(shè)計要素分析

搭載于飛躍器的原位采樣機構(gòu)應(yīng)滿足以下技術(shù)需求：

1）根據(jù)目前科學界研究推測，永久陰影區(qū)內(nèi)表層下0.5 m即可能有水存在，因此，取樣機構(gòu)至少滿足不小于0.5 m深的次表層樣品取樣能力；

2）由于永久陰影區(qū)內(nèi)為深冷環(huán)境，低溫可達-230 ℃左右，樣品采集與轉(zhuǎn)運裝置必須具備耐極低溫的能力，并且能夠在極低溫下正常工作；

3）所取次表層月壤樣品應(yīng)盡快轉(zhuǎn)移至分析儀器開展分析，避免次表層樣品特性由于長時間暴露而發(fā)生改變；

4）由于飛躍探測器自身重量有限，且月面為低重力環(huán)境，取樣機構(gòu)在開展次表層樣品取樣時，反作用力不宜過大，所需資源應(yīng)最小化；

5）要配合飛躍器進行多點探測，采樣機構(gòu)應(yīng)具備多點多次作業(yè)能力。

3.1.3 極區(qū)永久陰影區(qū)次表層原位取樣方案設(shè)計

針對極區(qū)永久陰影區(qū)次表層原位取樣任務(wù)需求，提出兩種不同原理的方案設(shè)計：定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案和錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案。

1）定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案

定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案包括進給驅(qū)動部件、回轉(zhuǎn)驅(qū)動部件、取樣驅(qū)動部件、滑軌、螺旋鉆具、絲杠、定心機構(gòu)、容器驅(qū)動部件、樣品容器和熱分離裝置等，可實現(xiàn)月表指定深度開始、至指定深度為止的深度區(qū)間取樣。樣品容器可設(shè)計為單個容器，也可設(shè)計為圓盤形，并在圓周上設(shè)置多個樣品容器。定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案原理如圖5所示。

定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣階段工作流程如圖6所示：

圖5 定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案原理圖Fig. 5 Schematic diagram of fixed depth interval sampling and transferring scheme

圖6 定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣階段工作流程Fig. 6 Sampling workflow of fixed depth interval sampling and transferring scheme

（1）螺旋鉆具鉆進至指定深度；

（2）取樣驅(qū)動部件工作，帶動定心機構(gòu)上移，使鉆具前端進樣口打開；

（3）繼續(xù)向下鉆進，鉆進過程中樣品進入鉆具芯部；

（4）完成指定深度區(qū)間樣品取樣后，將鉆具提升至初始位置；

（5）容器驅(qū)動部件帶動樣品容器旋轉(zhuǎn)，使樣品容器移動至鉆具正下方；

（6）定心機構(gòu)下移，將樣品推出鉆具，落入樣品容器中。

定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案樣品分離階段工作流程如圖7所示：

圖7 定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案樣品分離階段工作流程Fig. 7 Sample separation workflow of fixed depth interval sampling and transferring scheme

（1）容器驅(qū)動部件帶動樣品容器旋轉(zhuǎn)至熱分離裝置處，并完成樣品容器與熱分離裝置的對接密封；

（2）熱分離裝置通道開關(guān)打開，對樣品容器內(nèi)樣品進行加熱，提取樣品中的水成分；

（3）熱分離裝置通道開關(guān)關(guān)閉，容器驅(qū)動部件帶動樣品容器旋轉(zhuǎn)并離開熱分離裝置處，并傾倒掉殘余樣品。

定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案優(yōu)點：可對特定深度區(qū)間進行取樣，所取次表層月壤樣品完全不與表層月壤混合。

2）錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案

錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案包括進給驅(qū)動部件、回轉(zhuǎn)驅(qū)動部件、滑軌、錐形螺旋鉆具、鋼刷及驅(qū)動部件、樣品容器、樣品轉(zhuǎn)移機構(gòu)和熱分離裝置等，可粗略實現(xiàn)月面次表層某一特定深度區(qū)間的樣品取樣，但不能完全避免不同深度的樣品混合。錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案原理如圖8所示。

圖8 錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案原理圖Fig. 8 Schematic diagram of conical spiral sampling and transferring scheme

錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣階段工作流程如圖9所示：

圖9 錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣階段工作流程Fig. 9 Sampling workflow of conical spiral sampling and transferring scheme

（1）錐形螺旋鉆具鉆進至指定深度；

（2）錐形螺旋鉆具停止回轉(zhuǎn)，直接將錐形螺旋鉆具向上提出鉆孔，螺旋槽將次表層月壤樣品帶出；

（3）當指定深度的月壤樣品到達鋼刷位置時，停止提鉆；

（4）啟動鋼刷，再啟動錐形螺旋鉆具回轉(zhuǎn)，同時緩慢向上提鉆，將指定深度區(qū)間的月壤樣品刷下；

（5）刷下樣品通過重力作用落入樣品容器內(nèi)。

錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案分離階段工作流程如圖10所示：

圖10 錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案樣品分離階段工作流程Fig. 10 Sample separation workflow of conical spiral sampling and transferring scheme

（1）容器驅(qū)動部件帶動樣品容器旋轉(zhuǎn)至樣品轉(zhuǎn)移裝置工作區(qū)域；

（2）熱分離裝置密封蓋打開，裝置內(nèi)樣品托盤下移至下限位，樣品轉(zhuǎn)移裝置將樣品容器內(nèi)的樣品轉(zhuǎn)移至樣品托盤；

（3）樣品托盤上移至上限位，熱分離裝置密封蓋關(guān)閉，樣品轉(zhuǎn)移裝置復(fù)位；

（4）熱分離裝置對樣品進行加熱，提取樣品中的水成分；

（5）熱分離裝置密封蓋打開，裝置內(nèi)樣品托盤下移至下限位，傾倒掉樣品容器和樣品托盤中的殘余樣品；

（6）樣品容器、熱分離裝置恢復(fù)至初始狀態(tài)。

錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案優(yōu)點在于：取樣量大、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，適用于對取樣深度的精確度要求不高的作業(yè)工況。

3.1.4 極區(qū)永久陰影區(qū)次表層原位取樣技術(shù)研究

針對前述兩種不同原理的取樣方案，研制了原理樣機并開展了針對凍土模擬物的取樣試驗。圖11為定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣試驗及所取模擬凍土樣品。

通過原理樣機對凍土模擬物的鉆進與取樣試驗可知，鉆具可實現(xiàn)鉆進至某個特定深度后開始取樣，并在鉆進至指定深度后完成斷芯，結(jié)束取樣。試驗證明，該方案在定點深度區(qū)間取樣方面具有可行性。

圖12為錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣試驗。通過原理樣機對凍土模擬物的鉆進與取樣試驗可知，鉆具可鉆進至凍土模擬物指定深度，提出鉆具后，鉆具螺旋槽能將次表層樣品帶出，實現(xiàn)取樣。試驗證明，該方案在次表層樣品取樣方面具有可行性。

圖11 定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣試驗及所取模擬凍土樣品Fig. 11 Experimental result of fixed depth interval sampling and transferring scheme

圖12 錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案取樣試驗及所取模擬凍土樣品Fig. 12 Experimental result of conical spiral sampling and transferring scheme

上述兩種方案由于采用了鉆具，在工程應(yīng)用中，還需考慮采樣裝置與月面垂直度的問題。根據(jù)作業(yè)方案的可行性分析，采樣裝置可安裝于飛躍器結(jié)構(gòu)板或搭載于機械臂。如果是安裝于飛躍器結(jié)構(gòu)板，則飛躍器著陸姿態(tài)決定了采樣裝置的角度。通過“嫦娥5號”的研制，目前我國已掌握全向15°傾角范圍內(nèi)鉆取技術(shù)；如采樣裝置搭載于機械臂作為執(zhí)行終端，則可通過臂上傳感器保證鉆桿對月面的垂直度。此外，針對多次采樣作業(yè)需求，采樣裝置需具備自清潔功能以避免多次采樣間樣品混合污染，目前擬采用氣吹結(jié)合樣品刷組合工作方式處理樣品容器內(nèi)的殘余樣品。

3.2 極區(qū)非永久陰影區(qū)取樣返回技術(shù)需求分析

3.2.1 作業(yè)方式

根據(jù)我國月球探測規(guī)劃，“探月四期”第2次任務(wù)將針對月球南極附近非永久陰影區(qū)含有水成分的復(fù)雜月壤，開展采樣作業(yè)，最終目標是將以水冰凍土形式存在的含水月壤返回地球。其中采樣裝置將繼承“嫦娥5號”技術(shù)狀態(tài)，針對極區(qū)特殊環(huán)境特殊對象進行適應(yīng)性功能改造。采樣器將搭載于著陸器，具備2 m深度次表層采樣能力。

3.2.2 設(shè)計要素分析

極區(qū)采樣返回作業(yè)區(qū)域的月壤起始溫度約為–230～ –70 ℃，這對采樣機構(gòu)的環(huán)境適應(yīng)性提出了更高的要求。由于在極區(qū)高真空環(huán)境下，水以氣固兩相存在，且在–70 ～ –60 ℃左右相變。因此，在采樣過程中，水冰凍土對象中的水成分極可能在機具作業(yè)生熱和環(huán)境低溫的作用下發(fā)生氣態(tài)和固態(tài)之間的相變，有可能一方面會導(dǎo)致采樣機具與月壤之間、采樣機具不同的運動部件之間的凍結(jié)，導(dǎo)致采樣過程不能正常進行，另外也可能會導(dǎo)致月壤樣品的失真，使樣品喪失部分原態(tài)信息，在極端情況下，月壤中的水分全部升華并逃逸，這將導(dǎo)致采樣任務(wù)無法實現(xiàn)將含水月壤帶回地球的目標。

因此，極區(qū)非永久陰影區(qū)的采樣返回任務(wù)對采樣技術(shù)提出了以下需求：

1）能夠適應(yīng)超低溫高真空環(huán)境，鉆進深度米級以上；

2）能夠有效進行水冰凍土對象鉆進；

3）能夠在樣品采集和返回過程中有效控制溫升、控制水元素相變，從而保持樣品的原態(tài)信息；即使發(fā)生局部相變，也可通過密封手段，避免水分發(fā)生相變后大規(guī)模逃逸。

3.2.3 極區(qū)非永久陰影區(qū)取樣返回方案設(shè)想

“探月四期”第2次任務(wù)將在月球南極附近非永久陰影區(qū)開展月壤樣品采集并返回地球，采樣作業(yè)環(huán)境不同于“嫦娥5號”的月球中低緯度區(qū)域。

月球南極的超低溫高真空環(huán)境會對包括采樣裝置在內(nèi)的探測器各分系統(tǒng)的低溫環(huán)境適應(yīng)性提出更高的要求，需對整個產(chǎn)品進行適應(yīng)性設(shè)計，使其能夠正常啟動和工作。

現(xiàn)有的“嫦娥5號”鉆取采樣裝置具備鉆進、取芯、提芯、整形、傳送以及展開6大核心功能，相應(yīng)的由鉆進機構(gòu)、加載機構(gòu)、取芯鉆具、整形機構(gòu)、展開機構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)等部分組成，其中前4大功能均和內(nèi)含無滑差軟質(zhì)取芯機構(gòu)的鉆具相關(guān)。

前期使用與“嫦娥5號”鉆取采樣裝置上相同的取芯鉆具，在地面大氣環(huán)境下對–70 ℃不同含水率的凍土進行了大量摸索性的鉆進試驗。結(jié)果證明，在一定的鉆進規(guī)程下，可以實現(xiàn)2 m深度凍土的順利鉆進，同時，在鉆進生熱的作用下，凍土中的水分會在固態(tài)和液態(tài)之間發(fā)生相變，在某些試驗中，出現(xiàn)了粘鉆現(xiàn)象。當凍土的含水量較高時，取芯軟袋所包覆樣品中的水分會產(chǎn)生液化并滲漏出來。

同投入大量資金和人力重新設(shè)計一套極區(qū)月壤采樣裝置并進行技術(shù)驗證的全新研制模式相比，對“嫦娥5號”鉆取采樣裝置進行極區(qū)適應(yīng)性改進，在繼承大量成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，使其滿足極區(qū)非永久陰影區(qū)采樣返回任務(wù)的需求，可以大大縮短產(chǎn)品的研制周期，降低技術(shù)風險，是在現(xiàn)有約束條件下更加可行的技術(shù)途徑。

鉆取采樣裝置極區(qū)適應(yīng)性改進的關(guān)鍵在于通過控制鉆進過程中鉆具的溫度升高盡量避免水分的相變，此外，通過密封手段，使得采樣裝置對少量水分發(fā)生相變后產(chǎn)生的次生影響具有一定的包容性，以上改進主要涉及取芯鉆具。下面介紹改進工作的方案設(shè)想，主要包括兩方面。

1）鉆具控溫

“嫦娥5號”鉆取采樣裝置在鉆進過程中實時監(jiān)測力載特性，并據(jù)此調(diào)整鉆進策略，以避免發(fā)生鉆進故障，針對“探月四期”第2次任務(wù)的需求，可以進一步在鉆具本體上增加測溫組件，鉆進過程中實時監(jiān)測鉆具上的溫度場。當鉆具某點上的溫度超過水的相變溫度時，即時調(diào)整鉆進策略，降低鉆具的溫度，盡量避免水的相變。

由于鉆具上可供安裝測溫組件的空間非常狹小，且測溫組件的安裝難度較高，鉆具上能夠布置的測溫元件數(shù)量有限，難以獲得完整的、精確的鉆具溫度場，而鉆具表面的溫度和與鉆具接觸的月壤的溫度也不完全一致，僅通過實時監(jiān)測鉆具溫度場來判斷水分是否相變存在一定的滯后性。

通過控制鉆具的溫度還難以完全避免水分的相變，因此還應(yīng)考慮一旦發(fā)生相變，如何將樣品中的揮發(fā)物有效封存以保持樣品成分信息?；谀壳暗募夹g(shù)狀態(tài)發(fā)展，引入防水取芯袋并優(yōu)化封口密閉設(shè)計是可行的途徑。

2）取芯軟袋防水和密閉封口

通過對取芯軟袋進行防水處理，使其能夠在耐受低溫環(huán)境、保持力學性能的同時，具有對水分的隔離功能，以替代現(xiàn)有的用纖維編織的取芯軟袋。軟袋的防水處理可顯著減少泄露出取芯軟袋的水分，并有效緩解凍結(jié)，能夠減少鉆進阻力，降低取芯軟袋翻轉(zhuǎn)難度、有效緩解取芯困難，并在裝滿月壤樣品后更易于整形。

軟袋的封口方式與軟袋的形式強烈相關(guān)，與軟袋防水處理相適應(yīng)的封口方案必須一同考慮。針對“探月四期”第2次任務(wù)的需求，鉆取采樣裝置的封口組件除了防止月壤樣品撒出，還需要較好的密閉性，防止在返回途中相變?yōu)闅怏w的水分逃逸。因此，宜采用多道、異構(gòu)的密閉封口形式。相比于記憶合金封口方式，拉繩系扣封口方式對取芯軟袋的密閉效果更佳，但實施難度也更高。

3.2.4 極區(qū)非永久陰影區(qū)取樣返回技術(shù)

目前，北京衛(wèi)星制造廠有限公司已全面展開了極區(qū)非永久陰影區(qū)取樣返回技術(shù)的研究[16-18]，前期使用“嫦娥5號”鉆取采樣裝置取芯鉆具在地面環(huán)境下對凍土進行了大量摸索性鉆進試驗，隨后開展了鉆取采樣裝置的極區(qū)適應(yīng)性改進工作，主要包括鉆具控溫、取芯軟袋防水和密閉封口兩方面的研究，并且已通過布置測溫組件的技術(shù)途徑初步實現(xiàn)了鉆進過程中鉆具溫度的實時測量。

1）鉆取采樣裝置凍土鉆進試驗

為了識別“嫦娥5號”鉆取采樣裝置鉆具及取芯機構(gòu)對凍土類月壤的適應(yīng)性，并為“探月四期”第2次任務(wù)的采樣技術(shù)研究提供支撐，使用與“嫦娥5號”任務(wù)相同的取芯鉆具在地面環(huán)境下對不同含水量的凍土進行了鉆進試驗。試驗系統(tǒng)由凍土類模擬月壤、低溫及測試設(shè)備、鉆具綜合性能測試臺、取芯鉆具等組成，具體構(gòu)成如圖13所示。

圖13 凍土鉆進試驗系統(tǒng)Fig. 13 Icy soil drilling test system

先后使用5%、10%和30% 3種不同含水率的凍土開展了鉆進試驗，過程中的排粉情況如圖14所示。取芯軟袋內(nèi)的樣品狀態(tài)如圖15所示。試驗證明了在低轉(zhuǎn)速、慢進尺、斷續(xù)作業(yè)的鉆進規(guī)程下，使用與“嫦娥5號”鉆取采樣裝置相同的鉆具可以實現(xiàn)2 m深度凍土類模擬月壤的順利鉆進。

2）鉆進過程鉆具溫度監(jiān)測技術(shù)

圖14 不同含水量凍土鉆進情況Fig. 14 Drilling of Icy soil with different water content

圖15 不同含水量凍土樣品Fig. 15 Icy soil samples with different water content

對鉆具溫度進行監(jiān)測呈現(xiàn)下面幾個特點：①空間狹窄，測溫元件布置困難；②實時動態(tài)測量，測溫組件隨著鉆具旋轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸存在繞線問題；③測溫組件需能夠承受一定的振動與沖擊，并耐受不同部件之間相對轉(zhuǎn)動引起的可能的磨損?；跍y溫范圍、測量精度、幾何尺寸、響應(yīng)速度等因素考量，熱電偶溫度傳感器是較好選擇。鉆頭上的熱電偶布局如圖16所示，共設(shè)置3個溫度測點：1號測點測量的是鉆頭最前端切削刃處的溫度；2號測點測量的是取芯機構(gòu)護套與鉆頭接觸點的溫度；3號測點測量的是鉆頭與鉆桿接觸點的溫度。

圖16 鉆頭上的熱電偶布局Fig. 16 Thermocouples on the drilling bit

在鉆桿內(nèi)部布置熱電偶的方式為軸向方向上，每隔一定長度布置一個熱電偶，共布置6個。由于熱電偶絲比較細，在鉆桿內(nèi)部布置時，直接將其粘貼在內(nèi)壁上。最終，包含鉆頭和鉆桿在內(nèi)的鉆具上的熱電偶的引出與轉(zhuǎn)接如圖17所示。

圖17 鉆具上熱電偶的引出與轉(zhuǎn)接Fig. 17 Lead out and transfer of thermocouples on the drilling tool

4 結(jié) 論

我國面向月球南極的“探月四期”工程任務(wù)對鉆取采樣技術(shù)提出了新的需求。極區(qū)真空低溫環(huán)境、復(fù)雜對象給采樣作業(yè)機具提出了全新挑戰(zhàn)，需要突破適用于低溫凍土類月壤的鉆取、封裝執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計技術(shù)、低溫對象鉆進規(guī)程設(shè)計技術(shù)、極區(qū)月壤地面模擬物制備技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)推進采樣技術(shù)研究。

針對極區(qū)永久陰影區(qū)次表層原位取樣的任務(wù)需求，提出了定點深度區(qū)間取樣與轉(zhuǎn)移方案和錐形螺旋取樣與轉(zhuǎn)移方案兩種方案設(shè)想，通過對兩種方案取樣過程的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展原理驗證，證明兩種方案原理具有可行性。

后續(xù)將圍繞工程論證進展情況，進一步明確總體任務(wù)需求，在細化方案設(shè)計基礎(chǔ)上，開展機具與對象作用關(guān)系、鉆進規(guī)程設(shè)計、模擬物制備等其他相關(guān)工作，全面推進采樣技術(shù)深化研究和采樣機具設(shè)計工作，并通過試驗驗證進行方案和產(chǎn)品迭代優(yōu)化，為工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

針對我國“探月四期”第2次任務(wù)將在月球南極地區(qū)非永久陰影區(qū)開展的取樣返回任務(wù)的技術(shù)需求，對現(xiàn)有的“嫦娥5號”鉆取采樣裝置進行極區(qū)環(huán)境適應(yīng)性改進，是在當前約束條件下更加可行的技術(shù)途徑。改進的關(guān)鍵在于通過實時監(jiān)測鉆進過程中鉆具上的溫度場，并及時調(diào)整鉆進策略，控制鉆進過程中鉆具的溫度，以盡量避免水分的相變，并通過對軟袋進行防水改進和使用密閉封口方式，包容少量水分發(fā)生相變后產(chǎn)生的次生影響。北京衛(wèi)星制造廠有限公司已經(jīng)掌握了鉆進過程中鉆具溫度場的實時監(jiān)測技術(shù)，后續(xù)將進一步深入開展鉆具溫度控制技術(shù)、取芯軟袋防水和密閉封口技術(shù)，最終實現(xiàn)鉆取采樣裝置用于滿足“探月四期”第2次任務(wù)的極區(qū)環(huán)境適應(yīng)性改進。

對于月球極區(qū)鉆取采樣作業(yè)來說，控制鉆具溫升尤為重要。要實現(xiàn)有效控溫，不單單要在鉆具構(gòu)型設(shè)計、溫度傳感器布置等裝置設(shè)計方面進行優(yōu)化，更需要設(shè)計合理的鉆進作業(yè)策略，從自主控制層面進行溫升控制。鉆進作業(yè)策略的確立應(yīng)建立在采樣對象熱物性研究和采樣機具與對象作用關(guān)系研究基礎(chǔ)之上，運用仿真分析、地面等效試驗等手段，明確力載、溫度等特征量與鉆具溫升的映射關(guān)系和反演規(guī)律，將是一項未來需要持續(xù)優(yōu)化迭代的研究工作，對月球極區(qū)鉆取采樣任務(wù)的成功實施具有重要意義。