行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法*

陳薪碩 李守定 張曉靜 魏 勇 李 娟 楊 蔚 李 曉 隋旺華 宋玉環(huán)

(①中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029， 中國(guó))

(②中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049， 中國(guó))

(③中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國(guó))

(④中國(guó)空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029， 中國(guó))

(⑤中國(guó)礦業(yè)大學(xué)， 徐州 221116， 中國(guó))

0 引 言

當(dāng)前，第二輪國(guó)際深空探測(cè)熱潮呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì)，任務(wù)目標(biāo)逐漸從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向科研與應(yīng)用并重，開發(fā)利用地外資源，建立常駐基地，已經(jīng)成為航天大國(guó)的重要目標(biāo)(楊蔚等， 2021)。美國(guó)公布了阿爾忒彌斯計(jì)劃，預(yù)計(jì)于2024年再次實(shí)現(xiàn)載人登月， 2028年在月表建立常駐站點(diǎn)； 歐航局計(jì)劃在2025年進(jìn)行載人登月并建立月球基地； 俄羅斯預(yù)計(jì)2030年前后實(shí)現(xiàn)宇航員登月，并與我國(guó)聯(lián)合發(fā)布了《國(guó)際月球科研站路線圖(V1.0)》和《國(guó)際月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》； 印度、日本等國(guó)也公布了各自的探月規(guī)劃。我國(guó)也發(fā)布了宏偉的深空探測(cè)任務(wù)規(guī)劃。作為行星地質(zhì)學(xué)與行星工程學(xué)的交叉學(xué)科，行星地質(zhì)工程學(xué)科將直接支撐行星科研站與基地建設(shè)、行星資源開發(fā)與未來(lái)人類移居，相關(guān)研究已迫在眉睫(秦克章等，2021)。

行星地質(zhì)工程學(xué)科主要任務(wù)是：查明行星地質(zhì)資源開發(fā)與工程建設(shè)的工程地質(zhì)條件； 開展行星資源開發(fā)與工程建設(shè)場(chǎng)址的工程地質(zhì)調(diào)查、評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)； 研發(fā)資源開發(fā)利用的行星地質(zhì)工程技術(shù)，解決行星工程地質(zhì)問(wèn)題(李守定等， 2019)。開展行星地質(zhì)工程原位測(cè)試是準(zhǔn)確獲取行星地質(zhì)體工程特性最直接的方式。

與地球相比，行星地質(zhì)體在物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與環(huán)境3個(gè)方面存在較大差異，決定了行星地質(zhì)體工程特性與地球具有很大的差別。例如：與地球土壤的物質(zhì)差異體現(xiàn)在月壤玻璃質(zhì)含量高，火壤含鐵礦物含量高(劉漢生等， 2020)； 結(jié)構(gòu)差異體現(xiàn)在月壤和火壤均粒度細(xì)、結(jié)構(gòu)松散(Ковaнько et al.，1998)； 環(huán)境差異體現(xiàn)在重力、氣壓、溫度和輻照差異等方面(沈立軍等， 2009)。

從20世紀(jì)50年代末蘇聯(lián)發(fā)射了首個(gè)月球探測(cè)器至今，世界各國(guó)共進(jìn)行了127次月球探測(cè)(裴照宇等， 2020)，其中共有66個(gè)探測(cè)器到達(dá)月球表面， 21次任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)了月表軟著陸。而在火星探測(cè)領(lǐng)域，從1960年蘇聯(lián)嘗試發(fā)射火星探測(cè)器至今，國(guó)際上已實(shí)施的火星探測(cè)任務(wù)共47次(歐陽(yáng)自遠(yuǎn)等， 2011)，其中成功或部分成功任務(wù)共27次(李春來(lái)等， 2018； 歐陽(yáng)自遠(yuǎn)等， 2012)，成功實(shí)現(xiàn)火星表面軟著陸的任務(wù)有11次。這些探測(cè)器均攜帶著當(dāng)時(shí)較為先進(jìn)的各種科學(xué)載荷，在行星表面開展了一系列的原位探測(cè)與測(cè)試試驗(yàn)。

Zacny et al. (2010)對(duì)行星地質(zhì)工程原位測(cè)試中的圓錐貫入試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，并將其劃分為十字板圓錐貫入、靜力圓錐貫入、動(dòng)力圓錐貫入以及沖擊動(dòng)力貫入4種；Zacny et al. (2013)還對(duì)月表原位鉆探取樣的方法進(jìn)行了綜述，研究了歷次取樣任務(wù)中的取樣方法、取樣深度以及取樣效果； Latham et al. (1969)總結(jié)了阿波羅計(jì)劃中采用過(guò)的地震探測(cè)方法，詳細(xì)對(duì)比了各次任務(wù)中主動(dòng)、被動(dòng)地震探測(cè)試驗(yàn)的參數(shù)與設(shè)備布置； Ellery(2016)將鉆探方法與機(jī)械臂鏟斗操作相結(jié)合，對(duì)表取和鉆取月壤或火壤樣品的儀器與方法進(jìn)行了論述。

前人多對(duì)單一行星原位測(cè)試儀器及其原理進(jìn)行了綜述，缺乏對(duì)原位測(cè)試方法與工程特性指標(biāo)參數(shù)規(guī)律的系統(tǒng)性總結(jié)。文章以行星地質(zhì)工程原位測(cè)試的方法與設(shè)備為主要依據(jù)，將月球探測(cè)和火星探測(cè)任務(wù)中開展過(guò)的原位測(cè)試方法分為：觸探試驗(yàn)、鏟斗試驗(yàn)、鉆探試驗(yàn)、地球物理探測(cè)和攝影測(cè)量等5類，分別分析了各類原位測(cè)試方法的原理與科學(xué)載荷，對(duì)比各種方法中不同測(cè)試儀器的差異； 根據(jù)月球工程特性原位測(cè)試結(jié)果將月壤工程特性總結(jié)為：粒度分布、密度、孔隙比、抗剪性、壓縮性和承載力，并分析了月壤工程特性的變化規(guī)律，指出了與地球土壤物理力學(xué)特性的差異，旨在為未來(lái)新型原位測(cè)試方法技術(shù)、月球科研站及火星采樣返回等提供參考。

1 行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法

以往的行星探測(cè)活動(dòng)，尤其是月球探測(cè)與火星探測(cè)任務(wù)，已經(jīng)陸續(xù)開展了多次行星地質(zhì)工程原位測(cè)試與試驗(yàn)。但受火箭運(yùn)力限制，探測(cè)器體積和質(zhì)量非常有限，而其承擔(dān)的科學(xué)任務(wù)卻非常艱巨，這導(dǎo)致地質(zhì)工程原位測(cè)試的儀器設(shè)計(jì)趨于簡(jiǎn)化和多功能化。表現(xiàn)在儀器種類繁多，對(duì)應(yīng)的功能也各不相同。因此，按照測(cè)試的原理及儀器，將其整理劃分為觸探試驗(yàn)、鏟斗試驗(yàn)、鉆探試驗(yàn)、地球物理探測(cè)和攝影測(cè)量5類，并對(duì)每種測(cè)試儀器和原理進(jìn)行了分析。

1.1 觸探試驗(yàn)

觸探試驗(yàn)分為動(dòng)力觸探與靜力觸探，是一種將圓錐型探頭壓入土體中，并在此過(guò)程中記錄壓入阻力的試驗(yàn)方法。在試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)在貫入儀器頂端施加靜荷載或動(dòng)荷載將安裝有傳感器的探頭壓入土體中。由于各層土壤的物理力學(xué)性質(zhì)不同，因此探頭在貫入過(guò)程中所受的阻力也在不斷變化。使用圓錐貫入試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)可以估算土的承載力、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等多項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)。

與地球上圓錐貫入方法不同，行星原位測(cè)試中的圓錐貫入方法以及使用的測(cè)試儀器相對(duì)簡(jiǎn)化。蘇聯(lián)于1966年發(fā)射的月球著陸器月球13號(hào)即配備有一件較為簡(jiǎn)易的圓錐貫入試驗(yàn)儀(Cherkasov et al.，1968)。該儀器由錐體外殼、環(huán)形載荷板和圓錐探頭3部分組成(圖1)。錐體外殼由塑料制成，安裝有一臺(tái)噴嘴朝上的小型燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，為圓錐探頭刺入月壤提供動(dòng)力和引導(dǎo)(Cherkasov et al.，1986)； 環(huán)形載荷板內(nèi)徑為71.5mm，外徑120mm，作用是在錐頭貫入月壤時(shí)為其提供支撐力； 圓錐探頭由鈦金屬制成，錐頭部分共13mm高，最大直徑35mm，錐角103°，整個(gè)探頭在月壤中的可貫入深度為50mm。在原位測(cè)試時(shí)，錐體外殼中安裝有彈射裝置，點(diǎn)火后儀器與錐頭頂帽被彈出，錐體外殼與圓錐探頭之間的滾珠鎖解鎖，在0.8s左右的時(shí)間內(nèi)，圓錐探頭受到了約65N的壓力，貫入月壤深約45mm。為處理測(cè)試數(shù)據(jù)，圓錐貫入儀在地球上采用了14種密度不同的模擬物進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)試結(jié)果采用別列贊采夫公式進(jìn)行計(jì)算(Ковaнько et al.，1998)。

圖1 月球13號(hào)圓錐貫入儀(Cherkasov et al.，1968)

此后，蘇聯(lián)于1970年進(jìn)行的月球17號(hào)任務(wù)中，也采用了圓錐貫入試驗(yàn)的方法。其著陸器搭載的月球車1號(hào)自主探測(cè)器上配備有月球13號(hào)上圓錐貫入儀的升級(jí)版——錐型葉片貫入儀。這種新型貫入儀相比之前的結(jié)構(gòu)，在錐型探頭上加裝了兩片對(duì)稱的垂直葉片(Kassel， 1971)(圖2)，垂直葉片共寬70mm，高44mm，錐型探頭最大直徑為50mm，錐角為30°。這種設(shè)計(jì)后來(lái)在傳統(tǒng)的地質(zhì)工程應(yīng)用中被方歐達(dá)(1992)提出，雖然其圓錐貫入試驗(yàn)與十字板剪切試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)均與普通版本的儀器有所偏差，但偏差規(guī)律比較容易探討，并且該種儀器確實(shí)可以同時(shí)完成兩種試驗(yàn)操作，減少了測(cè)試時(shí)間與儀器的體積。

圖2 月球車1號(hào)圓錐貫入儀(Ковaнько et al.，1998)

圖3 十字板-圓錐貫入儀(方達(dá)歐， 1992)

錐型葉片貫入儀安裝在月球車1號(hào)上，需要在其月面巡視行進(jìn)的過(guò)程中重復(fù)使用，多次測(cè)量不同位置月壤的物理力學(xué)參數(shù)，因此儀器頂部與月球車1號(hào)車體由鉸鏈連接。在工作時(shí)，月球車1號(hào)通過(guò)鉸鏈將儀器下放到月球表面，施加垂直壓力，將錐型探頭壓入月壤至深度約50mm處。探頭埋置完成后，儀器將帶動(dòng)錐型探頭繞軸線扭轉(zhuǎn)90°，通過(guò)兩側(cè)的垂直葉片對(duì)月壤進(jìn)行剪切破壞。試驗(yàn)完成后再通過(guò)鉸鏈將儀器提起歸位，用于下一次測(cè)試。在此過(guò)程中傳感器將測(cè)定的壓入力、壓入深度、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)傳回地球。最終，月壤承載力為豎向荷載與錐體壓痕面積之比； 剪切阻力為表面抗剪強(qiáng)度的矩除以葉片上的扭矩。在后續(xù)的月球21號(hào)任務(wù)中搭載的月球車2號(hào)自主探測(cè)器搭載了相似的錐型葉片貫入儀(Zacny et al.，2010)進(jìn)行了月壤物理力學(xué)性質(zhì)的測(cè)試。

圖4 靜力貫入儀(Zacny et al.，2010)

美國(guó)國(guó)家航天局(NASA)在1969～1972年間的阿波羅載人登月計(jì)劃中，也使用了圓錐貫入儀對(duì)月表的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試。阿波羅14號(hào)中使用了一種鋁制的靜力貫入儀，長(zhǎng)度680mm，直徑9.5mm，一端為圓錐型，頂角為30°。為了方便在測(cè)試中讀取貫入深度，錨桿上按照長(zhǎng)度繪制了寬2mm的環(huán)形標(biāo)線。試驗(yàn)過(guò)程中，宇航員單手按壓圓錐貫入儀的壓力約為70～130N，雙手按壓約為220N，通過(guò)先單手按壓，后雙手按壓的方式，將整根貫入儀壓入月壤中。壓入過(guò)程保持勻速，測(cè)量出力與深度的變化關(guān)系，并將其換算成錐體指數(shù)(單位為kPa的平均壓力)或貫入阻力梯度(單位為kPa·mm-1的平均梯度)。

在阿波羅15號(hào)與阿波羅16號(hào)任務(wù)中，宇航員使用了一種自記貫入儀(Zacny et al.，2010)(圖5)。這種儀器實(shí)質(zhì)上是一種一端裝有圓錐和平板的桿，由宇航員施加外力推入月壤中。貫入儀可使用直徑為12.8mm和20.3mm兩種不同的錐型探頭。貫入壓力由宇航員的重力提供，約200N。貫入深度會(huì)由劃線器自動(dòng)記錄在桿另一端的金屬圓筒上，最終可以得到貫入儀在月壤中的外力-貫入深度的曲線。

圖5 自記貫入儀(Zacny et al.，2010)

在蘇聯(lián)的月球計(jì)劃與美國(guó)的阿波羅計(jì)劃中，由于受到火箭運(yùn)力限制，配備的圓錐貫入儀器重量和體積都控制十分嚴(yán)格，與傳統(tǒng)測(cè)試儀器并不相同，但從測(cè)試原理層面來(lái)說(shuō)，可以較好地完成月壤物理力學(xué)特性的測(cè)試任務(wù)。

1.2 鏟斗試驗(yàn)

雖然阿波羅載人登月計(jì)劃將宇航員送到月球直接進(jìn)行原位測(cè)試工作，但行星探測(cè)還是以無(wú)人探測(cè)器為主。無(wú)人探測(cè)器上的“手”——鏟斗，與“臂”——機(jī)械臂，成為了期望代替宇航員操作的一種重要設(shè)備。鏟斗試驗(yàn)主要獲取的物理力學(xué)參數(shù)包括承載力，黏聚力，內(nèi)摩擦角和粒度等。

在美國(guó)1967年發(fā)射的勘察者3號(hào)與1968年發(fā)射的勘察者7號(hào)月球探測(cè)器上，就裝備了機(jī)械臂與挖掘斗(Vrebalovich et al.，1968； Jaffe et al.，1969)。兩次任務(wù)中使用的機(jī)械臂與挖掘斗基本相同，其機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)與自動(dòng)伸縮門類似，為菱形多鉸接結(jié)構(gòu)(圖6)，使用轉(zhuǎn)軸與探測(cè)器主體連接，可以實(shí)現(xiàn)伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)械臂完全縮短時(shí)，可以被收納進(jìn)狹小的空間，完全伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度可達(dá)152cm，最大轉(zhuǎn)角112°。機(jī)械臂通過(guò)放松壓縮彈簧實(shí)現(xiàn)向前伸出，通過(guò)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)收回位于機(jī)械臂下方與鏟斗連接的鋼絲實(shí)現(xiàn)縮回。在機(jī)械臂末端是帶蓋的鏟斗，安裝有測(cè)量位移的電位計(jì)、測(cè)量數(shù)值和水平方向力的應(yīng)變傳感器、以及測(cè)量負(fù)加速度的加速度計(jì)，蓋的打開與關(guān)閉由鏟斗上的電動(dòng)機(jī)控制。在鏟斗頂蓋關(guān)閉時(shí)，鏟斗可以用做載荷板使用，進(jìn)行月表靜載荷試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，載荷板尺寸為25mm×51mm，其中靜載荷試驗(yàn)的荷載大小由電動(dòng)機(jī)電流換算得到，最大豎向作用力約為13.5N，位移則由電位計(jì)測(cè)量(Scott et al.，1969)。頂蓋打開時(shí)，鏟斗可以利用較為鋒利的底板前端進(jìn)行月壤挖掘溝槽的試驗(yàn)，可挖掘的溝槽寬度與頂蓋寬度相同，為51mm。在操控頂蓋打開和關(guān)閉的操作時(shí)，可以進(jìn)行月巖稱重，或從較高處拋落月巖，以測(cè)試其大致強(qiáng)度。鏟斗容積為100cm3，最大可容納直徑為32mm的月巖樣品(Scott et al.，1968)。

圖6 勘察者3號(hào)機(jī)械臂(Scott et al.，1969)

不僅月球探測(cè)器上裝配有鏟斗，美國(guó)早在1975年發(fā)射的火星探測(cè)器維京1號(hào)、維京2號(hào)也裝備有鏟斗用于獲取表面火壤樣品(Ellery， 2016)。維京2號(hào)計(jì)劃是作為維京1號(hào)的備份機(jī)，因此這兩輛火星探測(cè)器的科學(xué)載荷基本一致。其鏟斗安裝在一根伸縮桿上，下部寬44.6mm，末端為鋸齒狀，實(shí)際取樣的鏟子位置在其下方，寬61mm，高64.5mm (圖7)。在鏟子收集過(guò)土樣后，可以在鏟斗上部通過(guò)振動(dòng)過(guò)2mm篩。取得的土樣用于探測(cè)器上的其他科學(xué)載荷試驗(yàn)。

圖7 維京1 & 2號(hào)鏟斗裝置(Ellery， 2016)

2008年著陸的鳳凰號(hào)火星探測(cè)器也使用了機(jī)械臂與鏟斗裝置(圖8)。鳳凰號(hào)的機(jī)械臂全長(zhǎng)2.35m(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)，共有4個(gè)自由度，機(jī)械臂與探測(cè)器主體的連接部位可以實(shí)現(xiàn)垂向轉(zhuǎn)動(dòng)和水平擺動(dòng)，中間部位有一處允許垂向轉(zhuǎn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，末端連接鏟斗的部位也有一處垂向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，支持鏟斗的復(fù)雜操作。鏟斗前端為鈦質(zhì)刀片，用于挖掘火星表面土壤層； 鏟斗底部裝有一個(gè)碳化鎢的刮刀，用于刮取堅(jiān)硬的凍土； 鏟斗后部還有一處圓形銼刀，可以磨碎凍土，并將其運(yùn)移至鏟斗內(nèi)(Arvidson et al.，2009； Ellery， 2016)。在鳳凰號(hào)火星探測(cè)器的任務(wù)中，鏟斗主要用于輔助其他測(cè)試設(shè)備，在不同位置進(jìn)行挖掘操作，暴露和觀察凍土層，并為其他多個(gè)科學(xué)儀器取得不同的表層土樣。但通過(guò)測(cè)量挖掘形式的邊坡坡度，建立與挖掘阻力相關(guān)的開挖模型，Shaw et al.(2009)估算了著陸區(qū)火星表面土壤的內(nèi)摩擦面與黏聚力。

圖8 鳳凰號(hào)鏟斗裝置(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)

我國(guó)嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器上同樣配備了機(jī)械臂與鏟斗(金晟毅等， 2021)，鏟斗的主要任務(wù)是鏟取表層月壤樣品，作為鉆取樣品任務(wù)的補(bǔ)充和保障(圖9)。機(jī)械臂有4個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角操作，鏟斗為圓筒狀，由電動(dòng)機(jī)控制其進(jìn)行挖掘和封裝的操作。表取樣品操作總共進(jìn)行了12次，取樣總量為1500g，并未對(duì)月壤性質(zhì)進(jìn)行專門測(cè)試。

圖9 嫦娥五號(hào)鏟斗裝置(中央廣播電視總臺(tái)，2020)

1.3 鉆探試驗(yàn)

鉆探作為一種非常傳統(tǒng)的地質(zhì)工程探測(cè)手段，在各類工程建設(shè)中都發(fā)揮著不可替代的作用。在行星探測(cè)任務(wù)中，鉆探方法的主要任務(wù)是鉆取月壤樣品并盡可能保持其原位分層信息和輔助其他科學(xué)設(shè)備的安裝。

行星鉆進(jìn)與地球不同，面臨著更多的困難和挑戰(zhàn)。主要難點(diǎn)包括(鄢泰寧等， 2004； 沈立軍等， 2009)：鉆探工藝能源供應(yīng)問(wèn)題； 運(yùn)載能力有限導(dǎo)致鉆探設(shè)備尺寸、質(zhì)量受限問(wèn)題； 鉆探過(guò)程中的潤(rùn)滑和冷卻問(wèn)題； 太空低重力導(dǎo)致鉆壓不足的問(wèn)題； 已探明地質(zhì)信息過(guò)少易發(fā)生事故且處理困難的問(wèn)題； 太空中復(fù)雜的鉆進(jìn)環(huán)境對(duì)儀器設(shè)備、宇航員的危害問(wèn)題等。為此，很多學(xué)者已經(jīng)采用模擬土壤樣品(Duan et al.，2014； Wu et al.，2014； Zhang et al.，2017)或者數(shù)值模擬(Liu et al.，2020)的辦法在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鉆探進(jìn)行了深入的研究，為行星鉆探設(shè)備與工藝的研發(fā)提供參考(謝和平等， 2020)。

在已進(jìn)行的包含鉆探任務(wù)的月球探測(cè)計(jì)劃與火星探測(cè)計(jì)劃中，按照鉆探的自動(dòng)化程度可分為電動(dòng)鉆進(jìn)和無(wú)人鉆進(jìn)兩種。阿波羅11號(hào)、12號(hào)、14號(hào)宇航員采用過(guò)手動(dòng)取土器采集了月表一定深度的月壤樣品，但在此過(guò)程中并未使用傳統(tǒng)鉆探中的鉆頭，也未涉及常見的沖擊、回轉(zhuǎn)、震動(dòng)等鉆進(jìn)方法(鄢泰寧等， 2004；Zacny et al.，2013)。因此，行星鉆探實(shí)際上由蘇聯(lián)月球16號(hào)首次采用，阿波羅計(jì)劃中則是阿波羅15號(hào)首次采用鉆探手段。除此之外，月球16號(hào)還是歷史上第一次進(jìn)行地外無(wú)人鉆探取樣的探測(cè)器，但實(shí)際上，月球計(jì)劃中的3次無(wú)人鉆探取樣任務(wù)受當(dāng)時(shí)傳感器技術(shù)等科技發(fā)展水平的限制，取樣效果與阿波羅計(jì)劃相比較不理想。

(1)在阿波羅計(jì)劃期間，主要采用人工鉆探的方法。由宇航員操作使用電動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔的任務(wù)有阿波羅15號(hào)、阿波羅16號(hào)和阿波羅17號(hào)。這3次任務(wù)中使用的電動(dòng)鉆機(jī)設(shè)備大體一致，如圖10，由操作手柄、供電電池、動(dòng)力鉆頭和螺旋鉆桿組成，鉆進(jìn)方法為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，回轉(zhuǎn)速度為280r·min-1，錘擊頻率為2270擊/分鐘，每根鉆桿可容納39.9cm長(zhǎng)的月壤柱。任務(wù)目標(biāo)均是鉆進(jìn)3個(gè)深度為2～4m的鉆孔，其中兩個(gè)用于安裝熱流探測(cè)計(jì)，剩余一個(gè)用于采集月壤(Zacny et al.，2013)。這3次任務(wù)也是迄今為止鉆進(jìn)和取芯深度最深的月表鉆探任務(wù)，阿波羅15號(hào)鉆進(jìn)深度約為236cm，返回的月壤柱分6段，總長(zhǎng)約236.5cm(取芯率大于100%)，總重1343.5g； 阿波羅16號(hào)鉆進(jìn)深度約為224cm，返回的月壤柱分7段，總長(zhǎng)約180cm，總重1007.6g； 阿波羅17號(hào)鉆進(jìn)深度約為305cm，返回的月壤柱分9段，總長(zhǎng)約298.6cm，總重1772.5g(Carrier，1974；Allton et al.，1980)。

圖10 阿波羅計(jì)劃電動(dòng)鉆機(jī)(Zacny et al.，2013)

(2)在其他的探測(cè)任務(wù)中，基本都采用無(wú)人鉆探的取樣和測(cè)試方法。實(shí)際上，從傳統(tǒng)鉆探角度來(lái)說(shuō)，蘇聯(lián)于1970年進(jìn)行的月球16號(hào)探月任務(wù)開展了人類歷史上第一次地外星體鉆探工作，同時(shí)也是第一次在地外采用無(wú)人鉆探技術(shù)(圖11)。月球16號(hào)與兩年后的月球20號(hào)配備的鉆進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作模式基本一致，均是在著陸器外圍安裝有一根自身可以轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以水平或垂直擺動(dòng)的剛性吊桿，吊桿末端帶有直徑為26mm的取芯螺旋鉆頭，共有5個(gè)切削刃，能夠適應(yīng)從堅(jiān)硬巖石到粉砂質(zhì)土之間的各種巖土層，最大鉆進(jìn)深度為380mm(Cherkasov et al.，1986)。鉆頭頂部?jī)?nèi)側(cè)有特殊的巖芯破碎器和巖芯保留裝置，固定巖芯避免在鉆進(jìn)結(jié)束后無(wú)法將樣品取出(Litvak et al.，2020)。鉆進(jìn)方法為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，由剛性吊桿提供80～120N的鉆壓，鉆頭轉(zhuǎn)速為508r·min-1，沖擊頻率為1524擊/分鐘，設(shè)計(jì)鉆速為56mm·min-1。鉆進(jìn)過(guò)程中使用的潤(rùn)滑劑(沖洗液)為油蒸汽，鉆進(jìn)前保存在密封圓筒中。鉆進(jìn)結(jié)束后，由剛性吊桿轉(zhuǎn)動(dòng)180°，并通過(guò)擺動(dòng)操作，將裝滿土樣的鉆頭放入返回艙中密封。最終，月球16號(hào)鉆孔深度為35cm，返回月壤樣品101g； 月球20號(hào)由于在布設(shè)裝置時(shí)鉆頭位置較高，在進(jìn)行了47mm的空程鉆進(jìn)后才實(shí)際開始取樣，鉆孔深度為29.3cm，返回月壤樣品55g(Zacny et al.，2013)。

圖11 月球16號(hào)無(wú)人鉆機(jī)(Zacny et al.，2013)

與前兩次任務(wù)相比， 1976年進(jìn)行的月球24號(hào)任務(wù)重新設(shè)計(jì)了鉆進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)。月球24號(hào)配備的鉆探取樣設(shè)備安裝在著陸器一側(cè)的傾斜導(dǎo)軌上，其體積和功率與前代鉆探設(shè)備近似，但可鉆深度大大增加，如圖12。在鉆進(jìn)方法的選擇上，淺層采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，深層采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。該鉆進(jìn)設(shè)備的亮點(diǎn)在于取樣方法：鉆進(jìn)過(guò)程中，土樣或巖芯被收納在柔性取樣器中，在鉆進(jìn)結(jié)束后，由電機(jī)帶動(dòng)繩索抽出柔性取樣器，最終纏繞在帶有螺旋軌道的滾筒上(Litvak et al.，2020)。使用這種獲取和保存樣品的方法，既可以較好地保留一定的土層分層信息，又能減少土樣存儲(chǔ)時(shí)設(shè)備對(duì)其過(guò)度壓實(shí)和混合，更好地保存土樣原位狀態(tài)。在月球24號(hào)任務(wù)中，鉆孔最大孔深為225cm，頂角30°，垂直深度約200cm，共返回巖芯160cm，質(zhì)量為170g(Zacny et al.，2013)。

圖12 月球24號(hào)無(wú)人鉆機(jī)(Litvak et al.，2020)

我國(guó)的月球探測(cè)器嫦娥五號(hào)首次實(shí)施了月表的無(wú)人自主鉆探取樣任務(wù)，其上配備的鉆探取樣器與月球24號(hào)的取樣器有異曲同工之妙。鉆頭采用空心螺旋鉆頭，可以滿足多種月壤或月巖的鉆取需求。在鉆頭-鉆桿內(nèi)鋪設(shè)有柔性內(nèi)襯用于取樣，當(dāng)鉆頭鉆達(dá)指定深度后，柔性內(nèi)襯會(huì)將月壤樣品卡在柔性取樣器內(nèi)密封。之后樣品儲(chǔ)存的方法就與月球24號(hào)相似，柔性取樣器會(huì)被纏繞在圓筒上，在返回樣品時(shí)保留原始的分層信息。嫦娥五號(hào)任務(wù)計(jì)劃鉆取深度2m，取帶有分層信息的月壤樣品500g，因月表下地質(zhì)條件復(fù)雜，月壤厚度與預(yù)期存在一定差距，鉆進(jìn)速度偏慢，實(shí)際鉆取深度約1m，返回鉆取樣品231g(楊孟飛等， 2021)。

面對(duì)比月球更加復(fù)雜，已知數(shù)據(jù)更少的火星表面，鉆探方法的實(shí)施困難更大，任務(wù)更加艱巨。2012年，美國(guó)好奇號(hào)火星車開始在火星上探尋生命的線索，其核心任務(wù)之一就是通過(guò)火星巖石原位采樣分析儀(Collection and Handling for In-situ Martian Rock Analysis)獲取樣品并分析，希望在火星表面發(fā)現(xiàn)有機(jī)碳成分。其取樣器類似傳統(tǒng)的螺旋鉆(圖13)，雖然本身并不能獲取巖芯，但可以通過(guò)沖擊回轉(zhuǎn)的方式研磨火星巖石，并在鉆進(jìn)過(guò)程中將巖石碎屑帶入螺旋狀的空隙內(nèi)。進(jìn)行原位成分分析時(shí)，機(jī)械臂會(huì)將取樣鉆頭移動(dòng)到樣品入口的漏斗處，只需反轉(zhuǎn)鉆頭，就可以將巖石碎屑放入后續(xù)實(shí)驗(yàn)的分析儀器中。取樣器最多可以取得50mm深處的巖石碎屑(謝更新等， 2021)。

圖13 好奇號(hào)取樣器(謝更新等，2021)

在2018年開始執(zhí)行的洞察號(hào)火星探測(cè)任務(wù)中也使用到了鉆探方法，其鉆頭命名為“鼴鼠”，主要作用是協(xié)助安裝熱流探測(cè)儀。鉆頭與熱流探測(cè)儀支撐架之間由寬系帶相連，系帶上布置了高精度溫度傳感器。雖然并沒(méi)有進(jìn)行火壤取樣，但“鼴鼠”在任務(wù)中仍然起著非常重要的作用?！褒B鼠”的設(shè)計(jì)非常巧妙，屬于一種低速的小型貫入儀器，依靠?jī)?nèi)部的彈簧錘擊機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，如圖14。運(yùn)作時(shí)，電機(jī)其內(nèi)部軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)螺旋狀構(gòu)件向上運(yùn)動(dòng)，壓縮上部彈簧及錘擊裝置，而后在旋轉(zhuǎn)一周后，螺旋構(gòu)件不再受約束，彈簧突然釋放能量帶動(dòng)整個(gè)錘擊裝置向下對(duì)鉆頭進(jìn)行一次錘擊，以此循環(huán)鉆進(jìn)(Ellery，2016；Spohn et al.，2018； Olaf et al.，2019)。每個(gè)沖程約為3.1s，根據(jù)深度不同，每次“鼴鼠”向下鉆進(jìn)幾分之一毫米至幾毫米，任務(wù)計(jì)劃鉆進(jìn)深度為5m(至少3m)(Jason et al.，2017； Wippermann et al.，2019)。但由于著陸區(qū)火壤能夠提供的摩擦力比預(yù)計(jì)小很多，導(dǎo)致螺旋構(gòu)件為彈簧充能時(shí)，鉆頭外側(cè)的摩擦力不足以支持其外殼相對(duì)火壤靜止，最終任務(wù)失敗(Spohn et al.，2020)。盡管任務(wù)沒(méi)有成功，但“鼴鼠”鉆頭為小型甚至微型的地外鉆探設(shè)備的設(shè)計(jì)提供了一種思路。

圖14 “鼴鼠”鉆頭工作原理(Jason et al.，2017)

2021年美國(guó)毅力號(hào)火星車在火星表面著陸，雖然8月初首次采樣以失敗告終，但在9月1日還是成功采取了火星樣品，其搭載的采樣與儲(chǔ)存系統(tǒng)是目前最為先進(jìn)的(Margetta， 2021; Potter, 2021)。該系統(tǒng)主要分為3個(gè)部分：機(jī)械臂(Robot Arm)、取樣器(Turret)和存儲(chǔ)器(Adaptive Caching Assembly)。取芯器(圖15)上有鉆頭和一個(gè)除塵裝置，兩側(cè)配備了穩(wěn)定器。存儲(chǔ)器由鉆頭轉(zhuǎn)盤、樣品處理機(jī)械臂和樣品存儲(chǔ)點(diǎn)組成。當(dāng)開始取樣工作時(shí)，樣品處理機(jī)械臂先從樣品存儲(chǔ)點(diǎn)取出空的樣品管，并插入鉆頭轉(zhuǎn)盤上的鉆頭中。鉆頭轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，將鉆頭及樣品管帶到火星車外部，由機(jī)械臂控制取芯器拾取，然后再移動(dòng)至目標(biāo)位置進(jìn)行鉆進(jìn)取樣工作，鉆頭最深可鉆至76mm。鉆進(jìn)完成后，樣品管由機(jī)械臂送回鉆頭轉(zhuǎn)盤上，經(jīng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)運(yùn)送到火星車內(nèi)部。此時(shí)樣品處理機(jī)械臂再次工作，取出樣品管，并對(duì)樣品進(jìn)行體積估算、圖像記錄和密封工作，最終將樣品管送回樣品儲(chǔ)存點(diǎn)(Farley et al.，2020)。毅力號(hào)的鉆頭轉(zhuǎn)盤上共安裝有6個(gè)取芯鉆頭、2個(gè)研磨鉆頭、1個(gè)表土鉆頭，存儲(chǔ)系統(tǒng)共攜帶了43個(gè)樣品管，因此盡管首次取樣失敗浪費(fèi)了樣品管，但如果后續(xù)工作較為順利，仍然可以取得數(shù)量可觀的火壤樣品。這些樣品計(jì)劃在后續(xù)的火星探測(cè)任務(wù)中返回地球?qū)嶒?yàn)室。

1.4 地球物理探測(cè)

地球物理探測(cè)采用地球物理學(xué)原理進(jìn)行測(cè)試，能夠獲取行星地質(zhì)體物性參數(shù)并劃分地質(zhì)結(jié)構(gòu)(姜明明等， 2010； 張翔等， 2021)。行星地質(zhì)工程原位探測(cè)方法主要為地震探測(cè)方法、電磁探測(cè)方法。

(1)地震探測(cè)方法是指通過(guò)自然或人工激發(fā)所引起的彈性波，利用其在地下彈性和密度存在差異的巖土體中傳播特征的變化，觀測(cè)和分析彈性波的傳播規(guī)律，推斷地下巖土層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。

由于各巖土層的彈性和密度等性質(zhì)存在差異，彈性波在其中的傳播特征各不相同，在性質(zhì)不同巖土層的界面處還會(huì)發(fā)生折射和反射。由安裝在地面或地下的檢波器接收反射波信號(hào)，通過(guò)對(duì)反射波信號(hào)的處理和解釋，就可以推斷出地下巖土層的結(jié)構(gòu)與分布狀況。

傳統(tǒng)的地震勘探主要采用人工激發(fā)地震的彈性波進(jìn)行。根據(jù)震源類型，可以將其分成兩類，主動(dòng)地震物探和被動(dòng)地震物探，分別以人工激發(fā)地震波和自然地震波為信號(hào)源。在行星原位測(cè)試中，由于人工激發(fā)地震的成本和難度較高，目前利用自然地震信號(hào)進(jìn)行的探測(cè)仍然占有很大比例。

月球探測(cè)中的月震物探試驗(yàn)主要由阿波羅計(jì)劃各次任務(wù)實(shí)施。阿波羅11號(hào)、12號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、16號(hào)、17號(hào)都進(jìn)行了該試驗(yàn)。阿波羅12號(hào)及其之后的阿波羅計(jì)劃都在登月時(shí)利用人工激發(fā)了地震波。其中：阿波羅14號(hào)任務(wù)中，宇航員在月表共布置了3個(gè)地震檢波器，激發(fā)了21個(gè)爆炸裝置，其中13個(gè)發(fā)揮了預(yù)期的信號(hào)源作用(Watkins et al.，1972)， 1號(hào)檢波器附近成功了1次， 2號(hào)附近5次， 3號(hào)附近7次。阿波羅16號(hào)任務(wù)與14號(hào)類似(Ceri et al.，2020)，也布置了3個(gè)檢波器，在激發(fā)爆炸裝置后，又利用火箭發(fā)射了4枚炸彈，在稍遠(yuǎn)距離進(jìn)行爆破，激發(fā)彈性波，炸彈發(fā)射參數(shù)如表1。

表1 阿波羅16號(hào)主動(dòng)地震試驗(yàn)參數(shù)(Ceri et al.，2020)

阿波羅11號(hào)任務(wù)中，宇航員只在月表布置了簡(jiǎn)易的三軸月震儀(Latham et al.，1969； Nakamura et al.，1982)，如圖16，用于檢測(cè)自然月震信號(hào)，該儀器僅正常運(yùn)行了3周時(shí)間。阿波羅12號(hào)、14～16號(hào)在自身主動(dòng)月震試驗(yàn)完成后，進(jìn)入了被動(dòng)接收信號(hào)的模式，在月表組建了月震臺(tái)網(wǎng)(Latham， 1972)，正常運(yùn)行期間共捕捉到了13000多次月震信號(hào)。與主動(dòng)月震試驗(yàn)相比，其探測(cè)深度更大，更多側(cè)重于滿足月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的研究。

圖16 阿波羅11號(hào)三軸月震儀(Latham et al.，1969)

阿波羅17號(hào)的宇航員還進(jìn)行了一次月球地震剖面試驗(yàn)，彈性波信號(hào)由人工激發(fā)，但探測(cè)深度相較于之前增大了很多。試驗(yàn)部署了由4個(gè)微型動(dòng)圈磁鐵地震儀組成的規(guī)模更大的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，呈三角形分布。信號(hào)源為8個(gè)爆炸強(qiáng)度不同的爆炸裝置(Ceri et al.，1972)。安全起見，在宇航員駕駛登月艙離開月球后，才引爆了爆炸裝置。

由于地震研究的重要性，早期在火星上實(shí)現(xiàn)軟著陸的維京1號(hào)與維京2號(hào)均裝載了三軸短周期火震儀(Anderson et al.，1976)。由于當(dāng)時(shí)火星探測(cè)的主要任務(wù)是生物學(xué)、有機(jī)化學(xué)及影像資料的獲取等方面，所以火震儀在設(shè)計(jì)上受到了很大的限制，尺寸小、重量輕、數(shù)據(jù)占用小、裝載位置較差等等(Anderson et al.，1977)。該儀器長(zhǎng)12cm，寬15cm，高12cm，重2.2kg(Anderson et al.，1972)，位于設(shè)備艙上部， 1號(hào)支架旁邊，如圖17。有效頻率為0.1～10Hz，地面振幅分辨率在3Hz下為2nm、1Hz下為10nm(Anderson et al.，1977)。

圖17 維京1號(hào)科學(xué)載荷分布(Don et al.，1977)

近兩年成功登陸火星并執(zhí)行一系列勘察任務(wù)的洞察號(hào)火星探測(cè)器也進(jìn)行了火震探測(cè)試驗(yàn)。這也是人類第一次將火震儀布置在火星表面實(shí)施監(jiān)測(cè)任務(wù)(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)。火震儀由4部分組成：傳感器組件、電子盒、連接帶和溫壓保護(hù)罩。傳感器組件包括2個(gè)科學(xué)儀器，1個(gè)三軸超寬頻帶地震儀和1個(gè)三軸短周期地震儀。前者覆蓋頻率范圍為0.01～50Hz，后者為0.1～50Hz(肖萬(wàn)博等， 2021)。溫壓保護(hù)罩是安裝在儀器上方的圓形罩子，較好地避免了火星表面風(fēng)力與較大溫度變化等因素對(duì)儀器的干擾，圖18為洞察號(hào)正在使用機(jī)械臂為火震儀安裝溫壓保護(hù)罩。根據(jù)其運(yùn)行兩年多記錄的火震數(shù)據(jù)，Knapmeyer-Endrun et al.(2021)基于兩種不同的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，較為準(zhǔn)確地約束了洞察號(hào)下方的火星殼厚度，觀測(cè)結(jié)果為20±5km和39±8km，又結(jié)合火星全球重力和地形數(shù)據(jù)，推算出整個(gè)火星殼的平均厚度為24～38km和39～72km。

圖18 洞察號(hào)火震儀(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)

(2)電磁探測(cè)方法主要是探地雷達(dá)，利用天線發(fā)射和接收電磁波來(lái)探測(cè)介質(zhì)內(nèi)部特性和分布規(guī)律的一種地球物理方法。探測(cè)時(shí)，設(shè)備將電磁波發(fā)射到地下，由于地下介電特性的變化，部分傳播波反射回天線。根據(jù)反射波返回的時(shí)間可以計(jì)算出地下介電特性發(fā)生變化的位置。經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理步驟，即可繪制出探地雷達(dá)剖面圖(Hamran et al.，2020)，進(jìn)而用于分析地層結(jié)構(gòu)與地下異常體。與地震法相比，基于電磁方法的雷達(dá)有高精度、高效率、無(wú)損壞、設(shè)備集成度高等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)勘察任務(wù)中。受限于技術(shù)發(fā)展水平，近些年來(lái)探地雷達(dá)技術(shù)才逐漸應(yīng)用到行星探測(cè)任務(wù)中。

我國(guó)探月工程的嫦娥三、四、五號(hào)3次任務(wù)中，均裝載了測(cè)月雷達(dá)設(shè)備。其中嫦娥三號(hào)與嫦娥四號(hào)的月球車玉兔號(hào)、玉兔二號(hào)搭載的測(cè)月雷達(dá)基本參數(shù)一致(李洪丹， 2019)，均為雙頻探測(cè)系統(tǒng)，工作時(shí)低頻為60MHz，高頻為500MHz，頻帶分別為40～80MHz和250～750MHz(Fang et al.，2014； Dong et al.，2017; Li et al.，2020)。玉兔號(hào)雷達(dá)探測(cè)深度約100m，雖然儀器相同，但由于著陸區(qū)巖土層性質(zhì)的不同，玉兔二號(hào)的實(shí)際探測(cè)深度比玉兔號(hào)更深，可以達(dá)到330m(Lai et al.，2020)至450m(Zhang et al.，2021)。玉兔號(hào)月球車已于2016年7月停止工作，在月面行駛114m途中對(duì)沿線進(jìn)行了雷達(dá)探測(cè)(Xiao et al.，2015;Zhang et al.，2015; Lai et al.，2019)，玉兔二號(hào)也進(jìn)行了同樣的探測(cè)工作，現(xiàn)在仍在正常運(yùn)行中，累計(jì)行駛距離已超過(guò)680m。玉兔二號(hào)部分探測(cè)結(jié)果如圖19。

圖19 玉兔二號(hào)測(cè)月雷達(dá)探測(cè)剖面示意圖(蘇彥等， 2020)

與這兩輛月球車不同，嫦娥五號(hào)探測(cè)器的主要任務(wù)是月表取樣，因此，其測(cè)月雷達(dá)(即月壤結(jié)構(gòu)探測(cè)儀)也是為取樣工作服務(wù)的。其探測(cè)更側(cè)重于高精度，為鉆探取樣提供幫助，探測(cè)深度約為3m，分辨率可以達(dá)到厘米級(jí)別。

在火星探測(cè)方面，中國(guó)祝融號(hào)火星車上配備有測(cè)火雷達(dá)，其低頻中心頻率為55MHz，工作帶寬為40MHz，分辨率為米級(jí)，針對(duì)土壤和冰的探測(cè)深度分別約為10m和100m； 高頻中心頻率為1300MHz，工作帶寬為1000MHz，分辨率為厘米級(jí)，針對(duì)土壤和冰的探測(cè)深度分別約為3m和10m(李春來(lái)等， 2018； Zhou et al.，2020)。

美國(guó)的毅力號(hào)火星車上也配備有測(cè)火雷達(dá)，具體來(lái)說(shuō)為調(diào)頻連續(xù)波測(cè)火雷達(dá)，安裝在距離地面60cm的高度，由3個(gè)部分組成：電子設(shè)備箱、蝶型天線和短路同軸校準(zhǔn)電纜(Farley et al.，2020)。其工作頻寬為150～1200MHz，預(yù)計(jì)應(yīng)達(dá)到的探測(cè)能力為：能夠測(cè)量表面反射、能夠測(cè)量地下30cm處信號(hào)強(qiáng)度比表面低27dB的反射、探測(cè)地下10m深的松散風(fēng)化層并在介電常數(shù)對(duì)比度為20%標(biāo)準(zhǔn)下劃分地層。在探測(cè)火壤的同時(shí)，也對(duì)火星表面的冰進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別(Hamran et al.，2020)。

1.5 攝影測(cè)量

除了以上幾種直接探測(cè)的方法外，還有一種比較特殊的原位測(cè)試手段——近距離攝影測(cè)量。在很多情況下，近距離攝像的方法都不能直接獲取原位測(cè)試數(shù)據(jù)，但其在整個(gè)行星探測(cè)的任務(wù)中，卻一直發(fā)揮著不可替代的輔助作用。甚至在早期的一些探測(cè)任務(wù)中，受技術(shù)水平和一些其他因素影響，近距離攝影測(cè)量成為主要的探測(cè)方法，例如蘇聯(lián)發(fā)射的月球9號(hào)探測(cè)器(Ковaнько et al.，1998)。盡管近距離攝像在大多數(shù)情況下只能發(fā)揮輔助作用，但仍有少部分原位測(cè)試任務(wù)主要由攝像設(shè)備完成，這也是行星原位測(cè)試的一個(gè)重要組成部分。根據(jù)攝影所得圖像中信息的不同，近距離攝影測(cè)量可以劃分為自然圖像處理和人類活動(dòng)痕跡輔助研究?jī)深悺z影測(cè)量評(píng)價(jià)的指標(biāo)主要有粒度和基床系數(shù)。

(1)自然圖像處理方法是指通過(guò)分析探測(cè)器拍攝的未受人類活動(dòng)擾動(dòng)的行星表面照片，得出行星表面土壤巖石部分性質(zhì)的方法。攝影及圖像處理在早期探測(cè)活動(dòng)中是獲取行星表面部分物理性質(zhì)的主要手段，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其重要性逐漸下降，而早期攝像又受科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制，圖像清晰度、色彩等質(zhì)量不理想，因此實(shí)際能夠獲得的數(shù)據(jù)比較有限。

由蘇聯(lián)研發(fā)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了人類首次月球軟著陸的月球9號(hào)探測(cè)器，在月表拍攝了很多月巖月壤的黑白照片。受分辨率影響，這些照片并不能用來(lái)分析月壤的粒度組分，但可以通過(guò)近似計(jì)算得出在拍攝范圍內(nèi)(約50m2)月巖的大致分布情況。同年年末，月球13號(hào)月球探測(cè)器配備著與月球9號(hào)相同的攝像設(shè)備在月表軟著陸成功，獲得了在其攝像范圍內(nèi)(14.31m2)月巖的大致分布情況。

1966年6月，美國(guó)研發(fā)的月球探測(cè)器勘察者1號(hào)軟著陸成功，并利用攝像機(jī)對(duì)月壤的物理參數(shù)進(jìn)行了研究?？辈煺?號(hào)的攝像機(jī)最高能在1.6m處達(dá)到0.5mm的分辨率，能夠分辨粒度較小的月壤顆粒，因此根據(jù)拍攝的照片對(duì)拍攝范圍內(nèi)(100m2)月巖與月壤進(jìn)行了顆粒粒度的統(tǒng)計(jì)。

此后發(fā)射的勘察者3號(hào)、5號(hào)、6號(hào)在勘察者1號(hào)攝像的基礎(chǔ)上額外安裝了反射鏡，增大了攝像角度和范圍。采用了相同方法分析了各自著陸區(qū)及周邊地區(qū)的月巖與月壤的粒度分布狀況(Ковaнько et al.，1998)。

在后續(xù)的行星探測(cè)計(jì)劃中，取樣等技術(shù)逐漸發(fā)展，在粒度分析方面逐漸取代了自然圖像處理，獲得了更加準(zhǔn)確的粒度分布數(shù)據(jù)。

(2)在探測(cè)器或者宇航員在地外天體表面進(jìn)行科學(xué)活動(dòng)時(shí)，必然會(huì)在這些天體表面留下很多活動(dòng)痕跡。由于專門的測(cè)試儀器取得的數(shù)據(jù)較為有限，這些登陸時(shí)的活動(dòng)痕跡也成為了一種珍貴的數(shù)據(jù)來(lái)源，其中攝像是記錄活動(dòng)痕跡最主要的手段之一。同時(shí)，與處理分析自然圖像相比，登陸痕跡在形成的過(guò)程中有人類產(chǎn)生的已知的外力因素介入，能夠更好地反映天體表面的物理力學(xué)性質(zhì)。

勘察者1號(hào)的攝像系統(tǒng)在著陸后記錄了緩沖部件壓入月表的深度?？辈煺?號(hào)在著陸過(guò)程中在月面進(jìn)行了兩次彈跳，如圖20，其攝像系統(tǒng)拍攝到了兩次彈跳對(duì)月壤形成的壓痕?？辈煺?號(hào)著陸在坡度約20°的斜坡上，導(dǎo)致其發(fā)生了一定的滑移，攝像系統(tǒng)記錄下了支架滑移造成的長(zhǎng)溝?？辈煺?號(hào)在正常運(yùn)行一周后，重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，向前跳動(dòng)了4m，跳躍高度為3m，并在重新著陸時(shí)彈跳了兩次，額外制造了支架與月壤作用的痕跡。研究人員將這些痕跡的照片與支架上力學(xué)傳感器的測(cè)量結(jié)果相結(jié)合，粗略計(jì)算出了各次任務(wù)中月表的承載力等物理力學(xué)特性。同樣，在阿波羅計(jì)劃中，登月艙支架的壓痕和宇航員的腳印也都被用來(lái)估算月壤的承載力。

圖20 勘察者3號(hào)在月面彈跳(Christensen et al.，1968)

除此之外，還有一種非常重要的活動(dòng)痕跡可以反映月壤的物理力學(xué)性質(zhì)——車轍，這在傳統(tǒng)學(xué)科中屬于車輛地面力學(xué)范疇。地面力學(xué)是一門以近地面土力學(xué)為基礎(chǔ)，研究車輛在工作過(guò)程中與地面相互作用關(guān)系的一門邊緣學(xué)科，旨在改進(jìn)車輛設(shè)計(jì)。在行星原位測(cè)試中進(jìn)行逆向思維，通過(guò)已知的月球車、火星車的具體參數(shù)，結(jié)合攝像系統(tǒng)與圖像處理技術(shù)分析在行星表面行進(jìn)產(chǎn)生的痕跡，反演行星表面土壤的物理力學(xué)參數(shù)。

由于月球車與火星車的車輪與傳統(tǒng)輪胎有較大差異，因此用傳統(tǒng)物理方法與力學(xué)方法研究時(shí)需要進(jìn)行一定的修改(Liang et al.，2009)。行星表面土壤與環(huán)境也與地球大不相同，測(cè)量滑移率時(shí)需要改進(jìn)圖像分析方法提高準(zhǔn)確率(李楠等， 2016)。張銳等利用三維離散元數(shù)值模擬的方法對(duì)輪土作用進(jìn)行了研究(Zhang et al.，2020)。薛龍等(2020)采用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法對(duì)火壤性質(zhì)進(jìn)行反演分析，使用的算法有牛頓迭代法、最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等等。

在月球探測(cè)與火星探測(cè)任務(wù)中，所有的巡視器都進(jìn)行了輪土作用方面的研究。探月工程的月球車號(hào)、玉兔系列(Tang et al.，2020)，火星探測(cè)工程的索杰納號(hào)到毅力號(hào)、祝融號(hào)，這些無(wú)人巡視器行駛過(guò)程中與行星表面的相互作用，都是研究行星土壤的一種重要手段。

2 月壤與火壤的物理力學(xué)特性

目前進(jìn)行的行星探測(cè)活動(dòng)主要是針對(duì)月球和火星，因此月壤或火壤的物理力學(xué)特性研究的重要程度最高，已有研究成果也最多。月壤和火壤的物理力學(xué)特性主要由粒度分布、孔隙比、堆積密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量和承載力等參數(shù)指標(biāo)表征。在探測(cè)器著陸、宇航員登陸，甚至是未來(lái)科研站、基地建設(shè)以及人類移居工程中，這些物理力學(xué)特性都是不可或缺的技術(shù)參數(shù)。因此，在現(xiàn)階段，查明月壤和火壤的基本物理力學(xué)特性是最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。

原位測(cè)試方法或儀器的多樣性與多功能性，決定了部分測(cè)試方法可以測(cè)得多個(gè)參數(shù)指標(biāo)，參數(shù)指標(biāo)也可以通過(guò)多種測(cè)試方法測(cè)得。除此之外，針對(duì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了取樣返回任務(wù)的月壤，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的樣品試驗(yàn)也是獲取物理力學(xué)參數(shù)的重要途徑。

2.1 月壤的粒度

在早期月球探測(cè)活動(dòng)中，月壤的粒度分布主要由圖像法測(cè)定，即通過(guò)處理探測(cè)器攝像設(shè)備返回的月表照片分析獲得。最先返回月表圖像的月球9號(hào)與月球13號(hào)探測(cè)器，受攝像設(shè)備分辨率的限制，其照片只能分析出拍攝范圍內(nèi)月巖的粒徑和分布狀況(表2，表3)。

表2 月球9號(hào)月巖粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

表3 月球13號(hào)月巖粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

而在勘察者系列任務(wù)中，成功進(jìn)行月表著陸的1、3、5、6、7號(hào)探測(cè)器均進(jìn)行了該項(xiàng)測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，這幾次任務(wù)中月壤的粒度分布累積曲線在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下均基本滿足線性關(guān)系，可統(tǒng)一用下式表示

N=kD-γ

式中：N為在圖像攝像范圍內(nèi)直徑大于D的顆粒的數(shù)量；D為圖像中可辨別出的顆粒的直徑(mm)；k、γ為粒度分布常數(shù)。

采用對(duì)數(shù)形式表示為：

lgN=k-γlgD

各次勘察者任務(wù)的研究結(jié)果中，粒度分布累積曲線如圖21。

圖21 勘察者著陸區(qū)域月壤粒度分布曲線(Ковaнько et al.，1998)

在后期的月球探測(cè)任務(wù)中，無(wú)人探測(cè)器與宇航員從月表取回了月壤樣品，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法才得以更加精確地測(cè)定月壤的粒度分布。各次取樣任務(wù)月壤粒度估算結(jié)果如表4，Gromov(1998)也對(duì)這些任務(wù)登月點(diǎn)的月壤粒度參數(shù)平均值進(jìn)行了估算(表5)。其中：阿波羅16號(hào)返回的不同深度的月壤樣品的粒度分布如表6。隨著采樣深度的增加，月壤整體粒度稍微有所增大，但并不明顯，推測(cè)是由于天體撞擊導(dǎo)致淺層月壤進(jìn)行了一定的混合，再次沉積的時(shí)間跨度還不足以使其呈現(xiàn)出明顯的成層性(Gromov， 1998)。

表4 月壤中值粒徑與平均粒徑的估算結(jié)果(Heiken et al.，1992)

表5 月壤粒度研究結(jié)果(Gromov， 1998)

表6 阿波羅16號(hào)不同深度月壤粒度分布(鄭永春等， 2004)

2.2 月壤的密度

堆積密度是指粉體材料自由堆積在容器中，未經(jīng)振動(dòng)或壓實(shí)時(shí)的單位體積質(zhì)量，針對(duì)月壤時(shí)即指月壤的天然密度。月壤的堆積密度，尤其是密度隨深度變化的規(guī)律，與熱力學(xué)、電磁學(xué)等其他物理參數(shù)有著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性(Slyuta， 2014)，這對(duì)工程非常重要。在一些場(chǎng)合中，也可以使用容重表示。間接測(cè)試和估算月壤堆積密度、容重的方法有很多，月球9號(hào)、勘察者1號(hào)任務(wù)中根據(jù)攝像資料進(jìn)行估算，月球13號(hào)采用γ射線散射法，勘察者3號(hào)、5號(hào)采用實(shí)驗(yàn)室模擬標(biāo)定的方法進(jìn)了測(cè)試(表7)。

表7 月壤堆積密度或容重

其中：阿波羅15、16、17號(hào)采用人工電動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行取樣，月壤柱保留了較好的分層信息(Carrier， 1974)，月壤樣品隨深度的變化如圖22 和表8。除阿波羅17號(hào)因月壤柱擾動(dòng)導(dǎo)致淺部密度偏大以外，隨深度的增大，月壤的密度整體呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

圖22 阿波羅15～17號(hào)月壤樣品密度與取樣深度的關(guān)系

2.3 月壤的孔隙比

孔隙比定義為土體中的孔隙體積與固體骨架體積的比值，能夠反映土體結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度。通常情況下，孔隙比的值越大，土體越疏松，壓縮性相對(duì)較強(qiáng)； 反之，土體越密實(shí)，壓縮性相對(duì)較弱。

在一些場(chǎng)合，還可采用孔隙率(n)表示土體結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，與孔隙比的換算方法如下式

孔隙比的值一般不能通過(guò)測(cè)試直接獲得，需要通過(guò)土體的比重和天然密度計(jì)算得到，如下式

式中：e為土體孔隙比；Gs為土體固體顆粒比重；ρ0為4℃時(shí)純水的密度；ρ為土體天然密度。

在月壤的測(cè)試中，比重主要由顆粒的礦物組分決定，在較大范圍內(nèi)變動(dòng)。玻璃質(zhì)顆粒的比重從1.0波動(dòng)到3.32，玄武巖顆粒通常小于3.32，角礫巖顆粒約為2.9～3.1(Slyuta， 2014)。

由不同探月任務(wù)中月壤樣品的室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)估算的月壤孔隙比如表9(Gromov， 1998)。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)，月壤的孔隙比隨深度的增加逐漸減小(表10)，隕石坑內(nèi)部與邊緣環(huán)形山相比稍小(Slyuta， 2014)(表11)。

表9 月壤孔隙比(Gromov， 1998)

表10 月壤孔隙率隨深度變化關(guān)系(Slyuta， 2014)

表11 不同位置月壤孔隙率對(duì)比(Slyuta， 2014)

2.4 月壤的抗剪性

在月壤物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試中，黏聚力與內(nèi)摩擦角是兩個(gè)對(duì)工程非常重要的參數(shù)指標(biāo)。黏聚力是月壤顆粒間相互吸引的能力； 內(nèi)摩擦角反映了月壤顆粒之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，提供摩擦的能力，正應(yīng)力相同時(shí)，內(nèi)摩擦角越大，顆粒間摩擦力越大。根據(jù)莫爾破壞準(zhǔn)則，月壤的抗剪強(qiáng)度可以用黏聚力和內(nèi)摩擦角表示，如下式

τ=σ·tanφ+c

式中：τ為月壤的抗剪強(qiáng)度；σ為破壞面所受正應(yīng)力；φ為月壤的內(nèi)摩擦角；c為月壤的黏聚力。

月壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角原位測(cè)試主要由測(cè)試儀器與月表相互作用完成，比如圓錐貫入儀、鏟斗，還包括探測(cè)器支架及月球車車輪。在月壤樣品返回地球后，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)(表12)。

表12 月壤黏聚力與內(nèi)摩擦角(Ковaнько et al.，1998)

根據(jù)Carrier等人統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，月壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨深度的增大有增大的趨勢(shì)(表13)。同時(shí)，根據(jù)原位各次探測(cè)任務(wù)的原位測(cè)試結(jié)果，月壤的抗剪參數(shù)還與孔隙比具有相關(guān)性(表14)。

表13 月壤抗剪參數(shù)隨深度變化關(guān)系(Slyuta， 2014)

表14 月壤抗剪參數(shù)與孔隙比的關(guān)系(Gromov， 1998)

2.5 月壤的壓縮性

研究測(cè)試月壤的壓縮性對(duì)工程也極其重要，通常采用變形模量來(lái)表征，即通過(guò)原位測(cè)試測(cè)得，土體在部分側(cè)限條件下，應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽康谋戎怠Ｍ瑫r(shí)，壓縮模量也是常用的反映土體受壓變形特性的指標(biāo)，其定義同樣為應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽康谋戎?，但與變形模量相比，壓縮模量一般由室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗(yàn)測(cè)得，較原位測(cè)試更易進(jìn)行，同時(shí)因?yàn)樵囼?yàn)條件為完全側(cè)限，導(dǎo)致其不能較好地反映土體原位真實(shí)的變形性質(zhì)。在假設(shè)土體為線彈性材料的前提下，可以通過(guò)廣義胡克定律推導(dǎo)出壓縮模量與變形模量之間的關(guān)系(張博， 2020)，如下式

式中：E0為月壤的變形模量；ES為月壤的壓縮模量；μ為月壤的泊松比。

實(shí)驗(yàn)室在測(cè)試樣品壓縮模量時(shí)，常常還是用壓縮系數(shù)來(lái)表示，壓縮系數(shù)與壓縮模量能夠直接換算，如下式

式中：e0為月壤的天然孔隙比；a為月壤的壓縮系數(shù)。

從定義上來(lái)說(shuō)，壓縮模量與變形模量都是應(yīng)力與應(yīng)變的增量之比，考慮到月壤原位測(cè)試時(shí)，儀器受各方面限制，測(cè)試數(shù)據(jù)不足以支持連續(xù)的小增量比值計(jì)算，因此還常用基床系數(shù)表示月壤的壓縮特性。基床系數(shù)定義為月壤表面所受壓強(qiáng)與總變形之間的比值，假設(shè)月壤是線彈性材料時(shí)，基床系數(shù)可與變形模量進(jìn)行換算，如下式

K=ES·H

式中：K為月壤基床系數(shù)；H為研究或測(cè)試的月壤總厚度。

各探月任務(wù)中原位測(cè)試和樣品試驗(yàn)所得的月壤的壓縮特性如表15。

表15 月壤的壓縮特性

與地球上土壤的性質(zhì)相似，月壤的壓縮性也隨荷載級(jí)別的提升以及孔隙比的減小而變?nèi)?，月?6號(hào)返回樣品的分級(jí)荷載試驗(yàn)結(jié)果如表16，不同孔隙比下月壤樣品的壓縮系數(shù)如表17。

表16 月球16號(hào)樣品壓縮系數(shù)隨荷載的變化(Slyuta， 2014)

表17 不同孔隙比下月壤樣品的平均壓縮系數(shù)(靜壓條件)(歐陽(yáng)自遠(yuǎn)， 2005)

2.6 月壤的承載力

月壤的承載力是在月表進(jìn)行工程活動(dòng)最基本、最直接的一項(xiàng)指標(biāo)，由自身堆積密度、孔隙比和壓縮性等多個(gè)方面因素決定。由于高真空、低重力的沉積環(huán)境，表層月壤的承載力非常低，但隨深度的增加承載力逐漸增大。各次探月任務(wù)中均對(duì)月壤的承載力進(jìn)行了大量的測(cè)試(表18)?？梢?，月表有一層承載力非常低的極松散層，其厚度在不同位置有所變化，一般小于10cm。深度接近和大于該薄層后，月壤的承載力顯著上升，具備一定工程承載能力。

表18 月壤承載力(Ковaнько et al.，1998)

2.7 火壤的物理力學(xué)特性

由于火星探測(cè)器上幾乎沒(méi)有配備專門用于測(cè)試火壤物理力學(xué)特性的科學(xué)載荷，因此，相關(guān)參數(shù)只能通過(guò)攝影測(cè)量、機(jī)械臂鏟斗和土壤的相互作用等方法間接獲得。根據(jù)火星土壤的顆粒特征和力學(xué)性質(zhì)，將其劃分為堆積物、殼狀至土塊狀物質(zhì)和塊狀物質(zhì)3類(歐陽(yáng)自遠(yuǎn)等， 2017)。堆積物松散、多孔、粒度較小，內(nèi)摩擦角、密度、承載能力都較小，壓縮性好； 殼狀至土塊狀物質(zhì)粒度分布范圍廣，黏聚力低，內(nèi)摩擦角中等； 塊狀物質(zhì)粒徑偏大，膠結(jié)程度高，黏聚力高。

從1975年維京1號(hào)至2003年勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)以來(lái)，已經(jīng)獲取的火壤物理力學(xué)特性參數(shù)(表19)。

表19 火壤物理力學(xué)特性(Moore et al.，1989，1999;Arvidson et al.，2004a， 2004b；Shaw et al., 2019)

3 結(jié)論與建議

行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法與技術(shù)，是制約未來(lái)行星科學(xué)探索、行星資源開發(fā)與人類移居的瓶頸問(wèn)題，通過(guò)行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法的分類與物理力學(xué)參數(shù)總結(jié)，得到如下結(jié)論：

(1)與地球相比，行星地質(zhì)體在物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與環(huán)境3個(gè)方面存在較大差異，決定著行星地質(zhì)體工程特性與地球具有很大的差別，開展行星地質(zhì)工程原位測(cè)試是準(zhǔn)確獲取行星地質(zhì)體工程特征的最直接方式。

(2)與地球原位工程測(cè)試方法相比，現(xiàn)有行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法較不成熟，主要體現(xiàn)在測(cè)試方法和儀器受各種因素約束進(jìn)行了簡(jiǎn)化； 行星表面的復(fù)雜環(huán)境限制了各種科學(xué)載荷的測(cè)試能力。

(3)行星土壤的物理力學(xué)性質(zhì)在多個(gè)方面與地球土壤差異較大。例如，與地球土壤相比，月壤具有孔隙率高、壓縮性弱、內(nèi)摩擦角大、黏聚力低、承載力弱等特點(diǎn)。隨著深度的增加，其孔隙比逐漸降低，壓縮性、承載力數(shù)值均有增大趨勢(shì)。未來(lái)應(yīng)針對(duì)行星和地球土壤物理力學(xué)特性差異的本質(zhì)開展深入研究。

未來(lái)進(jìn)行行星地質(zhì)工程原位測(cè)試方法與技術(shù)研究，應(yīng)針對(duì)已經(jīng)返回的嫦娥五號(hào)月球樣品(Yang et al.， 2021)和未來(lái)將要返回的嫦娥六號(hào)月球樣品，研發(fā)模擬行星環(huán)境的樣品測(cè)試技術(shù)與儀器，開展物理力學(xué)特性研究； 以行星探測(cè)任務(wù)為載體，結(jié)合地面微重力模擬測(cè)試平臺(tái)和物理力學(xué)本構(gòu)理論研究，研制小型輕量、自動(dòng)智能的工程特性原位測(cè)試科學(xué)載荷，獲取更加準(zhǔn)確的月球和火星土壤和巖石的工程特性參數(shù)，支撐月球科研站、基地建設(shè)和火星取樣返回等深空探測(cè)任務(wù)。