侵徹式月壤探測地面模擬試驗研究

孫 淼，張鴻宇，遲潤強，龐寶君，肖俊孝，范錦彪，錢 成，盧孜筱，姜生元

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 空間碎片高速撞擊研究中心，哈爾濱 150001；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 宇航空間機構(gòu)及控制研究中心，哈爾濱 150001；3. 中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院，太原 030051；4. 四川航天技術(shù)研究院，成都 610100；5. 國家納米科學(xué)中心，北京 100190）

引 言

將高速撞擊或侵徹方式應(yīng)用于星壤探測具有較大的潛力，主要分為撞擊器（Impactor）和侵徹器（Penetrator）兩大類[1]。撞擊器是以動能撞擊的方式為星壤探測創(chuàng)造條件，通過引起表面星壤的濺射或汽化進行遙感分析，月球坑觀測與感知衛(wèi)星（Lunar Crater Observation and Sensing Satellite，LCROSS）探測任務(wù)利用空燃料艙撞擊了月球南極Cabeus隕石坑內(nèi)的永久陰影區(qū)，證實了月球極區(qū)存在水冰[2]。撞擊后會形成人造撞擊坑[3]，暴露出次表層星壤以供主器分析或采樣[4]，并可通過成坑機理評估深層星壤與表層星壤的差異[5]。撞擊器獲得動能的方式主要有兩種，一種是軌道加速，例如“深空撞擊”（Deep Impact）任務(wù)[6]和“雙小行星重定向試驗”（Double Asteroid Redirection Test，DART）[7]，利用推進系統(tǒng)將撞擊器送入預(yù)定軌道。撞擊器材料應(yīng)選擇簡單的惰性物質(zhì)，以最大程度地減少對目標材料的任何污染，通常選擇銅等[4，6]。撞擊器速度一般達到數(shù)千米每秒，引起足夠大的濺射幕，甚至發(fā)生電離，以便用于光譜分析。除利用推進器或軌道加速以外，撞擊器也可擁有自己的動力源，即化學(xué)能加速。“隼鳥2號”（Hayabusa-2）攜帶的小型撞擊器（Small Carry-on Impactor，SCI）[8]，利用聚能裝藥結(jié)構(gòu)，在高能炸藥驅(qū)動下形成爆炸成型彈丸，成功使小行星“龍宮”（Ryugu）暴露出次表層物質(zhì)[5]。

侵徹器與撞擊器之間的本質(zhì)區(qū)別是撞擊器無需在高速撞擊后執(zhí)行任何功能，不需要對撞擊器的存活性、功能性等進行設(shè)計。侵徹器為百米量級著陸速度的硬著陸器，與表面星壤相互作用消耗動能，最終停止于星壤內(nèi)部并開展進一步的探測任務(wù)。與傳統(tǒng)著陸器相比，侵徹器的優(yōu)點除了造價較低外，還可直接侵徹至星壤內(nèi)部，目標為更具有科學(xué)價值的、空間風(fēng)化相對較弱的次表層星壤區(qū)域；另一優(yōu)點是降低了高速撞擊可能帶來的沖擊相變，也減少了熱環(huán)境引起的背景噪聲。歷史上有多次侵徹器研究熱潮，其中開展了試驗研究或執(zhí)行了發(fā)射任務(wù)的項目主要包括：針對火星的探測任務(wù)，美國的Mars[9]和DS-2（Deep Space-2）[10]、俄羅斯的Mars-96[11]；針對月球的探測任務(wù)，日本月球-A（Lunar-A）[12]和歐洲航天局（European Space Agency，ESA）月光（MoonLITE）[13]。但遺憾的是，以上任務(wù)或因為發(fā)射任務(wù)失敗，或因為經(jīng)費問題而終止，均未成功實現(xiàn)探測目標，唯一成功著陸的DS-2探測器也在著陸后失聯(lián)，但并不能因此而否定侵徹式探測的應(yīng)用潛力。針對地外天體水冰物質(zhì)的次表層探測，開展月球極區(qū)次表層月壤侵徹式探測任務(wù)可拓寬對極區(qū)月壤物性的認知，也為月球基地建設(shè)選址及地質(zhì)勘探提供依據(jù)。

對于天然土壤、巖石和混凝土等[14-18]材料的侵徹規(guī)律具有一定的研究基礎(chǔ)，但對于顆粒類[19]及成層分布[20]的模擬星壤低速侵徹規(guī)律研究及侵徹試驗開展較少。地面模擬試驗的開展將有助于提高對侵徹式探測方法的認知，從而降低任務(wù)風(fēng)險。本文利用155 mm一級氣體炮進行了探索性全尺寸侵徹器模擬月壤侵徹試驗，主要目標：①驗證侵徹器結(jié)構(gòu)、科學(xué)載荷緩沖結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能；②評估不同模擬樣本靶標的抗侵徹性與辨識可能性；③評估侵徹過程對星壤模擬物的擾動；④為數(shù)值仿真提供可比對的試驗驗證結(jié)果。

1 地面模擬試驗

1.1 試驗平臺及設(shè)備

深空探測任務(wù)的侵徹器正在向小型化發(fā)展[20]，當質(zhì)量過小時，既給科學(xué)載荷設(shè)計帶來困難，又會造成更高的侵徹過載，這對于保障科學(xué)載荷不被破壞具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)?？紤]航天任務(wù)的巨大成本，侵徹器總體質(zhì)量一般控制在15 ～ 20 kg，侵徹器的直徑接近80 ～ 120 mm。侵徹器并不以高侵徹深度為目標，而是將科學(xué)載荷安全送至目標深度。為減小科學(xué)載荷的抗過載設(shè)計負擔，著壤速度控制在300 m/s以下較為合理。與火藥炮相比，低速發(fā)射采用一級氣炮更為穩(wěn)定，目前哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間碎片高速撞擊研究中心搭建了155 mm一級氣體炮，同時配備了Φ2.4 m × 6 m的大型試驗靶艙，如圖1所示。設(shè)備可滿足各類侵徹器100 ～ 300 m/s的著壤速度地面模擬試驗需求。試驗現(xiàn)場布置如圖2所示，可應(yīng)用于全尺寸試驗的測試系統(tǒng)包括測速與著靶姿態(tài)觀測模塊和侵徹歷程記錄模塊。

圖1 155 mm一級氣體炮Fig. 1 155 mm one-stage gas gun

圖2 試驗布置示意圖Fig. 2 Schematic diagram of experiments

測速與著靶姿態(tài)觀測模塊主要由激光測速、高速攝影和通斷網(wǎng)靶構(gòu)成，可根據(jù)測試需求選取不同模塊聯(lián)合檢測，如圖3所示。高速攝影采用Photron SA5攝影機，通過觀察窗對彈托分離后的侵徹器著靶姿態(tài)進行觀測，也可更換鏡頭實現(xiàn)模擬物濺射影像觀測，同時記錄侵徹器著靶與濺射物飛濺速度；通斷網(wǎng)靶由0.1 mm銅箔制成，固定于支撐板和鋼靶架，既可置于侵徹器著靶前，與激光測速聯(lián)合測量侵徹器速度，又可置于模擬樣本靶標中，獲取侵徹器最終位置便于回收。置于樣本中的通斷靶應(yīng)注意絕緣處理，并開發(fā)了小間距多觸發(fā)通斷電路。

圖3 155 mm一級氣體炮測試系統(tǒng)Fig. 3 155 mm one-stage gas gun testing system

侵徹歷程記錄模塊即彈載記錄儀，主要由過載傳感器、溫度傳感器、應(yīng)變傳感器、存儲模塊和電源模塊等組成，記錄模塊和電源模塊在真空條件下整體灌封，增加抗過載能力，采用橡膠泡沫復(fù)合緩沖器件緩沖。記錄模塊最大可測8個通道，分辨率12 bit，采樣率200 kHz/channel，記錄容量256 kByte。過載測量采用國產(chǎn)三維壓阻加速度傳感器，工作頻率0～30 kHz；溫度測量采用熱電偶傳感器，響應(yīng)時間小于1 ms；應(yīng)變測量采用半導(dǎo)體應(yīng)變計。傳感器在使用前經(jīng)過校準，加速度傳感器依據(jù)GB/T 20 485.13-2007，采用激光干涉沖擊絕對法進行，校準的不確定度小于6%（k=2）；熱電偶傳感器采用黑體爐進行校準，校準不確定度小于5%（k= 2）。

針對同一類月壤模擬樣本多物性差異引起的抗侵徹特性影響研究，一般基于縮比彈進行侵徹試驗。由于小型侵徹器以相同著靶速度侵徹模擬樣本靶標時，應(yīng)變率明顯升高，當模擬樣本靶標為率不相關(guān)材料時，可嘗試相似的分析方法建立全尺寸與縮比彈的聯(lián)系[21]，但在面對月壤水冰或月巖等脆性材料時，通常是率敏感材料[22-23]，縮比彈侵徹試驗并不是為了等效全尺寸侵徹器的侵徹深度等信息，而是掌握樣本物理參量的改變引起的抗侵徹特性差異與規(guī)律。另外，隨著科學(xué)載荷抗沖擊設(shè)計的發(fā)展，侵徹器尺寸設(shè)計向小型化逐漸成為可能，因此縮比侵徹試驗結(jié)果也可作為未來探測計劃的數(shù)據(jù)儲備。

后續(xù)將同步開展縮比彈侵徹試驗，發(fā)射平臺為57 mm一級氣體炮，如圖4所示，可滿足千克級侵徹器發(fā)射工況，試驗測試系統(tǒng)除上文已提及的之外，試驗靶艙可改造為真空艙，同時搭配8通道閃光X射線照相系統(tǒng)，記錄侵徹器在模擬樣本靶標內(nèi)的運動姿態(tài)、靶體擾動等信息，如圖5所示。

圖4 57 mm一級氣體炮Fig. 4 57 mm one-stage gas gun

圖5 57 mm一級氣體炮測試系統(tǒng)Fig. 5 57 mm one-stage gas gun testing system

1.2 月壤模擬樣本靶標選取

由于著陸區(qū)月壤特性具有一定的隨機性，月壤模擬樣本靶標選取應(yīng)具有包絡(luò)性，本文選取了5種具有代表性的月壤模擬樣本開展試驗研究，如圖6所示。對月壤模擬樣本靜態(tài)力學(xué)強度進行測試，并將其分類，具體信息見表1。Atkinson等[24]對不同含水率的JSC-1a模擬月壤，在253 K ～ 77 K開展了單軸抗壓強度測試。77 K溫度條件下，隨著含水量的增加，模擬樣本的單軸抗壓強度逐漸增大。當含水率約10%時，模擬樣本的單軸抗壓強度接近40 MPa。因此，以低強度混凝土和紅砂巖兩種不同強度的靶標，作為不同含水率的月壤水冰模擬樣本[25]。

表1 月壤模擬樣本靶標基本特性Table 1 Basic characteristics of simulated lunar soil sample targets

圖6 月壤模擬樣本Fig. 6 Simulated lunar soil samples

1.3 侵徹器及試驗工況

所用的侵徹器如圖7所示，侵徹器長度均為500 mm，使用后端蓋螺紋將彈載記錄儀及其他載荷軸向壓緊于彈體內(nèi)部，詳細信息見表2。除混凝土外，其余模擬樣本靶標置于內(nèi)徑Φ630 mm × 4 m靶艙。

表2 試驗工況及侵徹器信息Table 2 Test conditions and penetrator information

圖7 侵徹器Fig. 7 Photo of the penetrator

全尺寸侵徹試驗共模擬了3類月球極區(qū)月壤剖面，分別為：①無硬層，以玄武巖顆粒作為模擬樣本靶標，盡管所采用的靶標預(yù)計會與極區(qū)月壤存在差異，但作為系列試驗的一部分，仍然對侵徹器侵徹干燥顆粒靶標提供一定的預(yù)示效果；②表面硬層，表面存在小型月巖或永久陰影坑內(nèi)可能存在月壤水冰表面霜凍層，采用混凝土過渡至玄武巖顆粒作為成層模擬樣本靶標；③次表硬層，月面以下存在不可見的月巖或永久陰影坑次表層10%含水率月壤水冰。采用泡沫水泥或火山石顆粒過渡至紅砂巖作為成層模擬樣本靶標；圖8為各試驗工況的模擬月壤剖面示意圖，詳細尺寸信息見表2。

圖8 模擬極區(qū)月壤剖面Fig. 8 Simulated lunar polar-region soil cross-section

2 試驗結(jié)果及分析

試驗完成后，通過逐層去除靶標材料，確定侵徹器最終停留位置和姿態(tài)，如圖9所示。提取彈載記錄儀過載信息，選取合適的截止頻率對過載峰值進行了識別[25-26]，結(jié)果匯總于表3。試驗結(jié)果顯示155 mm一級氣體炮具有較好的低速發(fā)射能力，其著靶速度偏差2% ～ 7%。

圖9 試驗后現(xiàn)場照片F(xiàn)ig. 9 Post-test photos

表3 試驗結(jié)果Table 3 Trial results

根據(jù)高速攝影和侵徹器標記點顯示，發(fā)射和侵徹過程中，侵徹器轉(zhuǎn)動可忽略不計。部分試驗回收后的侵徹器及頭部如圖10和圖11所示，侵徹器結(jié)構(gòu)均未發(fā)生破壞，主要的磨蝕現(xiàn)象發(fā)生于彈頭部分，并附著了一層致密靶標材料。所搭載的傳感設(shè)備在試驗后均開展通電測試并運行良好。彈載記錄儀獲取了每次試驗的侵徹器全彈道過載數(shù)據(jù)。

圖10 試驗后回收的侵徹器Fig. 10 Recovered penetrators after test

圖11 試驗后彈頭表面Fig. 11 Head surfaces of penetrators after test

圖12顯示了4#試驗的侵徹器加速、彈托分離和侵徹過載歷程曲線。對1 ～ 6#試驗過載數(shù)據(jù)進行了截取，僅顯示侵徹過程，如圖13～17所示。對過渡界面的過載數(shù)據(jù)進行了放大，彈載記錄儀可以較清晰的反映不同靶標間的過載差異。

圖12 混凝土–玄武巖顆粒（4#）侵徹器全彈道過載歷程曲線Fig. 12 Full trajectory overload curve of penetration test of cement-red sandstone （#4）

圖13 玄武巖顆粒（2#）侵徹器過載曲線Fig. 13 Basalt particles （2#） overload curve of penetrator

圖14 混凝土–玄武巖顆粒（3#）侵徹器過載曲線Fig. 14 Concrete-basalt particles （3#） overload curve of penetrator

圖15 混凝土–玄武巖顆粒（4#）侵徹器過載曲線Fig. 15 Concrete-basalt particles （4#） overload curve of penetrator

圖16 泡沫水泥–紅砂巖（5#）侵徹器過載曲線Fig. 16 Foamed cement-Red sandstone（5#） overload curve of penetrator

圖17 火山巖顆粒–紅砂巖（6#）侵徹器過載曲線Fig. 17 Volcanic rock particles-red sandstone（6#） overload curve of penetrator

2.1 無硬層月壤靶標試驗結(jié)果及邊界效應(yīng)分析

所采用的侵徹器在侵徹低密度玄武巖顆粒時，表現(xiàn)出較低的過載峰值。1#試驗中僅使用通斷靶記錄了侵徹器位置信息，以兩次微分的方式近似獲得了侵徹器過載峰值的計算結(jié)果，被用于沙的侵徹效應(yīng)研究[27-28]，但由于顆粒類材料具有壓縮或剪漲效應(yīng)，可能造成通斷信號觸發(fā)時刻的干擾，兩次微分也會喪失過載連續(xù)變化中的特征信號，在后續(xù)試驗中均采用彈載記錄儀攜帶加速度計對侵徹器過載進行測量。

2#試驗的侵徹器軸向過載曲線如圖13所示，濾波后過載信號仍呈現(xiàn)出規(guī)律的波動。通過對侵徹彈道的仔細挖掘，基本排除了侵徹器撞擊靶艙和裝填樣本造成的影響，初步分析這種波動可能與靶艙的尺寸相關(guān)。當前靶艙尺寸參考Gl??ner等[29]的試驗設(shè)計，靶艙直徑約為侵徹器直徑7倍，但從過載信息看出，靶艙尺寸仍然對玄武巖顆粒樣本的侵徹阻力產(chǎn)生了影響。

在顆粒材料受到侵徹器沖擊后，其內(nèi)部應(yīng)力波向周圍擴散，遇到鋼靶艙邊界會反射壓縮波，這種往復(fù)的震蕩對顆粒材料侵徹阻力似乎產(chǎn)生了實質(zhì)的影響，表現(xiàn)為剛體過載的規(guī)律波動。但顆粒材料未受壓縮時體波速通常小于300 m/s[30]，在體積密度較低時，波速會進一步降低，所以樣本內(nèi)應(yīng)力波對于侵徹器峰值過載影響程度較小，僅對后續(xù)侵徹過程中過載信號造成一定的影響。

在驗證科學(xué)載荷的存活性或樣本特征峰值過載分析時，當前裝填玄武巖顆粒的靶艙尺寸已滿足要求，但對最終侵徹深度研究時，可能引起一定誤差。針對該問題的詳細研究，將在后續(xù)的試驗中解決。

2.2 表層月巖/霜凍層靶標試驗結(jié)果及侵徹器頭部形狀優(yōu)選分析

3#和4#試驗侵徹過載歷程曲線如圖14和圖15所示。兩次試驗中混凝土靶標在鋼箍約束下，呈現(xiàn)出典型的薄靶破壞現(xiàn)象，混凝土的抗壓強度遠大于抗拉強度，因此背面發(fā)生崩落，形成比撞擊面更大的破壞坑。

3#試驗侵徹器最終侵徹至作為保護層的紅砂巖邊緣位置，同時發(fā)生接近90°的偏轉(zhuǎn)，隨后穿透Φ630 mm靶艙上蓋后停止，而4#試驗侵徹器彈道非常穩(wěn)定，終態(tài)位置幾乎位于玄武巖顆粒樣本的彈道中心，這表明截卵型頭部形狀有助于彈道穩(wěn)定。

但是，4#試驗著靶速度低于3#試驗，未濾波過載峰值卻為3#試驗的2.3倍，濾波后剛體過載峰值增加790g。因此，彈頭構(gòu)型的優(yōu)選需要在彈道穩(wěn)定性與過載強度間做出綜合考慮，對于深侵徹，應(yīng)首先考慮彈道穩(wěn)定性，選擇截卵形頭部，增加科學(xué)載荷的抗過載設(shè)計；而對于3倍彈長以內(nèi)的淺侵徹，彈道一般較為穩(wěn)定，相同著壤的速度下，尖卵形頭部由于具有較低的過載峰值應(yīng)被優(yōu)先考慮。

2.3 次表層月巖/月壤水冰試驗結(jié)果及多層介質(zhì)辨識驗證

5#泡沫水泥試驗中由于強度僅依賴水泥弱骨架承載，幾乎不具備抗侵徹性，侵徹后發(fā)生破碎，圖16中顯示侵徹泡沫水泥的過載信號弱于彈托分離。紅砂巖塊抗壓強度較高且未進行邊界加固，被侵徹后發(fā)生比泡沫水泥更嚴重破碎。彈載記錄儀清晰記錄了侵徹每層紅砂巖的過載信號，隨著侵徹速度的降低，過載強度逐漸降低。

6#試驗侵徹過載曲線如圖17所示，火山巖顆粒盡管顆粒尺寸相對較大，但由于顆粒自身存在孔隙，顆粒強度較弱，當前工況下過載峰值仍小于1 000 g。對比2#試驗過載信號，彈載記錄儀對顆粒尺寸差異也具有一定的辨識性。

通過對比以上3類工況的試驗結(jié)果，表明彈載記錄儀具備識別不同強度靶標的能力，在實際探測任務(wù)中具有較高的應(yīng)用價值。

2.4 顆粒擾動破碎分析

除5#試驗不含顆粒類樣本外，在其余試驗中均發(fā)現(xiàn)顆粒類靶標在侵徹后發(fā)生顆粒破碎現(xiàn)象。以4#試驗為例，清除靶艙內(nèi)侵徹器上方的玄武巖顆粒后，可以清晰地看到侵徹器徑向區(qū)域玄武巖顆粒發(fā)生破碎。將侵徹器取出后，在侵徹器終態(tài)位置靶標處，以10 mm間隔采集3份靶體材料。另外，注意到靶艙邊界處發(fā)生類似顆粒固結(jié)現(xiàn)象，因此也收集1份靶體材料。均采用激光粒度分布儀（BT-2001）進行粒徑分析并與原始顆粒進行對比。破碎擾動區(qū)域約20 mm，根據(jù)距侵徹器遠近，可分為破碎區(qū)、過渡區(qū)及原始區(qū)，如圖18所示。隨著距侵徹器距離的增加，顆粒的破碎程度逐漸降低。與原始區(qū)相比，破碎區(qū)中值粒徑降低約70%，距離侵徹器20 ～ 30 mm的靶體與原始靶體顆粒級配一致。靶艙邊界處顆粒盡管發(fā)生一定固結(jié)，但顆粒級配與原始樣本相比并未發(fā)生明顯變化。

圖18 彈道徑向區(qū)域粒徑分布（4#）Fig. 18 Ballistic radial area particle size distribution （4#）

侵徹式探測屬于接觸式探測，當侵徹器終止于星壤次表層后，通過分布于侵徹器內(nèi)部、外殼或伸展觸探的科學(xué)載荷開展探測任務(wù)。顆粒破碎可有助于星壤中微揮發(fā)分的檢測，但星壤發(fā)生擾動破碎后，對星壤熱、電等物性測量造成影響。探測結(jié)果需要考慮顆粒破碎帶來的差異，歷史上的侵徹式探測任務(wù)中均未考慮該事實。開展更詳細的全彈道顆粒擾動破碎分析，有助于建立彈道終點處的擾動影響區(qū)域與原始星壤物性之間聯(lián)系，并建立具有包絡(luò)性的數(shù)據(jù)庫，是提高數(shù)據(jù)反演可信度的有力保障。

3 結(jié) 論

本文開展了3類月球極區(qū)月壤剖面模擬樣本全尺寸侵徹器低速侵徹試驗，但侵徹器可能面臨更復(fù)雜的月壤剖面組構(gòu)，因此本次試驗應(yīng)總結(jié)為系列試驗的開端。基于當前試驗結(jié)果，主要結(jié)論如下。

1）侵徹試驗后，侵徹器結(jié)構(gòu)均保持完好，所搭載的科學(xué)載荷在侵徹試驗后正常運行，濾波前最高過載值接近3×104g。

2）在開展針對顆粒材料侵徹試驗時，由靶艙引起的邊界效應(yīng)會影響顆粒材料的抗侵徹性。預(yù)計靶艙直徑為侵徹器直徑的7倍時，在亞聲速侵徹試驗中，過載峰值受邊界影響較小，但仍對最終侵徹深度造成一定的影響。

3）彈載記錄儀對不同強度的月壤模擬樣本靶標具有良好的辨識性。當靶標強度接近時，結(jié)合其他科學(xué)載荷聯(lián)合評定，可進一步提高辨識物質(zhì)構(gòu)成的可行性。

4）試驗中采用具有相似單軸抗壓強度的混凝土或砂巖作為模擬月壤水冰靶標，但仍需對月壤水冰的動態(tài)力學(xué)特性開展更深入的研究，以此明確這種等效方式的可行性，特別是在超低溫環(huán)境下不同含水率帶來的力學(xué)特性差異。

5）顆粒材料受彈體侵徹擾動后會發(fā)生顆粒破碎，破碎區(qū)中值粒徑約降低70%。需采用更擬實的極區(qū)月壤模擬樣本對該問題進行深入分析，以建立原始樣本與擾動樣本之間的關(guān)系，為科學(xué)載荷物性探測解譯提供支撐。