地外天体探测与钻取技术发展研究 申志强 李帅 刘德赟 王帅 邓湘金 张晓静 高金艳(1 钱学森空间技术实验室，北京 100094)(2 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094)(3 北京空间科技信息研究所，北京 100094)(4 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)月球是地球的天然卫星，是距离地球最近的地外天体。月球是人类走出地球摇篮，迈向浩瀚宇宙的第一个跳板，也是人类走向深远空间的前哨站和试验场。以月球探测与研究为基础，联合其他行星、小行星等地外天体探测活动，可以为太阳系形成与演化、宇宙起源和生命起源等重大科学问题研究提供支持。从20世纪50年代至今，多个国家对地外天体开展了外部探测、内部探测、星表钻取采样等活动，包括苏联月球(Luna)系列、美国“阿波罗”工程和火星探测计划、欧空局生物火星(ExoMars)探测计划、罗塞塔(Rosetta)彗星探测任务和我国嫦娥系列等1-6，积累了大量经验和数据，大幅拓展了人类认识边界。作为深空探测活动一种重要形式，地外天体内部探测及取样，其实现过程更具挑战性。面向未来，多个国家制定了颇具雄心的深空探测计划，将通过外部内部探测、星表钻取采样、原位分析、带回地球研究等方式获得更多知识，为人类建立月球基地、科研站，甚至移民地外天体等积累技术和经验。本文目的是结合我国未来深空探测任务研究内部探测技术，为获得更多有价值科研数据、丰富深空探测成果提供参考。本文创新提出了地外天体内部探测技术体系，通过比较分析，给出了未来内部探测、钻取技术发展方向和指标，将为国家全面谋划探测任务并协调关键技术发展，顺利实施深空探测任务提供支撑。1 中国从外围到内部探测和认识月球1.1 中国探月“六战六捷”20世纪90年代末，原国防科工委组织专家论证，提出了我国“绕、落、回”三步走无人月球探测规划，一期工程到2007年实现绕月探测；二期工程到2013年前后实现月面软着陆探测与巡视勘察；三期工程到2020年前实现月面采样返回。国家2004年批准一期工程立项，截止到2021年3月，我国先后完成了嫦娥一号任务、嫦娥二号任务、嫦娥三号任务、再入返回飞行试验、嫦娥四号任务、嫦娥五号任务共6次任务，实现了“六战六捷”，完满实现了规划目标1-9。1.2 研究成果举世瞩目1)大幅加深对空间环境认识嫦娥一号探测器、嫦娥二号探测器携带的太阳风离子探测器监测到月球两极日夜交界面附近从日侧向夜侧速度逐渐增加的粒子流、月球向阳面的太阳风离子反射现象等空间环境事件，揭示了太阳风中等离子体物理过程和与月球相互作用过程，观察到中质子物理量的变化，证实了月面微磁层的存在，为月球空间环境以及月球演化的研究提供了新的重要参考。嫦娥三号探测器携带极紫外相机对地球等离子体层产生的30.4 nm辐射进行全方位、长期观测，依据地球等离子体范围及其变化数据，获取了地球等离子体层三维图像。利用这些探测数据发现了等离子体层存在双卵型结构。揭示太阳活动对地球空间环境的影响，确认地球等离子体层尺度与地磁活动强度呈反相关关系，进而提出等离子体层空间结构受地球磁场和电场约束及控制新观点。2)系统掌握月球表面特性嫦娥一号探测器、嫦娥二号探测器携带微波辐射计，获取了3.0 GHz、7.8 GHz、19.35 GHz和37.0 GHz四个频率的微波辐射亮温，在此基础上进一步反演月壤厚度，评估氦-3资源。发现亮温分布与月球表面物质分布存在明显相关性。月海区主要分布玄武岩，亮温相对较高；高地(月陆)分布斜长岩，亮温相对较低。嫦娥二号探测器携带的相机获取607轨100 km高度和15 km高度月球影像数据。完成7 m分辨率全月球影像图的制作。利用嫦娥四号探测器携带的降落相机、地形地貌相机、可见近红外光谱仪、全景相机等观测数据，精细重构了月球背面软着陆轨迹和着陆点位置，获得着陆区形貌、物质矿物组成、来源及特性等科学成果。支持了月球背面控制点研究、高精度月球测绘。3)有效开展月球内部探测嫦娥三号探测器携带的高频雷达对月球浅层结构及月壤厚度进行了原位探测。基于雷达数据，判断着陆区月壤厚度为46 m，建立了月球浅层结构可靠识别的技术和方法。玉兔号探测器携带的粒子激发X射线谱仪、可见近红外成像光谱仪探测数据，获取了着陆区月壤化学组成、矿物组成、月壤厚度及其下覆玄武岩深度等，识别出该区曾发生多个阶段火山喷发，揭示了雨海盆地多次火山喷发的历史。嫦娥四号任务首次通过原位探测得到月球深部物质组成数据，揭示月球背面特别是南极艾特肯盆地复杂撞击历史，给月壤形成与演化模型提供关键证据。根据测月雷达、相机数据以及其他多源数据，建立嫦娥四号探测器着陆区地层剖面及多期次溅射物覆盖关系。首次揭开月球背面地下结构神秘面纱，极大地提高了人类对月球撞击和火山活动历史的理解，为月球背面地质演化研究带来新的启示。4)支持太阳系-宇宙起源等研究嫦娥三号探测器携带的光学望远镜开展了定点观测，对8颗掩食双星和天琴座RR变星开展了长时标光变监测，实现了月基近紫外天文观测。还获得了月球外逸层中羟基(水)密度上限值的最新值，分析发现月球外逸层中羟基(水)密度的最低上限值为柱密度小于1011 cm-2，体密度不高于104 cm-3。研究结果比利用美国哈勃空间望远镜获得的上限低了将近100倍，与理论预期值最为接近。2 月球及其他天体内部探测的必要性2.1 拓展人类认知广度与深度开展月球内部研究,认识其内部构造是当今比较行星学研究的热点，也是研究月球、行星起源与演化需要解决的重大问题之一。也对月球探测器飞行轨道控制、月球着陆区选择等有重要影响，更是未来月球资源原位开采利用的前提。人类对月球浅表层的构成、成分分布等已有一定认识，但仍缺少对几十米以下深部结构、物质成分等了解。20世纪90年代以来人类数次月球探测获取的雷达、中子探测仪和光谱仪的水冰探测数据表明，月球上很可能存在水冰，特别是在极区永久阴影区内，水冰可能分布在表层至米量级深度范围内。现有的遥感探测难以对月球表层和浅表层的水冰进行直接证认，对可能含有的金属矿产、稀有气体等资源也需要更多探测数据支持。为了确定月球及其他地外天体地质构成，寻找现有或过去的微生物、水源等存在证据，必须采集数米到数百米深度的地下地质样品。在这样的需求条件下，钻探、钻进是最有效的采样方式，设计研制合适的钻探采样设备成为必须。2.2 支持月球资源开发与利用根据阿波罗飞船月壤样本分析表明，月球上22个月海覆盖了厚厚的一层玄武岩。月球表面几乎没有大气，太阳风直接注入月表，稀有气体特别是氦-3等赋存于月壤中。氦-3可以作为一种可长期使用、清洁、高效、安全的核聚变发电燃料。在对月球表层和内部蕴藏的矿产资源进行普查基础上实施原位精细勘查，进而开展稀有资源原位分析和提取试验，可为未来月球资源开发与利用提供科学依据和技术支撑。月球上最古老、最大和最深的撞击盆地位于月球南极，其提供了研究深层物质的天然地质剖面，获取该区域物质成分对精准揭示月壳早期形成及其演化具有重要价值。通过对月球内部进行取样开展月壤/月岩参数性质研究，是深入研究月球地质信息和发展月球资源利用技术的必要手段，先进的内部钻取技术是支持开发月球资源、建设月球基地的重要保障之一。2.3 牵引带动相关技术发展美国、苏联等在探月工程中已经掌握并使用了多种钻取技术和取样设备，如前苏联Luna-16任务采用的摆杆式钻探取样设备、美国阿波罗15号中使用地面旋转冲击钻机(Apollo Lunar Surface Drill，ALSD)及NASA研发的超声波振动采样取样设备(USDC)等6。这些设备受限于取样深度，仅能取到月球表层松散月壤，未能钻取真正月岩样本7,10。目前人类月球取样能力尚未达到月壤下面的月岩层(月表510 m深度以下)。另外，上述取样活动没有实现样本原位信息保持，获取的普通月壤/月岩样本脱离月球原位环境，带回地球后已严重失真。尚需提升：获取原位月壤/月岩成分和赋存状态信息；避免取样后月壤/月岩直接暴露而造成污染；取得对月球南极永久阴影区次表层取样探测技术突破11-12。3 地外天体内部探测及钻取技术现状近年来，月球探测活动掀起一轮新高潮，逐步由外围向月表向月球内部发展，也带动了相关仪器和技术的升级。外围探测主要有成像、微波等遥感手段，用于月球几何形状、地形、表面物质成分、密度等观测。表面探测多通过部署于天体表面的仪器，采集月球表面及次表层震动、微波反射等数据，推演内部水冰资源以及月球内部热流分布等情况。内部探测分为结构探测和成分探测两大类(如图1所示)，其中结构探测主要了解月球半径、密度、角动量、磁场、月震、重力场、内部热流分布等，仪器设备多部署于天体表面；内部钻取与成分探测，主要通过挖取或钻取方式获得天体内部材料后进行原位分析或带回地球分析。图1 地外天体内部探测及钻取技术体系Fig.1 Detection and drilling technology system for interior of extraterrestrial object3.1 内部结构探测仪器与技术对月球内部结构的探测与认识，经历了从最初一般性认识逐步发展到定点和定量评价的过程，同时也伴随着探测技术的发展与应用13。第一阶段(19591972年)主要是利用月球轨道器搭载遥感载荷，探测月球重力场及月表地形，通过这一阶段研究获得了低阶次月球重力场模型，并获得了正面局部区域的异常质量分布，发现了月球的非均匀性特征。第二阶段(19691977年)利用地震探测技术研究月球内部结构，第一台月震仪于1969年7月由阿波罗11号飞船乘员架设，工作7周；之后阿波罗12号、阿波罗14号、1阿波罗5号及阿波罗16号飞船乘员架设了由4台月震仪组成的月震观测(PSE)台阵。这些月震仪共记录12000余条数据信息4,获得了月球内部圈层结构的轮廓，月球可以划分为月壳、月幔和月核。阿波罗12号、阿波罗15号、阿波罗16号着陆器携带的磁力仪，测定了月球微弱磁场，利用磁测数据反演了月球内部电导率分布，作为对月球内部结构的补充。第三阶段(1994今)主要进行月球高分辨率遥感观测与月震数据综合应用。多国月球轨道器获取了重力、激光测高、多波段影像、视线加速度、多普勒跟踪、月表光谱以及月球磁场等大量数据资料，推动月球研究向深度、广度发展。开展月球/行星探测所使用的测震仪和热流探测器如表1所示。表1 月球/行星测震仪和热流探测器Table 1 Moon/planetary seismometers and heat flow probes3.2 内部钻取与成分探测技术美国“阿波罗”工程采用人工采样方式，宇航员在现场操控采样，能够灵活选择采样点并实时调整钻进参数。为获得地外天体土壤实际样品，美国、俄罗斯、欧空局、日本等还开发验证了更多不依赖宇航员的钻进探测技术和设备，主要有飞行贯入、冲击回转钻进、冲击挤密贯入、蠕动钻进、仿生往复侵入、热力融冰侵入、超声波驱动钻进等方式。不同的深空探测任务，具有不同的钻探-取样方式-结构特点。好奇号(Curiosity)火星车采用单管钻进5。ExoMars采样器采用多杆组接方式，具有闭合功能，可针对特定钻进深度的样品进行采集。USDC超声采样器采用冲击式超声波钻进方式，只需较小的钻压就可钻进较高硬度岩石。美国洞察号(InSight)探测器搭载贯入式采样器，依靠自身内部运动机构使其钻入到较深层，可实现大深度钻探6。外螺旋内中空软袋取芯和内中空硬管取芯方式可以对样品提供额外保护，降低采样扰动。但因其结构复杂，潜在故障率高。鼹鼠式钻进设备因其极大降低了对功耗和质量需求，近年来研究热度逐渐增加。外螺旋采取岩屑的钻进设备研发相对较晚，因其相对较低的钻进功耗与较高的采样效率也获得了一定的关注。外螺旋采取岩屑的取样