月球是地球的近邻，它既是一个理想的深空探测中继站，又是具有重要战略意义的太空基地，其所特有的矿产、能源，是对地球资源的重要补充和储备，因此月球钻探开发将成为继公海和南极之后的又一个国际研究热点，也是中国人实现的太空探测目标之一。 1969年开始至今，美国、前苏联、中国先后用了52年的时间，在月球上完成了钻探取样并返回的壮举，取得举世瞩目的成果，累计挖土382.1771千克，耗资巨大。 月壤未解之谜待揭开 月球不属于任何国家，先利用则先获益，土壤蕴藏着巨大的科学价值，为了去月球＂挖土＂，主要航天国家都很拼。目前，在月球探测，在其他星球深空探测任务中越来越明显地表现出工程性质，要获取更加深入原始的科学信息，就必须进行钻探采样。 月壤是在氧气、水、风和生物活动都不存在的条件下，通过陨石和微陨石撞击、宇宙射线和太阳风持续轰击，以及大幅度昼夜温差导致岩石热胀冷缩破碎等共同作用于月球表面而形成的。已有成果表明，除了极少数陡峭的山脉、撞击坑和火山通道的峭壁之外，整个月球表面几乎都覆盖着一层厚度不均的月壤层。月壤层的厚度大致与月表年龄呈线性关系，年龄越老则通常月壤层越厚，如月海区的平均厚度约为４米，而高地区的平均厚度约为12米。月壤的主要物理力学性质包括月壤颗粒的粒径和形貌、月壤密度、孔隙度，以及粘聚力和内摩擦角等。月壤颗粒的粒度分布广，分选性差，其物理力学性质主要是由颗粒的尺寸和形貌所决定的，是一种松散、低粘性、中高压缩性的粉细颗粒材料。 月球表面岩石中富含铁、钛、氧等元素，且初步分析其蕴藏着丰富的稀有金属。更重要的是，科学家还在采集回来的样本中发现了含量十分可观的核聚变的理想原料氦-3，它很可能成为未来月球基地的重要能量来源。研究月球的土壤还可以帮助我们了解早期太阳活动情况，从而为了解地球早期经历的相关地质过程提供参考，也有助于将来的载人登月和火星、小行星探测任务。月球＂挖土＂究竟有多难 作为人类探索宇宙的首批技术之一，月球钻探采样遇到了很多难题。月球表面环境与地面不同——高真空、低重力、强辐射、昼夜温差悬殊、地形环境复杂。相比地球钻探，研制月球钻探取样机具需解决十大关键性问题： ——由于不可能从地球上带发电机上月球，因此如何解决钻探取样工艺的能源成为首要问题； ——月壤的物理性能、力学性能指标不同于地球，应考虑地球上的钻头结构是否适用于进行月球钻探； ——受火箭搭载能力有限，严格限制了月球钻探取样设备的质量、尺寸和功耗，以致钻具所能提供的功率和扭矩小； ——月球钻探取样设备可动部件的润滑问题，润滑剂在月球真空环境中会蒸发掉，被蒸发的润滑油会再凝结在仪器设备周围，进一步恶化工作条件； ——月球表面14cm以深的月壤很致密，没有空气和水，无法提供地面正常钻进所需的冲洗介质，因此应考虑在钻探过程中如何及时排除岩粉和冷却钻头，确保钻头和取样工具在冷却不良的情况下稳定工作； ——月表的重力加速度仅为地球的1.6，仅靠钻机自重无法保证轴向压力，因此，必须解决如何保证钻进所需压力和较快的钻进速度的问题； ——月球表面月壤主要由岩石碎屑、角砾、撞击熔融玻璃物质组成，其成分内聚力小，结构松散，因此需考虑松散地层钻进取心的实现； ——在月球表面钻探，面临着更为复杂的环境，需设计确保钻探设备尽量不出现故障，而一旦钻探机构出现故障，要考虑预备有相应的修复措施； ——月球表面并不平整，需要考虑如何选择巡游车的行走路线，确保月球钻探车安全工作； ——在钻得所需样品后，如何保证样品完整不受损地自动送入返回仓并能安全返回地球。三国奔月＂挖土＂简史 对月球钻探可能遇到的难点问题，许多科学家做了大量的实验研究工作，提出了有效的解决方案。从1969年开始至今，美国、前苏联、中国用了52年的时间，就先后在月球上完成了钻探取样并返回的壮举，取得举世瞩目的成果。 地球上的第一批取样是由美国＂阿波罗-11＂宇航员们于1969年完成的。自＂阿波罗-11＂载人登月以来，12名宇航员搭乘＂阿波罗-12＂、＂阿波罗-13＂、＂阿波罗-14＂、＂阿波罗-15＂、 ＂阿波罗-16＂、＂阿波罗-17＂登上了月球，并运回379.8千克的月壤和岩石标本。 ＂阿波罗-11＂宇航员用地质锤把铝质管形土器打入月壤，取出了第一批15厘米深的样品。但无论怎样用力打击，取土器都无法达到更大的深度。宇航员认为，＂阿波罗-11＂的取土器管靴结构与该深度月壤的强度不适应，土样在取土器内锥面下被压实、变形。为此，＂阿波罗-12＂采用改进型外锥面取土器，但3名宇航员仍要花费35～40分钟来取样。再次改进的取土器可以较小的力打入月壤中并方便起出。最终这种取土器分别从深度35和70厘米处取出了两份月壤样品。 从＂阿波罗-15＂开始，宇航员使用了电动取样钻机——采用＂螺旋钻杆+螺旋岩心管和取心装置+硬质合金钻头＂的组合式取心钻进方法，靠岩心管与钻杆的外螺旋来清洁孔底，取得了成功。 该钻机可连续冲击回转作业，用直径26.2毫米的硬质合金钻头，钻进深度2.8m。在凸轮型冲击机构给出4.6焦耳冲击能量、冲击频率2270次/分钟、转速300转/分钟的条件下，反扭矩为27.4牛米。钻机自重(地球质量)11.8千克，钻压来自钻机自重和宇航员的体重。 月球钻渣的质量仅为地球的1/6，重力明显小于地球，为提高螺旋的输送效率，可通过减少外螺旋与孔壁的摩擦和降低螺旋与孔壁接触面积的办法来帮助钻渣上移。但随着钻孔加深，螺旋的输送效率将下降，且来自月表的冲击力也会逐渐失效，因此＂阿波罗＂计划执行过程中出现过矩剧增、无样品等问题。 螺旋钻具在钻机自重和宇航员给进力共同作用下，钻入月壤并不困难，但钻达设计深度后往往从月壤中起拔岩心管很困难。于是美国人专门设计了从孔内撬出钻杆和岩心管的工具。但在无人登月的情况下，则必须考虑如何解决起拔岩心管的问题。 如果说美国的月球钻探主要是靠＂传统钻进方法+宇航员给进操作＂，那么苏联的＂月球＂（Luna）钻机则实现了由地球上遥控的自动化钻进。世界上第一次月球自动钻探试验是＂月球-16号＂，1970年9月20日在月面丰海地区软着陆后开始的。其后又完成了＂月球-20号＂和＂月球-24号＂月球钻探，所采用的钻具组合为＂空心外螺旋钻具及其配合装置＋硬质合金钻头＂。 ＂月球-16号＂与＂月球-20号＂钻机的结构相同，装有螺旋给进机构和移动式回转器。钻机的主要技术特性：硬质合金钻头直径26毫米；钻孔深度35厘米；直流电机驱动；钻机自重(地球质量)11.8千克；给进方式为差动螺旋；排屑方式为螺旋方法。钻机设计者们根据电动机的比功耗和钻进速度来识别钻进过程是否正常。 ＂月球-16号＂着陆后，机械臂将钻机置于月表，打开外保护罩，在传动装置和钻机自重作用下沿与垂线成15°的方向倾斜钻进，根据遥测的数据，钻进速度超过了计算值。经过6分钟孔深达35厘米，启动钻机的反向行程，冲击装置自动终止冲击。确认样品进入钻具后，机械臂将钻机摆起至返回舱附近，钻机旋转180°，使钻具伸入返回舱内的样品箱，钻具接头自动脱开并密封样品箱，完成采样操作。＂Luna-16＂ 取样0.101千克，获得了100％的岩心，月壤样品保持了岩石的自然层序。 ＂月球-20号＂与＂月球-16号＂的钻进参数完全相同，只是着陆点不同。＂月球-20号＂钻探过程持续了16分钟，但在钻至9、15和34厘米处出现三次断电保护，最终在34厘米处因电机自动断电而结束钻进。 ＂月球-20号＂与＂月球-16号＂钻进过程的明显区别表明，孔底岩石对岩心管表面的粘附力很不均匀，而且在螺旋通道的间隙中被压实了；钻进时螺旋机构不能及时排除岩屑，保证孔内清洁。最终返回地球的月壤只有取样0.05千克。 为了在月球上钻得更深并把样品带回来，必须解决2个问题：一是增大钻压，二是减小样品封装返回容器的尺寸。据此，苏联钻探专家与航天专家合作设计了＂月球-24号＂新型钻机。＂月球-24号＂新型钻机固定在登月舱外侧的倾斜滑道上，从而可借助登月舱的自重提供足够的钻压。钻机进入工作状态不必转动机械臂，而是让钻机沿着2个与月面垂线成30°的定向滑道向下滑动钻进斜孔。 ＂月球-16号＂钻深250厘米，阶梯式硬质合金钻头直径为＂月球-20号＂的1/3，可减少钻进能耗。采用三层管结构，直径8毫米的岩心装在柔性内管中。钻机用钢索提供给进力，钻进规程可据岩石可钻性在回转与冲击回转钻进状态间自动转换。钻进过程中实时跟踪孔内工况，并具有事故报警功能，随时将遥测信息。 1976年8月18日，＂月球-24号＂开始钻进时是很疏松的月壤。钻至孔深80厘米时月壤阻力增大，但仍可使用回转钻进方法。孔深120厘米时月壤阻力快速增长，钻机自动转为冲击—回转钻进规程。从160~220厘米回转和冲击回转钻进规程轮流变换。此后，钻头切入致密地层，钻进自动停止在220厘米处。全孔平均钻速15厘米/分钟，月表下约6厘米未取上岩心，实际岩心采取率71%。进入返回行程后，装有岩心的柔管自动进入水平回转的卷鼓螺旋槽中，弹簧把卷鼓推入返回舱样品箱。然后引爆电燃药筒，炸断给进机构钢丝绳和支架上的固定端，使钻机向后仰并和登月舱一起留在月球上，返回舱起飞把月壤样品送回地球。 九天云外揽月回！2020年12月6日5时42分，中国＂嫦娥五号＂上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中，实现月面自动采样并成功返回。＂嫦娥五号＂的取土作业采用机械臂表取和钻具钻取两种方式进行，其中表取1.5千克、钻取0.5千克。表取由机械臂采用挖、夹、铲等动作完成，表取的机械臂相当于机械手，非常灵活，配合计算机视觉系统，可实现自由抓取。未来＂月球人＂这样钻探开发 虽然这些月球钻探取样很成功，但仍存在着很多不足之处：航天器对月表钻机自重的严格限制；月表钻机对功率消耗有严格限制，无人登月钻机动力为280W，载人登月为430W；仅靠从地球上遥控月表钻机自动钻进取样，不可能大幅度提高采集并返回的月壤样品数量。 随着科技日新月异地发展，未来人类在对月球或其他地外星体进行探测时，将在采用更多的钻探技术将得到新的发展： ——月球探测车上的电池给取样钻机供电。月球探测车上所装备的电池具有体积小、寿命长、功率密度大、适应能力强的特点，以保证月球车的运行动力与仪器供电。当月球车到达预定取样地点，需进行取样工作时，可利用月球车上的电池给取样钻机供电。 ——工欲善其事必先利其器，一套完整高效的钻探设备无疑能极大地改进月球钻探效果。协调运载火箭研究部门，设计出大运载量的火箭，尽可能地将更大能力的钻探设备运载至月球。 ——采用超高低温陶瓷轴承和固体润滑剂。超高低温陶瓷轴承能改善大温差下运动间隙失配和摩擦功耗不稳定问题。固体润滑剂能在很大的温度范围内保证润滑性能，不易蒸发，对辐射也不敏感，使用寿命更长且不会污染机具。 ——设计特殊结构的钻头及钻具。设计带外螺旋的钻头体和岩芯管，通过上升螺旋的回转输送岩粉，同时，还可带走钻头切削岩石过程中产生的部分热量，起到一定的冷却作用。此外，为及时冷却钻头，可将螺旋设计成空心结构，在空心中灌注冰点极低的流体，以同流方式带走钻头部位的摩擦热量。钻头的设计可考虑采用利于散热的材料。 ——采用振动回转钻进工艺。通过模拟月面环境，对钻探取样过程的力载特性的分析表明，以高频振动回转的方式进行钻进，所需的钻压较小，碎岩效率高，钻进速度快。 ——对松散月壤样品设计专门的卡取装置。为保证月壤的岩芯采取率，在钻头处设计卡取装置。可以参考微型遥控式海底取样钻机中所采用的设计经验，为研制月球表面微型取样钻机提供思路。 ——应采用物探、铲挖。配合钻探工作为了确保钻探效率，保证钻取的样品的质量符合研究需求，可先采用物探、铲挖取样设备对要进行钻探的区域做整体钻探可行性评估。 ——将取样钻机和月球车设计成子母车。完成取样作业后，母车带走＂样品箱＂，与子车钻机分离，把钻机留在月球上，减轻返回地球时的荷载。待下次登月，母车可找到子车，继续进行钻探取样。