超临界二氧化碳射流火星采样技术研究

杨晓峰 黄彦如 庞勇

(1 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)(2 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094)

火星是太阳系八大行星之一，属于类地行星。火星与地球颇为相似，火星的自转速度与地球几乎相等，有四季交替的气候变化，火星大气层中也存在臭氧层，可以吸收太阳光中的紫外线，有高原、平原等地貌，某些地区甚至还有丰富的水资源存在，为火星创造了有利于生物生长发育的条件[1-2]。经过长期的天文观测和空间探测，科学家推断火星最有可能存在过生命或适宜生命繁衍[3]，也是最有可能供人类移居的星球。因此，火星探测研究将为在火星建立永久居住基地，扩展人类生存疆域奠定基础，对人类的未来生存和发展有着十分重大的意义。

钻探取样是火星探测的重要内容，目前世界各航天强国对火星的探测取样工作明显加速，尤其美国洞察者号火星探测取样器已经于2018年登陆火星并开始尝试对火星地层进行钻探取样，并计划在2030年前后选择合适地区实施载人火星登陆。中国计划在2020年发射火星探测器，对火星进行初步探测，并计划在2030年前后实施火星取样返回工作，获取火星地层结构数据[4]。但火星地质条件复杂，尤其是硬岩地层钻进困难阻碍了火星地层探测的成效，开发火星复杂环境下有效的硬岩钻进技术和取样装置势在必行。

本文从火星采样技术研究现状出发，提出了原位利用火星丰富的二氧化碳资源开发超临界二氧化碳射流辅助破岩的技术构想。围绕火星复杂地层破岩这一主题，分析了超临界二氧化碳射流辅助破岩的机理、可行性和应用前景，介绍了超临界二氧化碳火星采样系统的基本组成，论述了超临界二氧化碳射流辅助破岩的关键技术和难点，旨为火星钻探采样技术研究的深入推进提供思路和研究参考。

1 火星采样技术研究现状

火星气候和地质环境条件极其复杂，尤其是坚硬岩层分布广泛，低气压、低重力、强辐射及昼夜温差大等不利因素极大地增加了硬岩破碎难度[5]，如果沿用传统方法破岩，就会在一定深度出现钻进受阻、停滞和钻具破坏等情况。从20世纪50年代至今，世界多个国家对地外天体钻进取样技术进行了诸多探索,火星采样技术也在不断进步。美国好奇号火星车的采样系统主要由微型钻机、取样铲、筛分机和计量器构成，同岩屑运移系统、岩屑处理分析系统等高度模块化集成为一体，再通过机械臂搭载于好奇号火星车的前部[6-7]。在实际钻探取样中，依靠机械臂的移动、转动实现对取样地点的精准定位，钻进过程的钻压力由机械臂压缩钻具与钻机之间的储能弹簧提供，并由机械臂对钻进深度进行实时补偿，但好奇号取样器只能钻取松软地层，而且钻取深度较浅，取样量偏小[8-9]。ESA用于火星探测的猎兔犬-2(Beagle-2)着陆器上安装有钚回路试验反应堆(PLUTO)末端采样器，该采样器同样借助机械臂的作用，能够在任意方向上潜入0.1～-1.5 m深的火星表面的松土层进行多次采样，但是单次采样钻屑质量也仅能达到50 mg[10]。NASA发射的海盗号火星着陆器,采用机械臂末端安装挖取式自动采样机构进行采样，当机械臂向后拖动时,位于采样机构前端的铲可以将火星土壤翻松,以便铲体能以较小的铲入力完成采样。该采样机构的主要优点是结构简单、可靠性高，但仅适用于浅表层松软土壤及小型岩石采样[11]。NASA于2018年发射的洞察号火星探测器原计划钻到火星表面以下5 m的深度，以实现火星内部的热状态考察[12]，但实际上，在洞察号钻到50 cm的时候就停止了钻进，钻头也发生了15°的偏移，根本原因就是洞察号在钻进过程中遇到了坚硬的岩石，无法有效破岩而导致钻进任务停滞，这一难题至今也没得到完全有效的解决。

近年来，国内外学者利用理论建模和地面实验的方法研究复杂地层钻进取样过程，分析影响取样效果的关键因素，为优化航天器取样方法与装置提供参考依据[13]。Nagaoka等人提出了一种新型正反向双螺旋钻进方法，可有效抵消钻具所受到的土体反作用力，提高钻进效率，但此钻进方法对硬件设备要求较高，目前仍在实验阶段[14]。英国萨瑞大学借鉴木蜂产卵原理提出了一种双向交错往复钻进方式，使得钻进过程中钻头前端可获得更多的钻压力，能提高采样效率，但此钻进方式对原位土体的破坏较大，所采集样品被破碎成粉末后输出，不能有效保持原样[15-16]。NASA研发的超声波冲击式钻探器(USDC)通过由高频振动转换成的低频冲击作用实现钻机的向下钻进，克服了传统钻探器难以在微重力环境下工作的难题[17-18]，但该取样器对锚固稳定要求较高，而且能耗较大，目前还处于实验室试验阶段，有待于进一步改进[19]。

实践中，超临界二氧化碳(SC-CO2)射流作为一种高效无污染的辅助破岩新方法在地球油气资源钻采领域取得了良好效果[20]。利用SC-CO2射流破岩及压裂能提高单井产量和油气采收率，目前已成为国内外非常规油气藏开发领域的研究热点，同时也为新型高效破岩钻进技术提供了新的方法和方向。火星探测中，利用火星大气中丰富的二氧化碳资源，借鉴采用SC-CO2射流进行高效破岩取样，将有利于解决复杂地层采样困难问题。

2 SC-CO2射流火星辅助破岩的应用

2.1 SC-CO2射流破岩机理

SC-CO2是CO2在超过临界温度31.1 ℃和临界压力7.38 MPa的条件下形成的一种特殊的超临界状态流体(见图1)。CO2进入超临界态后，显现出许多独特的物理和化学性质，具有液体的高密度，又具有气体的低黏度和高扩散系数，有良好的传质性能[21]。此外，SC-CO2的临界条件易于达到，表面张力为零，不存在毛细管力，因此可以进入任何大于SC-CO2分子的空间，与普通流体相比，SC-CO2可在地层中实现更大范围的穿透[22-23]。

图1 CO2相态变化规律Fig.1 Diagram of phase transition of CO2

近年来，国内外学者提出了使用SC-CO2作为钻井流体来提高射流破岩能力的方法[24-25]。杜玉昆等人[26]和黄飞等人[27]分别针对人工岩心和四川龙马溪页岩开展SC-CO2射流破岩实验，证明了SC-CO2射流辅助页岩破碎效率优于普通水射流破岩。进一步研究表明SC-CO2射流在破岩过程中表现出许多独特的性质，起裂压力低，裂缝形态复杂，以及破裂断面粗糙等，使其具有卓越的破岩优势[28]。SC-CO2射流提高破岩效果的主要机制如下。

(1)岩石破碎范围更广。与水压裂缝相比，SC-CO2冲击下裂缝宽度较大，裂缝面较粗糙，裂缝分布密度较大[29]。SC-CO2压裂形成的主裂缝相对曲折，且主裂缝周边派生出很多二次裂缝，二者相互沟通，形成复杂的裂缝网[30]。Inui等人[31]进行的声发射信号监测结果表明：相同条件下SC-CO2破岩裂缝呈现波状，能够诱导更多分支裂缝，形成裂缝网络。常规水射流和SC-CO2射流破岩效果如图2、3所示。

(2)钻具降温作用更好。钻进过程中需要将岩石从岩体上破碎并分离出来，刀具在破岩过程中大量放热，导致其温度升高，造成密封失效和刀具磨损增加，会降低刀具的使用寿命[32]。SC-CO2具有液体的高密度性质和较大比热，在地层温度条件下SC-CO2射流的冷却作用可保护钻头，降低钻头切削齿的温度，避免高温对钻头与钻杆造成的热破坏[33]。

(3)钻屑携岩能力更强。SC-CO2流体密度大，流动性强，携岩效果优于空气和水，且多种工况下携带能力较好。沈忠厚等人[23]用数模实验对不同黏度、不同密度的SC-CO2流体在水平井段的携岩规律进行了模拟，计算结果表明：SC-CO2流体的携岩能力比水大幅提高，而且随密度和黏度的增加而增强。宋维强等人[34]对水平井段的SC-CO2携岩能力进行了数值模拟，得到同等压力条件下SC-CO2的岩屑排放能力比水基钻进液高1.5～3倍。

图2 常规水致裂岩石示意图Fig.2 Diagram of rock fractures by water jet

图3 超临界二氧化碳射流致裂岩石示意图Fig.3 Diagram of rock fractures by supercritical carbon dioxide jet

2.2 SC-CO2射流火星辅助破岩可行性及应用前景

火星大气中CO2占比95.32%[35]，CO2资源丰富，纯度高，性质稳定。SC-CO2的临界条件门槛低，制备装置简单。SC-CO2射流主要依靠高密度、高扩散能力进行破岩，而且与地面气压条件相比，火星超低气压条件下SC-CO2流体的黏度更低，扩散系数更大，更有利于提高破岩范围和速度。因此将火星大气中丰富的CO2转化为SC-CO2射流运用于火星辅助钻进，可以提高钻进效率，而且不污染样品及火星环境，有助于火星硬岩取样难题的破解。SC-CO2射流火星辅助破岩可行性及优势如下。

(1)提高破岩效率，降低机具能耗。在火星硬岩破碎困难情况下，SC-CO2易进入岩石微孔隙和微裂缝之中，将射流流体的准静态压力传递到岩石深部，在岩石内部建立大小不一的流体压力系统，致使岩石沿着原有裂缝或者弱胶结面开裂或破碎，降低岩石的起裂压力，加快岩体损伤，扩大穿透范围，增强破岩效果，进而减小钻进能耗[36]。

(2)有效解决钻具冷却问题。太空无水环境持续钻进取样将会导致钻具温度急剧上升，如果散热不当，采样机具将发生热变形与热破坏导致装备失效。SC-CO2流体在钻进过程中不断冲刷、冷却、润滑刀具，降低刀具温度，延长刀具寿命，使取样工具保持稳定的工作性能[5]。

(3)提高排屑能力，减小钻进阻力。在火星钻探过程中，需要及时排除钻进过程中产生的岩屑，否则钻进阻力将大幅升高甚至出现卡钻事故[37]。火星表面没有液态水，常规条件下空气携岩能力有限，会随钻进深入而大幅减弱，导致排屑受阻。SC-CO2射流既有液体的高密度又有气体的高扩散性，能较好地携带岩屑并较快地排出钻孔，减少钻进阻碍，提高钻进效率。

(4)资源丰富，降低探测成本。火星大气中CO2资源充分，而且SC-CO2射流容易制取，装备简单，通过SC-CO2射流辅助钻进，既可以减少装备开发成本，又可以就地取材，解决辅助能源补给问题，直接起到节能降耗的作用。

3 SC-CO2射流辅助破岩关键技术及难点

以射流破岩与钻进采样技术研究基础为依托，本文提出了SC-CO2火星钻进取样方法。在火星原位制取SC-CO2基础上，利用SC-CO2射流辅助火星硬岩地层破碎，实现减阻降温，提高钻进取样效率。在装置设计上，火星取样系统主要由SC-CO2射流制取装置、岩石钻进装置、锚固稳定装置和样品筛分装置等分系统构成，具有因地制宜，技术稳定，结构简单的优点(见图4)。CO2的超临界态形成条件较为简单，当气体超过临界温度31.1 ℃和临界压力7.38 MPa以上时就会进入超临界状态。考虑到火星稀薄大气压下大气的易变性，对SC-CO2射流制取装置进行了优化改进，在CO2收集口安装一个气体压力控制系统，以实现温度交变过程CO2气体的稳压控制。从火星大气收集的CO2气体经过滤装置净化后，在抽气泵压力差的作用下压入泵腔，再由排气口将气体送入升温加压装置，装置内的加压泵先将CO2升至临界压力7.38 MPa，并由加热器对CO2加热至临界温度31.1 ℃以上，就实现了二氧化碳的超临界状态。SC-CO2经过钻进装置喷嘴喷出形成SC-CO2射流，对岩石进行辅助钻进破碎。

图4 超临界二氧化碳火星取样系统Fig.4 Mars sampling system based on supercritical carbon dioxide

SC-CO2火星钻进取样是一项多学科交叉技术，未来需要从理论和技术角度进一步优化研究才能使SC-CO2火星取样系统更好地发挥作用。在机理研究方面，需要针对火星探测环境下SC-CO2射流流场特性展开研究。SC-CO2射流破岩是一个涉及诸多因素的非线性冲击动力学问题，且SC-CO2介于气体和液体之间，属于物性特殊的相变材料。SC-CO2射流过程中的物性参数随环境温度和压力的变化而不断变化，射流过程中的相关参数极难控制，单纯的实验研究难以深刻揭示射流过程中SC-CO2物性变化对岩石破碎的影响规律，需要对火星超大温差、超低气压等特殊环境因素对SC-CO2射流特性影响进行深入研究，建立火星SC-CO2射流流场模型，掌握火星环境下SC-CO2射流冲击特性参数的影响因素。因此，在研究火星探测环境特殊温度与气压条件SC-CO2射流的速度-密度数学模型基础上，结合射流仿真模型与实验，得到射流优化参数组合，将为火星硬岩高效破碎采样新技术提供支撑。

在装备及工艺方面，火星的复杂环境也对SC-CO2射流探测取样作业提出了如下更高要求。

(1)取样装置锚固稳定和复杂地层自适应性问题。火星重力相当于地球表面重力的0.38[38]，在微重力环境下实现探测器着陆已不易，取样作业时施加的力又可能将探测器推离火星，加上火星表面平均风速大，要使取样设备附着稳固，需要有更好的锚固方法用以稳定取样装置[39-40]。火星的总体地层包括难以破碎的硬岩、砂岩、冰层、永冻层等，表面起伏较大，岩石各向异性突出[41]，登陆点表面可能是坚硬的岩石,也可能是不稳定的沙丘或凹凸地段，要求火星取样装置设计能适应不同地层着陆姿态，跨越各种障碍，具有多点多次采样能力。

(2)取样装置自身能耗及设计优化问题。火星与地球空间距离遥远，飞船的运载能力受限，加上运载火箭发射能力及成本的影响，探测器的重量不可能无限增加，就取样装置而言，在保证合适重量的同时，又要最大限度地优化锚固装置和设备材质结构以减轻重量。同时，虽然SC-CO2射流制取的条件门槛低，制备装置相对简单，但是，火星表面气压只有地球表面气压的0.6%，密度约为地球大气的1%[42]，CO2气体的足量收集仍有一定难度，而且气体易逃逸，所以SC-CO2射流探测取样装置中CO2气体的高效收集、转化和密封相关部件也要进行针对性完善。

4 结束语

本文在介绍SC-CO2射流辅助破岩机理的基础上，分析了SC-CO2射流辅助破岩的可行性与应用前景，提出了SC-CO2射流火星复杂地层钻进采样技术方法。在分析火星环境SC-CO2射流流场特性基础上，对SC-CO2射流火星辅助破岩探测取样装置锚固稳定、不同地层适应性、取样装置自身能耗等方面进行了优化分析，指出了火星探测环境下SC-CO2射流采样理论研究和技术工艺的发展完善方向，对完善火星探测技术、推进深空探测高效取样任务的研究具有重要理论价值和工程意义。未来各航天院所、高校、企业要抓住我国2030年前深空探测整体规划实施的大好时机，发挥各自优势，对火星二氧化碳原位利用及SC-CO2射流火星地层高效采样技术进行协力攻关，有利于尽早实现我国火星钻探取样关键技术的突破和引领。