月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)研究

于 強，王志浩*，王 超，王慶功，龐 勇，林 濤，劉宇明，田東波

（1. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所； 2. 錢學森空間技術實驗室； 3. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司：北京 100094；4. 上海交通大學 機械與動力工程學院，上海 200240）

0 引言

美國學者在20 世紀60 年代提出月球表面存在水冰的推測，認為在月球兩極永久陰影區(qū)中可能存在冰-塵混合物。之后，圍繞月球水資源的探測活動一直是月球探測的重點。1976 年，在蘇聯(lián)“月神24 號”（Luna 24）采樣返回的月壤樣品中發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量分數(shù)約為0.1%的水，這也是人類首次發(fā)現(xiàn)月球存在水的直接證據(jù)。此后，美國相繼發(fā)射了“克萊門汀”（Clementine）、“月球勘探者號”（Lunar Prospector, LP）及“月球勘探軌道號”（Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO）探測器，印度發(fā)射了“月船1 號”（Chandrayaan-1）探測器。1994 年，“克萊門汀”探測器上搭載的雷達在月球南極區(qū)域觀測到反射波增強，與水冰對電磁波的反射特征相似，獲得了在月球南極存在水冰的探測證據(jù)。“月船1 號”探測器上搭載的雷達在月球北極發(fā)現(xiàn)了擬似水冰的電磁波反射特征?！霸虑蚩碧杰壍捞枴鄙洗钶d的雷達在沙克爾頓（Shackleton）撞擊坑中觀測到了擬似水冰的電磁波反射特征，經(jīng)推測可能在表層月壤之下存在一定量的水冰（質(zhì)量分數(shù)約為5%～10%）。“月球勘探者號”上搭載的中子探測器探測到了月球富氫區(qū)域，包括南極的數(shù)個撞擊坑，與雷達探測含水冰的區(qū)域部分重合。月球隕坑觀測與遙感衛(wèi)星（LCROSS）上搭載的紅外光譜儀對撞擊濺射和揮發(fā)物進行了觀測，發(fā)現(xiàn)其光譜特征與含水月壤近似，估算的含水量約為2.7%～8.5%（注：本文述及的含水量均為質(zhì)量分數(shù)）。

獲取月球極區(qū)的水冰意義重大——水及由其制備的氫、氧能夠為無人及載人探測提供推進劑及生命保障物質(zhì)，有利顯著減少從地球發(fā)射時后勤補給物資的攜帶量，從而可能重塑載人深空探測的飛行模式，縮小系統(tǒng)規(guī)模，降低任務成本。為了獲取月球極區(qū)的水資源，國外研究機構進行了多種開采方案研究，主要宇航機構也規(guī)劃了相應的探測計劃。美國蜜蜂自動機公司（Honeybee Robotics）設計了一款可移動的原位水資源提取裝置，能夠鉆取和運輸凍土，然后在密封艙中利用核電源加熱提取，最后冷凝儲存在專門的儲水罐中。科羅拉多礦業(yè)學院則提出一種光熱提取方案，即利用光輻射原位加熱陰影區(qū)的含水土壤，使蒸發(fā)的水蒸氣在星壤表層的冷阱裝置中冷凝為水冰，再將水冰運送到專門的制備裝置中，進而獲得氫氣和氧氣。NASA 制定的資源勘探者任務（Resource Prospector Mission,RPM）擬搭載月壤、環(huán)境科學及氧與月球揮發(fā)物提取（Regolith & Environment Science and Oxygen and Lunar Volatile Extraction, RESOLVE）裝置，用于在月球極區(qū)鉆取土壤樣本并加進行熱分析，希望能探測到水。俄羅斯計劃聯(lián)合歐空局實施“月神27 號”（Luna 27）月球極區(qū)探測計劃，搭載鉆取裝置和化學分析裝置，用于獲取月壤樣本并進行成分分析。

我國在“探月工程”四期任務中也規(guī)劃了對月球極區(qū)的探測活動，中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室等單位在國家國防科技工業(yè)局民用航天課題的支持下，采用光熱鉆取一體化開發(fā)利用方案，將鉆桿鉆取、太陽能聚光加熱與水蒸氣等揮發(fā)物提取進行功能集成，能夠降低整體結構復雜度，提高系統(tǒng)工作可靠性。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所配合該方案開展了組件級靜態(tài)加熱提取試驗，并針對系統(tǒng)級試驗需求，建立了月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)，分析試驗流程、開展初步試驗。

1 試驗系統(tǒng)設計

為了模擬月球極區(qū)水冰鉆取環(huán)境，需要針對系統(tǒng)級的試驗要求研制一套模擬試驗系統(tǒng)，滿足在真空低溫環(huán)境下實施鉆取模擬試驗的條件。北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所基于其既有的月塵綜合環(huán)境效應模擬器，設計了水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)示意Fig. 1 Simulation test systemforwater ice drilling

從實驗室主液氮管路引出一路，利用可調(diào)節(jié)開度的氣動閥控制液氮管路中的液氮流速，通過真空容器一側(cè)的穿真空法蘭引入真空容器內(nèi)部，與月壤水冰混合物容器上的密封連接閥連接；配置支撐固定工裝用于支撐鉆取裝置、驅(qū)動裝置及月壤水冰混合物容器；另外配套了2 個專用接口法蘭，電機驅(qū)動電纜、控制電纜，以及溫度測試電纜和冷凝液管路分別經(jīng)由接口法蘭連接真空容器內(nèi)的驅(qū)動裝置、鉆取裝置、溫度傳感器和冷凝裝置（圖1 中未畫出）。系統(tǒng)設計指標如表1 所示。

表1 水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)主要設計指標Table 1 Main design indexes of the simulation test system for water ice drilling

2 熱負荷估算

為獲得較好的制冷效果，需估算月壤水冰混合物容器的熱負荷，以便對液氮管路和控制裝置進行針對性設計。月壤水冰混合物容器的熱負荷包括真空容器熱沉對月壤水冰混合物容器的輻射熱負荷、混合物容器內(nèi)部耗散功率所產(chǎn)生的熱負荷以及連接支撐傳導漏熱。

其中：為混合物容器外表面積，取0.91m；為真空容器熱沉表面積，取16.4 m；為混合物容器外表面的吸收率，取0.2；為真空容器熱沉表面的吸收率，取0.2；為真空容器熱沉表面的溫度，取300 K；為混合物容器外表面的溫度，取90 K。計算得到=79.4W。

主要由月壤水冰混合物溫升引起，

其中：為月壤水冰混合物比熱容，由于含水量較小，可取近似月壤比熱容800 J/(kg·K)；為月壤水冰混合物密度，取2000 kg/m；為月壤水冰混合物容器有效容積，取0.03 m；d/d為單位時間溫度變化值，取0.1 K/s。計算得到=4800 W。

試驗系統(tǒng)除控制裝置及部分線纜外主體位于絕熱真空容器內(nèi)，故只考慮月壤水冰混合物容器與支架間的熱損耗，取=500 W。

最終得到混合物容器的熱負荷估算值為=++=5379.4 W。設為混合物容器的總內(nèi)表面積，取0.471m，則可按照

計算得到月壤水冰混合物容器的平均熱流密度=11 421 W/m。

熱沉所需液氮消耗量

其中：為液氮密度，供液壓力為0.2 MPa 時為776.25 kg/m；為液氮的潛熱，供液壓力為0.2 MPa時為189.09 kJ/kg。計算得Q=2.64 m/h。再根據(jù)液氮消耗量估算液氮循環(huán)管道內(nèi)徑為

式中：為液氮流速，一般取1～3 m/s。計算得到的液氮管路直徑取值區(qū)間為17.6～30.6 mm，最終系統(tǒng)設計時選擇液氮管路內(nèi)徑為30 mm。

3 試驗流程設計

由于系統(tǒng)級試驗的重點是考查鉆取及冷凝裝置獲取月壤/水的效能，與月壤水冰混合物的含水量（影響月壤顆粒間的接觸面積和作用力）、緊實程度（密度）和硬度（受月壤水冰混合物溫度影響，溫度越低硬度越高)密切相關，因此試驗設計中需要重點針對上述因素進行試驗流程及工藝方面的設計，確保邊界條件滿足要求。月壤水冰鉆取模擬試驗流程如圖2 所示。

圖2 月壤水冰鉆取模擬試驗流程Fig. 2 Flow chart of simulation test for lunar water ice drilling

首先是配比和混合所需的模擬月壤，按照質(zhì)量分數(shù)要求混合不同粒徑的模擬月壤顆粒；然后按照含水量的要求向配比完成的模擬月壤中添加純凈水，在添加的過程中應當多次少量添加，每次添加完成后充分攪拌混合，以保證模擬月壤的含水較為均勻；將制備完成的模擬月壤裝填在試驗容器中，初次裝填完成后應采用壓實或振動的方式調(diào)控混合物密度，然后重復裝填多次以達到預先設定的密度要求；將處理好的模擬月壤水冰混合物容器轉(zhuǎn)移到真空容器內(nèi)部。需要說明的是，如果不能迅速轉(zhuǎn)移混合物容器，則需要對容器進行密封處理，以保證模擬月壤中所含水分不會在儲存和轉(zhuǎn)移過程中揮發(fā)。

試驗中首先對模擬月壤進行預冷，根據(jù)水的三相圖（圖3），在真空條件下使水保持固態(tài)需要維持低溫，且真空度越高，所需要的溫度越低，因此需要在真空獲取之前對模擬月壤實施液氮恒壓預冷（圖3 中藍色線）；當溫度達到試驗要求（約200 K）時開啟真空獲取系統(tǒng)中的機械泵級羅茨泵，由于機械泵系統(tǒng)的真空獲取能力（約為4 Pa）有限，明顯高于該溫度下對應的升華壓力（圖3 中紅色線），故能夠確保月壤水冰混合物容器中的水保持固態(tài)；待真空度和溫度均達到試驗要求后，啟動鉆取裝置，在線記錄溫度、鉆取深度、電極轉(zhuǎn)速等參數(shù)；然后啟動加熱裝置，以熱輻射的方式在鉆取區(qū)域加熱含水模擬月壤，使水冰汽化，同步啟動冷凝裝置，使水汽在冷凝裝置中液化，同時記錄溫度、氣壓等參數(shù)；待冷凝完成后，復壓并打開真空容器，最后檢查和稱量鉆取土壤參數(shù)及冷凝參數(shù)。

圖3 水的三相圖Fig. 3 The three-phase diagram of water

4 初步試驗

利用所建立的月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗系統(tǒng)，對鉆取及冷凝裝置進行模擬試驗，試驗分2 個階段進行：第1 階段使用模擬月壤A，在真空低溫條件下驗證鉆取系統(tǒng)的月壤水冰混合物鉆取效能；第2 階段使用模擬月壤B，除了在真空低溫條件下驗證鉆取系統(tǒng)的鉆取效能，同時還要對冷凝裝置的冷凝效果進行驗證和評估。試驗照片如圖4 所示。

圖4 水冰鉆取模擬試驗照片F(xiàn)ig. 4 The simulation test for water ice drilling

對該試驗系統(tǒng)進行調(diào)試和驗證，試驗系統(tǒng)設計指標及實際達到的技術指標如表2 所示。

表2 水冰鉆取模擬試驗參數(shù)Table 2 Parameters of simulation test for water ice drilling

如表2 所示，在模擬月壤含水量約為6%的條件下，混合物容器中的最低溫度達到78.6 K，滿足模擬試驗的要求。需要指出的是，在熱負荷估算中選取了較為嚴格的工況條件，實際使用中首先要在大氣環(huán)境下進行預冷，導致容器及管路表面冷凝了一定量的水冰（參見圖4(a)），造成了額外的熱負荷，因此制冷時間要比預計時間更長。另外試驗中使用機械泵和羅茨泵的組合已能夠?qū)⒄婵杖萜鲀?nèi)的真空度維持在數(shù)Pa 量級，在不開啟低溫泵和分子泵的情況下即可滿足現(xiàn)階段月球極區(qū)水冰鉆取模擬試驗的要求。

5 結束語

實施模擬月球極區(qū)環(huán)境下水冰鉆取試驗，能夠驗證產(chǎn)品性能、優(yōu)化產(chǎn)品工況、暴露產(chǎn)品缺陷，是月球極區(qū)水冰獲取工程化實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)。現(xiàn)有的試驗系統(tǒng)經(jīng)過改造，可以實現(xiàn)月球極區(qū)模擬試驗的需要，初步的試驗結果表明，現(xiàn)有的鉆取和冷凝裝置能夠滿足初步的水冰獲取要求。但已實施的試驗還不充分，對產(chǎn)品效能和工況的驗證尚不全面，后續(xù)會繼續(xù)開展極端溫度條件下、不同含水量條件下和不同密度條件下的鉆取效能，以及復雜環(huán)境下水汽冷凝機制方面的研究。

在月球極區(qū)原位利用水冰資源的工程實施難度較高，低溫環(huán)境可能會對整個系統(tǒng)造成極為嚴重的影響：首先，機電設備無法在極端低溫的條件下正常工作，需要消耗額外的能源進行熱控；其次，極低溫條件下月壤水冰混合物的高硬度對鉆取裝置提出了更高的要求。因此，需要充分研究鉆取方案的邊界條件，通過系統(tǒng)級的試驗加以驗證，再通過試驗優(yōu)化迭代鉆取系統(tǒng)，使月球極區(qū)水冰鉆取最終具備工程可行性。