月球極區(qū)水冰采樣探測(cè)技術(shù)綜述

季 節(jié)，張偉偉，楊 旭，劉君巍，馬如奇，孫 京，姜生元

（1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 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；3. 中國(guó)衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100190）

引 言

月球永久陰影區(qū)中可能存在的大量水冰具有重要的科學(xué)意義與利用價(jià)值[1]。通過(guò)分析月球水冰中氫元素的同位素豐度，可探究月球水的來(lái)源和演化機(jī)制，反演地月系統(tǒng)的起源與演化歷史；月球上的水冰未來(lái)可能成為人類(lèi)月球活動(dòng)重要的資源，月球水資源的開(kāi)采與利用、極區(qū)無(wú)人或載人月球基地的構(gòu)建與運(yùn)行、以月球作為前進(jìn)基地制取燃料前往更遠(yuǎn)的深空等[2-3]工程設(shè)想提出。

目前月球極區(qū)水冰探測(cè)結(jié)果主要基于雷達(dá)、中子、光譜等軌道遙感手段獲得，存在探測(cè)精度低、空間分辨率低、信噪比低等問(wèn)題，難以獲得精細(xì)的月球極區(qū)水冰分布與含量信息。對(duì)月球水冰的最終證認(rèn)、精細(xì)勘察、資源開(kāi)采與原位利用，需要依靠前往月球極區(qū)或永久陰影坑內(nèi)的著陸就位采樣探測(cè)任務(wù)[4]。美國(guó)、俄羅斯等都瞄準(zhǔn)了月球南極地區(qū)或永久陰影區(qū)中的月壤開(kāi)展水冰鉆取采樣與原位樣品分析[5-8]和資源利用。中國(guó)也計(jì)劃實(shí)施探月四期工程，對(duì)月球南極地區(qū)綜合環(huán)境特別是永久陰影區(qū)中水冰的存在性進(jìn)行探測(cè)[9]。未來(lái)國(guó)內(nèi)外計(jì)劃實(shí)施的月球水冰著陸就位探測(cè)任務(wù)如表1所示。

表1 未來(lái)月球極區(qū)水冰著陸就位探測(cè)任務(wù)概況Table 1 Overview of in-situ exploration missions for water ice in lunar polar region

地外天體的采樣是一類(lèi)與目標(biāo)對(duì)象特性及所處環(huán)境高度關(guān)聯(lián)的探測(cè)活動(dòng)。本文主要面向月球水冰科學(xué)探測(cè)需求，根據(jù)當(dāng)前對(duì)月球極區(qū)水冰的共性認(rèn)識(shí)，總結(jié)出實(shí)施采樣探測(cè)的難點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)月球水冰就位預(yù)判表面采樣、埋藏水冰采樣等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施途徑進(jìn)行綜述，給出了研究的方向。

1 極區(qū)探測(cè)的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 水冰采樣探測(cè)面臨的挑戰(zhàn)

月球水冰主要賦存在月球極區(qū)的永久陰影區(qū)。極區(qū)環(huán)境與月球中低緯光照區(qū)有顯著不同，這給探測(cè)任務(wù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)；另一方面，環(huán)境的不同也使得月壤中的水冰具有特殊的賦存分布和物理力學(xué)特性。

1）低溫月球凍土強(qiáng)度高且易受熱揮發(fā)

在月球高真空環(huán)境下，水冰的揮發(fā)速度與溫度有關(guān)，半徑0.1 mm的冰粒在大于170 K時(shí)即會(huì)迅速揮發(fā)損失[12]；而冰的長(zhǎng)期穩(wěn)定賦存需要溫度低于110 K（Formisano等[13]研究表明對(duì)于時(shí)長(zhǎng)100 min的采樣過(guò)程可放寬至123 K），僅有月球永久陰影區(qū)或部分地下冷阱中才能長(zhǎng)期滿足溫度條件[14]。按力學(xué)苛刻度最高的情況，基于月球水冰與月壤顆粒處于冷凍膠結(jié)狀態(tài)的“月球凍土”假說(shuō)，大量的月球凍土地面模擬樣本制備及力學(xué)特性測(cè)試結(jié)果顯示在含水率12.07 wt%、密度1.85 g/cm3、溫度77 K條件下，模擬月球凍土樣本單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)37.15 MPa[15-16]，與中硬巖石相當(dāng)。這要求采樣機(jī)具能破碎硬質(zhì)凍土，同時(shí)要控制好采樣作業(yè)過(guò)程中的溫升，防止水冰受熱大量揮發(fā)損失。

2）月球極區(qū)水冰的賦存分布具有隨機(jī)性

基于月球極區(qū)水冰遙感探測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合水冰冷阱捕獲沉積、熱冰泵、撞擊攪拌等演化機(jī)制和極區(qū)熱環(huán)境分析，月球水冰可能賦存于永久陰影區(qū)內(nèi)的月壤表面以及極區(qū)的地下冷阱中，其形態(tài)可分為表面暴露水冰和地下埋藏水冰兩類(lèi)[17-18]。受軌道遙感空間分辨率差、信噪比低等限制，探測(cè)數(shù)據(jù)中所獲得的月壤水冰分布結(jié)果是一定面域內(nèi)的平均結(jié)果，不能代表采樣作業(yè)點(diǎn)局部的水冰賦存情況，可能存在局部區(qū)域內(nèi)的水冰隨機(jī)分布的情況。

3）月球永久陰影區(qū)內(nèi)探測(cè)器能源有限

中國(guó)深空探測(cè)器主要依靠太陽(yáng)能電池供電，但永久陰影區(qū)內(nèi)終年無(wú)光照，探測(cè)器無(wú)法獲取能源，只能在坑外光照區(qū)充滿蓄電池后進(jìn)坑作業(yè)，單次作業(yè)時(shí)間十分有限。另外由于永久陰影區(qū)內(nèi)溫度可低至40 K，探測(cè)器電子器件等溫度敏感設(shè)備的主動(dòng)熱控措施也需消耗大量能源，探測(cè)器的能源較緊張。

1.2 水冰采樣探測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)

1）表面與埋藏水冰復(fù)合采樣技術(shù)

月球極區(qū)水冰可能同時(shí)賦存于永久陰影區(qū)的表面和埋藏的地下冷阱中，為提高采樣探測(cè)任務(wù)的成功率，采樣探測(cè)機(jī)具需通過(guò)功能復(fù)合、異構(gòu)備份等方式，具備對(duì)表面和埋藏水冰的復(fù)合采樣能力。

2）高效能采樣及自主作業(yè)規(guī)程技術(shù)

探測(cè)器在陰影坑工作時(shí)，能源有限、工作時(shí)間緊張，傳統(tǒng)的地面遙操作模式難以滿足時(shí)效要求。因此采樣探測(cè)機(jī)具需提高對(duì)硬質(zhì)凍土的破碎及采樣效率并具備在軌全自主作業(yè)能力，可實(shí)時(shí)根據(jù)作業(yè)工況調(diào)整作業(yè)規(guī)程參數(shù)，對(duì)可能的故障進(jìn)行自主識(shí)別和排除，節(jié)約地面控制人員工況研判、分析和決策的時(shí)間。

3）含冰月壤樣本高保真采樣技術(shù)

含冰月壤樣本的保真度是保證水冰探測(cè)科學(xué)品質(zhì)的重要前提。通過(guò)方案設(shè)計(jì)與動(dòng)作規(guī)劃減少采樣過(guò)程中含冰月壤樣品與周?chē)鸁o(wú)水月壤的混雜（包括深層樣品采集的層序保持），還需防止作業(yè)溫升導(dǎo)致水冰大量揮發(fā)損失。對(duì)于后者，基于隨鉆溫度監(jiān)測(cè)的采樣規(guī)程控制（溫升過(guò)快時(shí)降低鉆速或暫停）將鉆孔溫度控制在低于水冰揮發(fā)溫度是有效的手段[19]。

4）月球水冰采樣點(diǎn)選址預(yù)判技術(shù)

月球水冰可能存在局域隨機(jī)的賦存分布特性，為提高成功率，需通過(guò)力、熱、電、雷達(dá)、光譜、中子譜等手段對(duì)局域水冰的存在性進(jìn)行就位探測(cè)，支持采樣點(diǎn)的選址。

2 月球水冰就位預(yù)判探測(cè)技術(shù)

2.1 月球水冰力學(xué)觸探技術(shù)

月球凍土力學(xué)反演方法基于月壤顆粒與水冰處于冷凍膠結(jié)狀態(tài)這一假說(shuō)，通過(guò)測(cè)量機(jī)具與月壤作用的負(fù)載，結(jié)合機(jī)—土作用模型對(duì)月壤力學(xué)參數(shù)反演，并與月球凍土預(yù)期具有的力學(xué)特性關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)水冰含量的辨識(shí)。

Zacny等[20]基于月球凍土預(yù)期具有較高強(qiáng)度的特性，提出將鉆進(jìn)單位體積月壤所消耗的比能耗與鉆進(jìn)對(duì)象的單軸抗壓強(qiáng)度關(guān)聯(lián)，再結(jié)合不同含水量的模擬月球凍土單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，即可對(duì)月壤中水冰的含量辨識(shí)。這種方法的前提是月球凍土的單軸抗壓強(qiáng)度不超過(guò)50 ～ 60 MPa，與可達(dá)100 MPa以上的月球玄武質(zhì)巖石有明顯差異。但鉆進(jìn)比能耗同時(shí)受鉆具構(gòu)型和鉆進(jìn)規(guī)程的顯著影響，需在特定的工況下進(jìn)行專(zhuān)門(mén)標(biāo)定。

月球凍土可能具有深低溫下的硬脆、空間分布的緩變與相對(duì)均質(zhì)特性，本文提出一種基于月球凍土力學(xué)觸探的聯(lián)合辨識(shí)方法框架，如圖1所示。利用鉆進(jìn)力載時(shí)域突變信號(hào)識(shí)別地層界面，基于鉆進(jìn)力載荷頻域分析識(shí)別鉆進(jìn)對(duì)象的脆性破壞特征和均質(zhì)特征，并將上述各種只能對(duì)月球凍土單項(xiàng)力學(xué)特征進(jìn)行辨識(shí)的觸探方法聯(lián)合使用、綜合分析，從而得出月壤水冰存在性的判斷結(jié)論。

圖1 基于力學(xué)特性的月球凍土聯(lián)合辨識(shí)方法Fig. 1 Joint identification method for icy lunar regolith based on mechanic characteristics

2.2 月球水冰熱電物性觸探技術(shù)

熱電物性觸探方法主要是通過(guò)主動(dòng)激勵(lì)測(cè)量含冰月壤的熱學(xué)（熱容、熱導(dǎo)率等）和電學(xué)（電阻/電導(dǎo)率、介電常數(shù)等）特性參數(shù)。由于水冰與月壤礦物在熱學(xué)、電學(xué)參數(shù)方面的顯著差異，月壤中少量存在的水冰也會(huì)使得整體熱學(xué)、電學(xué)參數(shù)產(chǎn)生變化，可用于估算月壤中水冰的含量。針對(duì)地外天體水冰對(duì)象的熱電物性探測(cè)通常情況是將兩種方式聯(lián)合使用，主要有美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）發(fā)射的“鳳凰號(hào)”（Phoenix）探測(cè)器攜帶了的土壤熱特性和電導(dǎo)率探測(cè)器（Thermal Electrical Conductivity Probe，TECP），歐洲航天局（European Space Agency，ESA）發(fā)射的“菲萊號(hào)”（Philae）探測(cè)器上攜帶的星壤熱電物性探測(cè)儀器，及俄羅斯Luna 27 ProSEED（PROSPECT's drill）鉆機(jī)攜帶的月壤介電傳感器。

“鳳凰號(hào)”著陸器機(jī)械臂末端安裝了一臺(tái)用于測(cè)量火星壤熱電物性的TECP儀器，如圖2所示。測(cè)量星壤電學(xué)參數(shù)時(shí)，其4探針中探針1、2測(cè)量電導(dǎo)率，探針3、4測(cè)量介電常數(shù)；測(cè)量熱學(xué)參數(shù)時(shí)，探針1主動(dòng)加熱，利用探針1、2與參考探針4測(cè)量的溫度差計(jì)算獲得星壤熱導(dǎo)率和熱容[21]。

圖2 “鳳凰號(hào)”火星土壤熱電物性探針TECP[21]Fig. 2 TECP thermoelectric probe of Phoenix Mars lander[21]

“菲萊號(hào)”著陸器搭載了用于67P彗星科學(xué)探測(cè)的多用途傳感器MUPUS，包括一個(gè)測(cè)量彗星次表層力學(xué)特性和熱特性的MUPUS-PEN穿透器，通過(guò)錘擊機(jī)構(gòu)插入彗星表面，沿深度方向布置16個(gè)聚酰亞胺薄膜基鈦溫度傳感器來(lái)測(cè)量星壤熱流[22]?！胺迫R號(hào)”搭載的表面電學(xué)探測(cè)和聲學(xué)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)儀器包（Surface Electrical Sounding and Acoustic Monitoring Experiment，SESAME）還包括一套對(duì)彗星表面進(jìn)行電學(xué)測(cè)量的介電常數(shù)傳感器，采用的是包括3個(gè)發(fā)射電極和2個(gè)接收電極的5電極配置[23]。

Luna 27的ProSEED鉆機(jī)在鉆桿上集成了基于介電傳感原理的月壤水冰傳感器，其電極組件集成在鉆桿側(cè)壁上距離鉆頭約40 cm處（鉆桿前部空間被采樣驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)占據(jù)），如圖3所示。傳感器監(jiān)測(cè)交流電極電流，通過(guò)測(cè)量含冰月壤極低頻（1.5 ～ 100 Hz）介電常數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)水冰的隨鉆傳感探測(cè)[24]。

圖3 Luna 27 ProSEED鉆機(jī)中的介電傳感器[24]Fig. 3 Permittivity sensor in Luna 27 ProSEED drill[24]

2.3 月球水冰雷達(dá)就位探測(cè)技術(shù)

冰凍揮發(fā)物具有全內(nèi)反射性質(zhì)，可使反射信號(hào)中的電磁波保持原來(lái)的極化方式。向含冰的月壤發(fā)射極化電磁波后，接收到的回波信號(hào)具有高比例的同向極化信號(hào)，即高圓極化比（Circular Polarization Ratio，CPR）。但因?yàn)槌?，其它的散射機(jī)制（如大入射角、月表粗糙度、二次反射等）也可導(dǎo)致CPR增大，基于雷達(dá)的月球極區(qū)水冰探測(cè)結(jié)果往往遭受質(zhì)疑?！翱巳R門(mén)汀號(hào)”（Clementine）、“月船一號(hào)”（Chandrayaan-1）、“月球勘測(cè)軌道飛行器”（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）等搭載雷達(dá)對(duì)月球進(jìn)行了多次軌道遙感探測(cè)，“嫦娥一號(hào)”“嫦娥二號(hào)”也獲取到了部分可能與水冰相關(guān)的異?；夭ㄐ盘?hào)。“玉兔號(hào)”月球車(chē)攜帶的月球穿透雷達(dá)首次通過(guò)車(chē)載移動(dòng)探測(cè)形式，對(duì)月面行走路徑下方的月壤剖面進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)巖石與月壤界面的反射信號(hào)，獲取了月球地下巖石的分布信息[25]。

通過(guò)車(chē)載雷達(dá)回波CPR增強(qiáng)的現(xiàn)象，對(duì)永久陰影區(qū)地下富集水冰的地層進(jìn)行探測(cè)，為下鉆點(diǎn)選擇提供依據(jù)，原理上具有可行性。雷達(dá)探測(cè)還存在數(shù)據(jù)噪聲多、信噪比較低、解譯時(shí)間長(zhǎng)、難以實(shí)施獲取探測(cè)結(jié)果，且會(huì)由于月壤參考介電常數(shù)的偏差引起系統(tǒng)誤差等問(wèn)題，對(duì)于應(yīng)用到月球水冰就位探測(cè)是不利的。

2.4 月球水冰光譜就位探測(cè)技術(shù)

水冰與月壤礦物具有不同的吸收光譜，利用光譜技術(shù)對(duì)疑似含冰月壤進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)檢查光譜信號(hào)中是否存在與水冰相關(guān)的特征吸收光譜，即可判斷是否存在水冰，或許還可估算水冰的含量。

NASA對(duì)與月球極區(qū)同屬高地類(lèi)型、礦物組分和光譜特性相似的“阿波羅16號(hào)”月壤樣品和純水冰進(jìn)行了近紅外光譜測(cè)量[26-27]，結(jié)果如圖4所示。水冰在1.5、1.8、2.0、2.2 μm附近存在與月壤顯著區(qū)別的近紅外光譜特征，可作為紅外探測(cè)的依據(jù)。

圖4 月壤與冰的紅外光譜特征[26-27]Fig. 4 Infrared spectral feature of lunar regolith and ice[26-27]

揮發(fā)物調(diào)查極區(qū)探索巡視器（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）月球車(chē)搭載了一臺(tái)用于探測(cè)月壤水冰的近紅外揮發(fā)物光譜儀系統(tǒng)（Near InfraRed Volatiles Spectrometer System，NIRVSS），在鉆孔過(guò)程中對(duì)排至月表的樣品通過(guò)含水量評(píng)估來(lái)決定是否采樣[28]。NIRVSS的光譜探測(cè)范圍1.6～3.4 μm，鎢絲燈產(chǎn)生連續(xù)波段的寬譜光源照射樣品，用光柵對(duì)接收的反射光進(jìn)行色散處理獲得光譜圖。其鎢絲燈光源導(dǎo)致系統(tǒng)功耗較高，長(zhǎng)時(shí)間照射還可能使月壤溫升過(guò)高導(dǎo)致水冰揮發(fā)損失；接收端需要多波段分光光柵，不利于儀器的小型化。

如果僅用于水冰探測(cè)，無(wú)需獲得連續(xù)光譜，僅對(duì)幾個(gè)水冰特征吸收峰和吸收谷所在的波長(zhǎng)進(jìn)行反射光強(qiáng)差分測(cè)量，也可實(shí)現(xiàn)水冰探測(cè)。這種方法簡(jiǎn)化了儀器，有利于小型化，可實(shí)現(xiàn)多樣化的搭載形式（如集成至機(jī)械臂前端或鉆桿內(nèi)部）。Lunar CubeSat衛(wèi)星上搭載了一臺(tái)基于多波長(zhǎng)差分探測(cè)原理的紅外光譜儀，選取1 064、1 495、1 850及1 990 nm探測(cè)波長(zhǎng)，采用4個(gè)單色激光器作為光源，體積小、質(zhì)量輕，功耗低，利用時(shí)分采用原理，4個(gè)波段復(fù)用同一套光路收發(fā)裝置，進(jìn)一步減小了工程代價(jià)[29]。

除紅外波段，水冰與月壤礦物在160 ～ 400 nm的紫外波段也具有顯著光譜特征。與紅外波段比，紫外波段的優(yōu)勢(shì)是不需很強(qiáng)的太陽(yáng)光或主動(dòng)光源，僅利用恒星或星際介質(zhì)的散射光即可滿足探測(cè)需求[30]。這種方法也已在月球水冰的軌道遙感探測(cè)中得到了應(yīng)用。

2.5 月球水冰中子譜就位探測(cè)技術(shù)

宇宙射線中存在核物質(zhì)衰變產(chǎn)生的高能中子，在與氫原子核發(fā)生碰撞時(shí)會(huì)損失最多的能量，轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的超熱中子與熱中子。通過(guò)中子譜儀對(duì)一定空間范圍內(nèi)的超熱中子和熱中子計(jì)數(shù)即可反映氫元素的豐度，基于氫主要以水冰形式存在的假設(shè)，還可間接反映水冰含量。

NASA艾姆斯研究中心與Honeybee等機(jī)構(gòu)聯(lián)合研制了一種集成中子譜儀的火星鉆機(jī)BNeuP[31]，如圖5所示。其搭載的中子譜儀以放射性元素252Cf作為中子源，使用氣體比例計(jì)數(shù)管測(cè)量熱中子通量和超熱中子通量，探測(cè)地下氫元素的富集區(qū)域，從而識(shí)別鉆進(jìn)過(guò)程中的富冰地層。整個(gè)儀器重量?jī)H517 g，功耗2.25 W，總長(zhǎng)度686 mm，直徑29 mm。BNeuP在2 m深的含冰模擬火星壤地層中進(jìn)行了鉆進(jìn)與隨鉆探測(cè)測(cè)試，結(jié)果表明鉆機(jī)內(nèi)集成的中子譜儀能夠?qū)男侨赖貙舆M(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別。

圖5 集成隨鉆中子譜儀的BNeuP鉆具樣機(jī)與測(cè)試結(jié)果[31]Fig. 5 BNeuP with neutron spectrometer and test results [31]

中子譜儀雖然空間分辨率差，但具有一定的穿透能力，因此也可以搭載于月表探測(cè)器的平臺(tái)上，對(duì)周?chē)》秶鷥?nèi)地表或地下米級(jí)深度內(nèi)可能存在的水冰進(jìn)行探測(cè)；如果搭載于巡視器對(duì)行走路徑上的水冰分布進(jìn)行勘察，可支持采樣點(diǎn)的選取。艾姆斯研究中心開(kāi)發(fā)了一種搭載于星球車(chē)上的中子譜儀原型樣機(jī)SNeuP[31]，并最終被選定為VIPER月球車(chē)的科學(xué)載荷之一，即中子譜儀（Neutron Spectrometer System，NSS）。NSS中子譜儀也采用熱中子和超熱中子雙通道檢測(cè)方案，整體質(zhì)量1.9 kg，功耗1.6 W；在月球車(chē)以10 cm/s的速度行駛時(shí)，含水量檢測(cè)下限0.5 wt%[32]。

中子譜探測(cè)的優(yōu)勢(shì)是其對(duì)月壤具有一定穿透能力，能探測(cè)到存在于地下的水冰；且能夠針對(duì)氫元素進(jìn)行探測(cè)，是置信度最高的一種方法。雷達(dá)探測(cè)雖也能穿透月壤，但難以實(shí)時(shí)獲取高置信度的月壤水冰探測(cè)結(jié)果。光譜探測(cè)容易受月壤礦物本底光譜噪聲的影響，在低含水率月壤中信噪比低。將月壤水冰就位預(yù)判探測(cè)的幾類(lèi)方法總結(jié)如表2所示。綜合各方案探測(cè)原理與探測(cè)特點(diǎn)，可以得出以下結(jié)論：對(duì)于表面暴露水冰，紅外光譜方法最適合；對(duì)于淺層埋藏水冰，中子譜方法是置信度最高，但由于其空間分辨率差無(wú)法精確定位，仍需要通過(guò)與隨鉆集成的力學(xué)、熱電物性觸探或光譜手段對(duì)水冰賦存地層進(jìn)行隨鉆探測(cè)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)較為精確的埋藏水冰樣品定位與采集。

表2 月壤水冰就位預(yù)判探測(cè)方法小結(jié)Table 2 Summary of methods for in-situ detection of lunar water ice

3 月球極區(qū)表層水冰采樣技術(shù)

表取主要是覆蓋月壤表層約0.1 m量級(jí)深度的采樣需求，可達(dá)0.2～0.3 m。表取采樣器與深層采樣器相比是，其一般尺寸較小，可以由機(jī)械臂搭載運(yùn)動(dòng)，在探測(cè)器本體不移動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)星表的快速多點(diǎn)觸達(dá)。對(duì)于賦存于月球永久陰影區(qū)表面的水冰，能夠?qū)崿F(xiàn)表層含冰月壤樣品采集的方式主要有鏟挖式、淺鉆式和磨削式3種途徑，如圖6所示。

圖6 表層水冰采樣的3種途徑Fig. 6 Three ways of surface ice sampling

1）鏟挖式

鏟挖方式用于水冰采樣最早見(jiàn)于“鳳凰號(hào)”探測(cè)器，在機(jī)械臂末端搭載了凍土采集裝置（Icy Soil Acquisition Device，ISAD），具有鏟挖和淺鉆采樣功能，主要目標(biāo)是對(duì)火星北極高緯地區(qū)火星壤中可能存在的水冰進(jìn)行探測(cè)[33]。ISAD采樣器的主體是采樣鏟（scoop），如圖7所示。機(jī)械臂由2根臂桿組成，具有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，其中腕關(guān)節(jié)1個(gè)自由度可以使采樣鏟繞腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)“鏟挖”的動(dòng)作。

圖7 “鳳凰號(hào)”ISAD 采樣器[34]Fig. 7 ISAD sampler of Phoenix lander[34]

俄羅斯Luna 25著陸器也采用了鏟挖式的月球表層水冰采樣方式。其采樣鏟搭載于4自由度機(jī)械臂末端，通過(guò)與鉆具的配合實(shí)現(xiàn)0.2 ～ 0.3 m的挖掘深度，并用鏟斗將獲取的月壤樣品轉(zhuǎn)移至著陸器搭載的激光質(zhì)譜儀對(duì)原位樣品分析[35]。

鏟挖采樣一般用較大容積的鏟斗以提高挖掘效率，但過(guò)大的鏟斗又使得其難以實(shí)現(xiàn)精確放樣，容易出現(xiàn)樣品撒落問(wèn)題，也難以精確控制采樣量，不利于對(duì)月壤含水量的精確測(cè)定。如果永久陰影區(qū)表面存在硬質(zhì)的純水冰霜凍層或與月壤凍結(jié)在一起的硬質(zhì)凍土層，鏟挖難以對(duì)其破碎，無(wú)法獲得含冰月壤樣品，需通過(guò)其他動(dòng)力破碎方式將冰壤膠結(jié)物破為碎屑。

2）淺鉆式

淺層鉆取采樣是一種采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)對(duì)星壤、巖石樣品進(jìn)行動(dòng)力破壞從而獲得樣品的方式，可用于從具有一定強(qiáng)度的對(duì)象中獲取樣品，鉆進(jìn)深度一般為幾毫米至幾十毫米。

火星北極地區(qū)淺表層土壤中埋藏的水冰處于凍結(jié)狀態(tài)，ISAD采樣器的鏟斗背后集成了一個(gè)小型的沖擊鉆頭（rasp），在采樣鏟將水冰之上的浮土層去除后對(duì)硬質(zhì)水冰進(jìn)行鉆進(jìn)破碎，再由采樣鏟將樣品轉(zhuǎn)移至分析儀器[34]。

“好奇號(hào)”（Curiosity）機(jī)械臂末端攜帶了一臺(tái)粉末采集鉆機(jī)系統(tǒng)（Powder Acquisition Drill System，PADS），通過(guò)沖擊鉆進(jìn)方式對(duì)火星巖石采樣，鉆孔直徑16 mm、沖擊頻率30 Hz、最大沖擊功0.8 J、額定鉆壓力120 N、最大采樣深度50 mm[36-37]。PADS的采樣功能由鉆頭組件實(shí)現(xiàn)，鉆頭組件的前端是一個(gè)帶有細(xì)長(zhǎng)螺旋槽鉆桿的小鉆頭，鉆桿外側(cè)有內(nèi)徑6.5 mm的護(hù)套。在鉆頭對(duì)巖石鉆進(jìn)破碎時(shí)，產(chǎn)生的巖石碎屑沿螺旋槽向上輸送，進(jìn)入鉆桿頂端的樣品容腔內(nèi)，并隨后在機(jī)械臂腕關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)下，利用重力從樣品容腔側(cè)面的開(kāi)口進(jìn)入樣品處理模塊。

“毅力號(hào)”（Perseverance）火星車(chē)在機(jī)械臂末端也搭載了一臺(tái)巖石磨削/采樣鉆機(jī)（Corer），如圖8所示。Corer鉆機(jī)也采用了沖擊鉆進(jìn)方式，沖擊頻率23 ～40 Hz可調(diào)、鉆頭額定轉(zhuǎn)速200 r/min、鉆壓力80 ～ 120 N、整機(jī)質(zhì)量23.5 kg[38]。與“好奇號(hào)”相比，Corer增加了鉆取完整巖石樣芯的能力，還通過(guò)搭載可拆換的表土鉆頭和磨削工具，使得Corer采樣器同時(shí)具有了星壤采樣、巖石磨削、巖芯取樣等多種功能，最大鉆進(jìn)深度80 mm，單次巖芯采樣量可達(dá)8 cm3。

圖8 “毅力號(hào)”Corer采樣鉆機(jī)[38]Fig. 8 Corer drill of Perseverance rover[38]

3）磨削式

磨削也是一種對(duì)表層堅(jiān)硬物質(zhì)的動(dòng)力破碎方式，通過(guò)平面型的離散切削齒或鋼刷對(duì)巖石表面風(fēng)化層回轉(zhuǎn)切削去除，為光譜儀創(chuàng)造巖石內(nèi)部的觀測(cè)界面，一般不直接用于采樣。 “勇氣號(hào)”（Spirit）、“機(jī)遇號(hào)”（Opportunity）、“好奇號(hào)”“毅力號(hào)”火星車(chē)均配備了巖石磨削裝置，如圖9所示。

圖9 不同的磨削裝置方案[39-42]Fig. 9 Different types of abrasion tools [39-42]

MER火星車(chē)機(jī)械臂搭載的巖石磨削裝置（Rock Abrasion Tool，RAT）采用了自轉(zhuǎn)切削齒加公轉(zhuǎn)覆蓋的方案，能在不超過(guò)100 N軸壓力和8 ～ 11 W功耗情況下對(duì)巖石表面直徑45 mm、深5 mm的區(qū)域磨削破碎[39]?！昂闷嫣?hào)”的粉塵去除裝置（Dust Removal Tool）改用回轉(zhuǎn)鋼絲刷的方案，磨削區(qū)域直徑同為45 mm[37]?！耙懔μ?hào)”的磨削裝置與鉆機(jī)集成，采用了具有碳化鎢切削齒的磨削鉆頭，對(duì)巖石的磨削區(qū)域增大到了直徑50 mm、深16 mm[38]。

上述3種巖石磨削裝置雖然沒(méi)有采樣功能，但對(duì)于以薄層冰殼或凍土形態(tài)存在的月球表面水冰也能夠?qū)崿F(xiàn)有效破碎，特別是基于表面水冰由冷阱捕獲形成霜凍層的機(jī)制推斷，磨削方式由于可覆蓋大面積、小深度的特點(diǎn)，比淺鉆方式獲取樣品的效率更高。

英國(guó)“小獵犬2號(hào)”（Beagle 2）著陸器機(jī)械臂末端攜帶的儀器中包括一個(gè)將巖石表面磨削、取樣集成在一起的RC/G巖石取芯/磨削裝置，重154 g，尺寸包絡(luò)30 mm × 60 mm × 100 mm，功耗6 W，如圖10所示。RC/G能在巖石表面形成直徑30 mm的磨削區(qū)域，其內(nèi)軸還包含一個(gè)微型末端執(zhí)行器（Micro End Effector，MEE）采樣裝置，由一對(duì)可以開(kāi)合的半鉆頭組成，可使MEE變成一只夾子，能對(duì)磨削破碎的巖屑樣品夾取采樣[40]。這種將磨削破碎與夾取采樣集成的方案，在發(fā)揮磨削優(yōu)勢(shì)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)樣品采集。

圖10 “小獵犬2號(hào)”的RC/G取芯磨削裝置[38]Fig. 10 Corer drill of Beagle 2 lander[38]

4 月球極區(qū)埋藏水冰采樣技術(shù)

4.1 星壤次表層潛入原理

對(duì)月球極區(qū)月壤中埋藏的水冰采樣，要求采樣機(jī)具能進(jìn)入一定深度的次表層月壤中，即實(shí)現(xiàn)月壤次表層的“潛入”，從而觸達(dá)賦存在其中的含水冰地層，進(jìn)而開(kāi)展采樣、探測(cè)作業(yè)。按機(jī)具與星壤作用的潛入原理劃分，實(shí)現(xiàn)地外天體星壤的次表層潛入主要有靜力擠入、動(dòng)力挖掘、動(dòng)能侵徹3種方式，如圖11所示。

圖11 地外天體星壤次表層潛入原理Fig. 11 Technologies for subsurface tunneling on extraterrestrial bodies

靜力擠入方式是用靜壓力或低頻沖擊力將機(jī)具直接壓入土壤，利用淺表層星壤密實(shí)度低、孔隙率高的特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)具壓縮星壤顆粒間的孔隙，形成潛入所需的通道空間。但這種形式的潛入能力有限，對(duì)星壤類(lèi)型具有選擇性，“洞察號(hào)”（InSight）攜帶的HP3潛入器在火星遭遇了高粘聚性星壤無(wú)法潛入的問(wèn)題[42]。

動(dòng)力挖掘方式最主要的特征是將潛入空間內(nèi)的星壤挖掘破碎，把星壤碎屑運(yùn)移至孔外，使機(jī)具與原位星壤實(shí)現(xiàn)空間置換。動(dòng)力挖掘方式對(duì)星壤的挖掘破碎有回轉(zhuǎn)切削、沖擊破碎等，排屑輸送有螺旋輸送、振動(dòng)輸送和氣吹輸送等方式。與排屑相比，星壤挖掘破碎對(duì)機(jī)具潛入能力和負(fù)載是主要影響因素。因此，高效的星壤/巖石破碎技術(shù)是實(shí)現(xiàn)次表層潛入的核心。

動(dòng)力挖掘方式中，沖擊回轉(zhuǎn)切削破碎與螺旋鉆桿排屑的組合（即鉆進(jìn)）是最主流的地外天體星壤次表層潛入形式，其應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟度高[43]，美國(guó)Apollo載人登月、VIPER、蘇聯(lián)/俄羅斯的Luna 24/27、中國(guó)“嫦娥五號(hào)”等均采用了回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)方式對(duì)月球的星壤次表層鉆探。對(duì)于沖擊加載的方式，按原理劃分可分為如圖12所示的4類(lèi)，特點(diǎn)總結(jié)如表3。

圖12 鉆進(jìn)過(guò)程常見(jiàn)的沖擊加載方式Fig. 12 Common methods for introducing impact to drilling

表3 挖掘/排屑潛入方式對(duì)比Table 3 Comparison of excavation / chip removal methods

動(dòng)能侵徹指利用高速飛行的侵徹體直接轟擊星球表面，利用其動(dòng)能實(shí)現(xiàn)星壤的拋射與射孔潛入。這種方式尤其適合于本身沒(méi)有配置著陸器/巡視器的地外天體飛掠、環(huán)繞探測(cè)任務(wù)，通過(guò)攜帶小型的侵徹式探測(cè)器并在軌道上釋放進(jìn)行侵徹，能夠以小的質(zhì)量代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)地外天體的就位次表層探測(cè)。但由于動(dòng)能侵徹過(guò)程對(duì)原態(tài)星壤的力、熱擾動(dòng)較大，容易破壞月壤水冰的賦存狀態(tài)導(dǎo)致水冰揮發(fā)損失。

4.2 月球水冰鉆進(jìn)采樣技術(shù)途徑

對(duì)于埋藏于地下月壤中的水冰，各個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了多種形式的采樣技術(shù)途徑研究，按采樣原理劃分總結(jié)后，如表4所示。

表4 月球水冰鉆取采樣技術(shù)途徑對(duì)比Table 4 Comparison of lunar water ice sampling methods while drilling

1）隨鉆傳感

隨鉆傳感探測(cè)是指將探測(cè)水冰的儀器或傳感器與鉆桿集成，在進(jìn)行極區(qū)月壤鉆進(jìn)潛入過(guò)程中一般不涉及對(duì)鉆屑樣品的獲取和處理，直接對(duì)原位星壤進(jìn)行探測(cè)，提供有關(guān)水冰存在性的信息，也可以看作是一種廣義的“采樣”方法。隨鉆傳感方法對(duì)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)與傳感儀器載荷的集成提出了很高的要求，研制難度大，但能在線對(duì)鉆孔中水冰的存在性探測(cè)，結(jié)果即可以作為水冰證認(rèn)的證據(jù)鏈條之一，又可為星壤采樣點(diǎn)的預(yù)判和采樣決策提供關(guān)鍵信息支持，是實(shí)現(xiàn)月球水冰采樣的重要支撐技術(shù)。

2）揮發(fā)分提取

揮發(fā)分提取以直接獲取月壤中以水冰為代表的揮發(fā)分為目的，將含冰月壤中的“壤”部分可以視為多余物拋棄，將原位分析儀器的水分加熱提取功能直接集成到采樣機(jī)具實(shí)現(xiàn)。

美國(guó)Honeybee公司開(kāi)發(fā)了3種基于原位揮發(fā)分提取原理的月壤水冰提取裝置—星球揮發(fā)分提取器（Planetary Volatiles Extractor，PVEx）[47-48]。PVEx的3種方案對(duì)比如表5所示。Sniffer方案采用了開(kāi)有氣孔的可加熱鉆桿，在鉆進(jìn)含冰月壤后加熱鉆桿進(jìn)行水蒸氣提取。但在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)揮發(fā)的水蒸氣大部分從鉆桿外側(cè)逃逸，而非通過(guò)氣孔進(jìn)入鉆桿內(nèi)部，導(dǎo)致提取水的效率極低[48]。MISWE（Mars In Situ Water Extractor）方案采用了深螺旋槽結(jié)構(gòu)的鉆桿設(shè)計(jì)，鉆進(jìn)月壤后將鉆桿從鉆孔中提出后再加熱鉆桿對(duì)水分進(jìn)行提取，提高了水提取效率。Corer方案采用中空薄壁鉆具設(shè)計(jì)，鉆入月壤后對(duì)取芯鉆具內(nèi)部含冰月壤加熱提取水分，在減小鉆進(jìn)月壤能耗的同時(shí)進(jìn)一步提高了水提取效率。

表5 PVEx揮發(fā)分提取裝置的3種方案Table 5 Three schemes of volatile extraction by PVEx

對(duì)大量月壤揮發(fā)分加熱提取時(shí)需要較大的功耗，錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)此問(wèn)題提出了一種光熱鉆取一體化提取方案。鉆具頂端設(shè)置有聚光裝置，可將匯聚的太陽(yáng)光導(dǎo)入鉆桿內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)水冰的加熱提取[49]。此外，科羅拉多礦業(yè)大學(xué)還提出一種被動(dòng)熱提取方案，即在永久陰影區(qū)內(nèi)搭建半球形帳篷，并在坑外將陽(yáng)光定向引入帳篷實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤水冰的加熱提取。這種方案相比挖掘月壤提取方案以及鉆孔提取方案在大量開(kāi)采水冰的經(jīng)濟(jì)性上更占優(yōu)勢(shì)[50]。

上述揮發(fā)分提取方案縮減了開(kāi)挖月壤的規(guī)模，減少了能量消耗，適合未來(lái)對(duì)月球水資源大量開(kāi)采的需求。但對(duì)于水冰證認(rèn)與勘查任務(wù)來(lái)說(shuō)，揮發(fā)分提取方式對(duì)水冰的擾動(dòng)較大，可能破壞原始?xì)渫凰乇壤瓤茖W(xué)信息，且這種方式仍然無(wú)法獲得樣品中“壤”的部分，降低了其科學(xué)價(jià)值。

3）星表取鉆屑

鉆具鉆進(jìn)含冰月壤過(guò)程中，破碎的含冰月壤鉆屑被鉆桿輸送至星表，并在鉆桿周?chē)纬梢粋€(gè)圓錐形堆積體。星表取鉆屑是指利用鏟挖或夾取等方式，對(duì)鉆孔中排至星表的含冰月壤堆積體取樣。但由于鉆屑輸送過(guò)程可能存在混雜，及采樣過(guò)程可能產(chǎn)生層序擾動(dòng)，月壤星表取鉆屑方法存在無(wú)法區(qū)分采集樣品在鉆孔中具體深度來(lái)源的問(wèn)題。對(duì)于同時(shí)配置了表取機(jī)械臂和鉆取裝置的探測(cè)任務(wù)來(lái)說(shuō)，星表取鉆屑方式可以作為其鉆取采樣功能的一種備份方式，在鉆具采樣功能失效的情況下也能完成對(duì)埋藏水冰樣品的采集。

4）鉆頭外取屑

鉆頭外取屑通過(guò)在鉆桿前端設(shè)計(jì)低螺旋升角、大槽深的螺旋槽，使得在鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑在螺旋槽中堆積留存，隨后將鉆桿提出孔外，將螺旋槽內(nèi)的樣品刷落下來(lái)實(shí)現(xiàn)采樣。

VIPER月球車(chē)搭載的TRIDENT（The Regolith and Ice Drill for Exploration of New Terrains）鉆探系統(tǒng)為應(yīng)用鉆頭外取屑方法設(shè)計(jì)了兩段不同結(jié)構(gòu)的鉆桿螺旋槽，如圖13所示。其中位于鉆頭近端的為采樣螺旋，其螺旋槽深且螺旋升角小，有利于將鉆屑留存在螺旋槽內(nèi)；位于鉆頭遠(yuǎn)端的是排屑螺旋，其螺旋槽淺且升角大，有利于提高排屑效率。鉆頭采用直線型刮刀鉆頭設(shè)計(jì)，切削刃采用耐沖擊的硬質(zhì)合金材料，焊接在鈦合金的鉆頭基體上[51-52]。TRIDENT采用了一種稱(chēng)為“咬取”（bite）的采樣流程，如圖14所示。對(duì)一個(gè)鉆孔多次鉆進(jìn)，每個(gè)鉆次僅100 mm長(zhǎng)度，使得這一鉆次所產(chǎn)生的鉆屑盡量留在采樣螺旋槽內(nèi)，少量多余的鉆屑由排屑螺旋輸送至鉆孔外；隨后進(jìn)行提鉆和刷樣，將采樣螺旋槽中的樣品刷落至接樣容器實(shí)現(xiàn)一次采樣。

圖13 地外天體星壤次表層潛入原理Fig. 13 Technologies for subsurface tunneling on extraterrestrial bodies

圖14 TRIDENT“咬取”采樣流程[53]Fig. 14 Bite sampling approach of TRIDENT drill[53]

鉆頭外取屑能實(shí)現(xiàn)鉆深方向100 mm級(jí)別的樣品層序區(qū)分，實(shí)現(xiàn)對(duì)水冰埋藏深度較為準(zhǔn)確的定位，獲得沿整個(gè)鉆孔深度方向上的水冰豐度情況；且鉆頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需額外的復(fù)雜機(jī)構(gòu)動(dòng)作。另外，與鉆頭內(nèi)取屑和取芯方式相比，其采樣和排屑在鉆桿上是串行實(shí)現(xiàn)的，不涉及到控制鉆屑流向的問(wèn)題，減少了對(duì)鉆頭構(gòu)型和鉆進(jìn)規(guī)程的設(shè)計(jì)約束。鉆頭外取屑的缺點(diǎn)：①采樣螺旋槽為半開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，不易精確控制采集的樣品量，且提鉆轉(zhuǎn)移時(shí)存在樣品受擾動(dòng)撒落的風(fēng)險(xiǎn)；②采樣螺旋槽橫截面內(nèi)各處的顆粒流速不同，且槽內(nèi)的鉆屑與鉆孔壁月壤可能發(fā)生物質(zhì)交換，會(huì)造成螺旋槽內(nèi)來(lái)自不同鉆孔深度的樣品發(fā)生混雜。

5）鉆頭內(nèi)取屑

Luna 27著陸器搭載的ProSEED采樣鉆探系統(tǒng)采用了鉆頭內(nèi)取屑的采樣方案，其鉆頭為可開(kāi)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[54]。驅(qū)動(dòng)鉆頭開(kāi)合的電機(jī)集成在鉆桿內(nèi)部，使得鉆頭能夠相對(duì)鉆桿產(chǎn)生軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆頭內(nèi)部采樣容腔的打開(kāi)與封閉[55]，鉆頭構(gòu)型同樣采用了直線型刮刀鉆頭設(shè)計(jì)。ProSEED鉆探系統(tǒng)的采樣流程如圖15所示。鉆頭鉆進(jìn)到目標(biāo)采樣位置時(shí)，采樣容腔打開(kāi)后繼續(xù)鉆進(jìn)，使得破碎產(chǎn)生的含冰月壤碎屑進(jìn)入采樣容腔內(nèi)部；采樣完成后，鉆頭回退使容腔閉合，鉆屑樣品被封閉保存在鉆頭內(nèi)部。需要放樣時(shí)，鉆具從鉆孔中提出并對(duì)準(zhǔn)接樣設(shè)備（接樣漏斗或機(jī)械臂的鏟子），然后鉆頭采樣容腔打開(kāi)，刷落樣品實(shí)現(xiàn)放樣。相比鉆頭外取屑方式，ProSEED采用的鉆頭內(nèi)取屑方案存在明顯的優(yōu)勢(shì)：①采樣過(guò)程樣品容腔暴露時(shí)間短，采樣完成后容腔關(guān)閉將樣品與外界隔離，減少混樣；②可開(kāi)合容腔的設(shè)計(jì)使得鉆機(jī)可以定點(diǎn)獲得來(lái)自特定深度地層的樣品；③可以通過(guò)控制樣品容腔的容積實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣量的體積控制。

圖15 ProSEED鉆探系統(tǒng)的采樣流程[55]Fig. 15 Sampling design of ProSEED drill[55]

鉆頭內(nèi)取屑方案的缺點(diǎn)：①采樣開(kāi)合機(jī)構(gòu)復(fù)雜度、集成度高，研制難度大，可靠性風(fēng)險(xiǎn)高；②采樣容腔閉合形成一個(gè)具有硬邊界約束的區(qū)域，存在因?yàn)轭w?？?dǎo)致鉆頭無(wú)法閉合甚至機(jī)構(gòu)卡死失效的風(fēng)險(xiǎn)；③采樣與排屑并行實(shí)現(xiàn)，月壤存在流入采樣容腔和流向排屑螺旋兩種路徑，需要在鉆頭結(jié)構(gòu)和規(guī)程設(shè)計(jì)中考慮鉆屑流向的引導(dǎo)。

6）取芯

前述幾種鉆取采樣方式都是將冷凍膠結(jié)狀態(tài)的月球凍土破碎后獲得碎屑形態(tài)的樣品，采樣形式在一定程度破壞了月球凍土的冰壤膠結(jié)原態(tài)性，存在對(duì)樣品力、熱擾動(dòng)較大的問(wèn)題。取芯采樣方案采用中空鉆具，在鉆進(jìn)過(guò)程中保留中間完整的土芯，能夠較好地保持樣品的原態(tài)性。ESA的ExoMars火星車(chē)計(jì)劃攜帶一套用于火星巖石采樣的取芯鉆具，ExoMars drill的鉆頭采用了中心可開(kāi)合的采樣容腔設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)可以獲得火星次表層最深2 m處的巖石樣本[56-57]，采樣放樣流程如圖16所示。為實(shí)現(xiàn)取芯采樣，ExoMars drill相比ProSEED鉆機(jī)多增加了斷芯和封口兩個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，相關(guān)驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)全部集成在鉆桿內(nèi)部，大大增加了采樣機(jī)具研制的復(fù)雜度；同時(shí)，鉆頭內(nèi)取屑方式涉及到的顆粒卡滯、月壤流向控制等問(wèn)題也同樣存在。此外，如果分析儀器仍需要碎屑形態(tài)的樣品，則還需要增加用于破碎凍土芯的樣品處理裝置。

圖16 ExoMars drill的采樣與放樣流程Fig. 16 Sampling and transferring approach of ExoMars drill

面向月球水冰科學(xué)探測(cè)的需求，對(duì)上述6種鉆進(jìn)采樣形式從獲取樣品的科學(xué)價(jià)值、鉆具研制復(fù)雜度、采樣動(dòng)作流程復(fù)雜度、采樣風(fēng)險(xiǎn)4個(gè)方面進(jìn)行了分析與總結(jié)，如表6所示。另外，考慮未來(lái)月球水資源大量開(kāi)采與原位利用的需要，補(bǔ)充了水資源提取效率的評(píng)價(jià)維度。經(jīng)綜合分析，認(rèn)為面向月球水冰的科學(xué)探測(cè)需求，鉆頭外取屑方式在科學(xué)價(jià)值和復(fù)雜度之間取得了最好的平衡，是目前綜合較優(yōu)的月壤水冰鉆取采樣方法；面向水資源開(kāi)采利用需求，揮發(fā)分提取方式是效率最高的采樣方法。

表6 月壤水冰鉆進(jìn)采樣方法小結(jié)Table 6 Summary of lunar water ice sampling methods while drilling

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于月球極區(qū)環(huán)境及水冰特性總結(jié)了實(shí)施月球水冰采樣探測(cè)任務(wù)的挑戰(zhàn)及所需關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)實(shí)施月球水冰就位探測(cè)與采樣的原理和方法進(jìn)行了概述，分析了各自的優(yōu)勢(shì)和局限。

月球極區(qū)水冰可能隨機(jī)分布于永久陰影區(qū)的表層或次表層，因此中國(guó)未來(lái)實(shí)施月球極區(qū)水冰采樣探測(cè)任務(wù)時(shí)應(yīng)考慮搭載小型化的就位水冰探測(cè)儀器支持采樣點(diǎn)選擇，同時(shí)采用表層和次表層復(fù)合采樣方式提高對(duì)水冰位置的到達(dá)能力。對(duì)于采樣選址，應(yīng)考慮聯(lián)合使用不同探測(cè)原理的預(yù)判載荷，通過(guò)多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)提高找到水冰的成功率；對(duì)于月球表面以薄冰層或凍土形態(tài)存在的水冰，通過(guò)磨削方式獲取樣品更為適合；對(duì)于次表層潛入與采樣，回轉(zhuǎn)沖擊鉆進(jìn)結(jié)合外螺旋容屑采樣方案可以在復(fù)雜度、保真度、拓展性上取得最佳平衡。另外，由于嚴(yán)苛的作業(yè)時(shí)間和資源約束，未來(lái)還應(yīng)結(jié)合鉆具具體形態(tài)開(kāi)展月球水冰自主鉆探技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)自主工況識(shí)別、規(guī)程調(diào)整、故障排除，提高任務(wù)的成功率。