月壤微定量采样器设计与试验验证

张志恒，唐钧跃，张伟伟，孙 凤，李 鹏，王 储，刘子恒，贺怀宇，刘冉冉，马如奇，姜生元

（1. 哈尔滨工业大学 宇航空间机构及控制研究中心，哈尔滨 150001；2. 沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870；3. 燕山大学 机械工程学院，秦皇岛 066004；4. 北京飞行器总体设计部，北京 100094；5. 中国科学院 地质与地球物理研究所，北京 100029；6. 中国科学院 大气物理研究所，北京 100029）

引 言

月壤中包含多种挥发分成分，主要有H2、CO2、N2、CH4、H2O和稀有气体等低沸点的单质和化合物[1-4]。这些挥发分的含量和分布情况不仅可以揭示月球的形成和演化过程，还是未来月球科研站重要的可利用资源[5-8]。为保证科学仪器对挥发分测量与分析结果的准确性，防止在采样返回过程中因盛样容器温度和压力的变化及冲击振动的影响导致挥发分丢失和改变，挥发分的制备和分析必须保证原位测量[9-12]。同时，科学分析仪器的测量精度要高，常规的克级月壤样品含有的挥发分含量过高，不利于原位测定精度的保证[13-15]，对月壤样品的质量需求通常100 mg量级，且月壤样品的粒径要求小于100 μm，以保证月壤中的挥发分均可以充分逸出，因此对月壤采样提出了采样量少和粒径筛分的要求。此外，为确定月壤中各挥发分的含量，需要对月壤样本定量采集，对采样的样本质量精度提出了要求。综上，用于科学分析的月壤样品采集技术不仅需要所采样品有较高的质量精度，采集的月壤量非常少，还需克服采样时所处的真空低温月面环境，是一项富有意义且难度较大的关键技术。

已有多次探测任务对不同星球的星壤挥发分进行了测量。其中，包括“罗塞塔号”（Rosetta）采用的钻进取芯方式，完成了对彗星的采样[16]，该采样方法无法准确地控制采样量及粒径分布。美国国家航空航天局（National Aeronautics Space and Administration，NASA）对火星开展的多次探测中也对火星样本进行了采样分析，在“凤凰号”（Phoenix）火星的探测任务中，采用表铲的方式获取了火星表面的星壤样本，这种方式不仅无法完成样本的定量，且在采样的过程中样本粒径、样本体积等方面存在不确定性；“好奇号”（Curiosity）对火星开展的探测中所采用的方法为钻杆进样，增加一个具有样本筛分和定量功能的样本处理单元，通过调整样本处理单元的姿态角度完成筛分和定量[17]，该方法可有效解决定量和定粒径的问题，但付出的资源代价巨大、效率较低，且管路通道较长，存在样品被污染的风险。美国将于近几年发射挥发性物质调查极地探测（Volatiles Investigating Polar Exploration Rover，VIPER）月球车用于探测水冰物质[18]，其采样方式为通过钻具上的螺旋翼将月壤转移至月面，通过毛刷与螺旋翼之间类似蜗轮蜗杆的啮合传动将螺旋翼内月壤扫入落料槽道内，这种方式较新颖，但仍无法控制采样量和粒径。综上所述，当前已有的采样方案无法高精度控制样本的采样量，无法满足精度较高的科学分析需求。

采集到月壤后还需将其加热至一定温度，使月壤内部的挥发分热解后充分逸出，不同成分的挥发分其相变点也不尽相同。国外的深空探测任务中，对星壤的加热方式均采用电阻炉加热，通过在耐高温的炉子内部缠绕电阻率较高且耐高温的金属丝，通电后将炉壁加热并传导至星壤，将星壤加热至目标温度，获取星壤的挥发分[19-20]。这种通过热传导加热星壤的方式不仅功率需求较高、资源消耗大，还无法快速加热星壤，时间代价也较大。

本文设计了一种以多孔栅格为主体构型，旋转与进给运动耦合的一种月壤微定量采样器，解决对月壤采集时的微量定量需求。同时，以感应加热的方式将采样片加热，继而通过热传导将采样片内部的月壤加热，获取其中的挥发分，可高效、快速地完成挥发分的提取工作。

1 月面原位探测的需求分析

为进一步提高人类对月球的认识，中国计划在近几年发射探测器前往月球极区测量多种挥发分的含量及分布，这对人类重新认识月球的演化规律有着重要的意义。多国的环月探测结果显示，由于月球极区常年处于极低温状态，有水分子以月壤水冰的形式赋存于极区浅层范围内，对这些资源的原位探测将为月球资源开发奠定基础。挥发分探测器通过机械臂采取微量月壤样本后置于加热炉内，分梯度逐步将月壤加热至1 000 ℃，获取不同沸点的挥发分。挥发分探测器上主要包含剖面钻及采样管、挥发分制备舱和挥发分测量舱，分别完成月壤采样、挥发分制备与分析，如图1所示，剖面钻和采样管安装于机械臂末端，挥发分制备舱安装于舱壁外侧，挥发分测量舱安装于舱内。

图1 挥发分探测器组成及布局示意图Fig. 1 Diagram of composition and layout of volatile detector

微量定量采样器在设计时需考虑月面环境对采样造成的影响，要符合月球极区采样的环境要求，月球极区的环境特点和对采样的影响如表1所示。综上所述，在月球极区采样时需要考虑较复杂的工况及采样器对极低温的适应性等，对挥发分制备而言影响较小。根据工程任务的目的和实际作业的工况，挥发分探测器对采样和挥发分制备的性能要求如表2所示。

表1 月球极区环境特点及对采样和挥发分制备的影响Table 1 Lunar polar environment and its influence on sampling and volatile fraction preparation

表2 挥发分探测器的性能要求Table 2 Performance requirements for volatile detector

2 微定量采样器设计

2.1 采样器系统组成

微定量采样器由采样管和安装于采样管内部的采样片组成，和剖面钻一起与机械臂相连，由驱动组件提供回转运动，机械臂提供进给运动，其组成如图2所示，主要结构参数如表3所示。

图2 采样器采样原理Fig. 2 Sampler sampling principle

表3 微量采样器结构参数Table 3 Parameters of micro sampler

采样管的设计方案如图3所示，采样片以堆栈的形式顺次置于采样管内部，在最左侧的采样片前端设计有推送滑块，推送滑块外径两侧连接有驱动绳，驱动绳另一端绕过采样管右端壁孔后，再向左侧连接到缠线卷盘上，由电机驱动缠线卷盘回转，驱动绳受拉，推送滑块在驱动绳拖拽下可将内部的采样片向外推出，将装有月壤样本的采样片转移到月壤加热单元中。驱动电机反转可带动采样管转动，同时在单向机构作用下，缠线转盘不产生回转动作，在确保样品扰动温升的前提下，利用机械臂及自身驱动组件实现采样器的多次往复旋压式样本定质定量采集，以此实现剖面点位采样、毫克级定质定量、低扰动3个先进性目标。微定量采样器整体设计参数如表4所示。

图3 采样管工作原理图Fig. 3 Working principle diagram of sampling tube

表4 采样管参数表Table 4 Sample tube parameter

2.2 采样器采样原理

绳驱推送式末端采样管中预装了若干采样片，采样片由多层基体、强制骨架和三维编制工艺形成的微孔型栅格内部结构组成，多层基体可提高采样片的强度，强制骨架在采样片旋压取样时将大颗粒月壤扫除，孔径沿轴向从下往上逐渐递增，采样片可进行定密实度、定孔隙率、定体积的精准采样，图4为采样片的结构及采样原理。

图4 采样片组成及采样原理Fig. 4 Composition and sampling principle of sampling slice

1）鉴于月壤最大粒径受进样孔尺寸约束，即进样月壤粒径≤ds，即实现月壤颗粒的粒径筛选功能，如图4（a）所示；

2）鉴于采样容腔内部体积为定值，随着月壤颗粒的逐渐填充，容腔内的月壤颗粒逐渐挤密，颗粒体积将趋于定值Vs，即实现月壤采样的定容积功能；

3）容腔内月壤的体积趋于定值后，其整体密实度也将趋于定值，即月壤颗粒的质量将趋于定值ms，即实现月壤采样的定密实度和定质量。

2.3 微定量采样片构型设计

根据科学仪器对月壤的采样需求，月壤的物理及力学性能，设计一种通过旋压动作完成月壤颗粒收集的采样片。微定量采样片的结构如图5所示，月壤颗粒通过采样底座上的微孔进入采样腔内，顶盖将采样片封闭，与采样底座配合形成采样腔体。

图5 采样片结构参数定义Fig. 5 Definition of sampling slice structure parameters

由于采样片需要兼具采样和被加热两种功能，在结构设计的时候需要综合考虑这两方面的因素，鉴于磁场的空间分布和采样时旋转轴附近的线速度较低，将采样片设计成圆环型的空腔结构。参考文献[20]，月壤密度范围1.6 ～ 1.9 g/cm3，在此选定1.8 g/cm3计算。考虑定量采样要求结合剖面钻外径限制，在此将采样片外径Da= 12 mm，内径da= 6 mm，高度H= 3 mm；同时为兼顾结构强度要求，采样片的封装物厚度sp=0.5 mm。根据采样需求和轻量化设计要求，采样片的结构参数汇总于表5。

表5 采样片结构参数Table 5 Sampling slice structure parameters

3 微定量采样及加热性能验证

3.1 采样性能验证试验

为验证采样片可以对不同采样工况具备定量采样性能，针对不同含水率的月壤样品开展了采样试验，采样性能测试平台如图6所示。采样片安装于连接柄的一端，另一端与夹头固连，由驱动电机带动产生回转运动。平台上方的进给电机通过链条带动平台上下移动，实现采样片的进给运动。月壤桶外壁为空心结构，倒入液氮后可使月壤保持低温状态。

图6 采样性能测试平台Fig. 6 Testing platform of sampling performance

试验中所用样本的温度–180℃，密度ρ= 1.8 g/cm3，含水率分别为0、1 、2 、5 wt%。选定采样片的回转速度和进给速度分别为60 r/min和5 mm/min。试验结果如图7所示，采样目标80 ± 5 mg，在图7中浅红色区域内。

图7 不同含水率下月壤采样量随时间变化关系Fig. 7 Relationship between sampling amount and time of different soil moisture contents

从图7中可以看出，随着采样时间增加，采样量逐渐上升，在60 s时采样速率大幅下降，120 s左右达到最大采样量；在月壤含水率0～5 wt%的范围内，月壤含水率增加，采样量减少，这是由于含水率增加使得粘结的月壤颗粒增多，颗粒团的粒径增大，对月壤进入采样片造成一定的影响。

3.2 感应加热性能仿真及验证试验

1）感应加热性能仿真

对采样片被感应加热的过程进行了多物理场仿真，探究其升温速率。根据设计状态设定仿真中所需材料参数，如表6所示。线圈功率设定85 W。

表6 加热仿真所需参数表Table 6 Parameters of simulations of heating sampler

感应加热时采样片周围的交变磁场分布如图8所示。采样片所处位置为磁感应强度的最大区域，利于在采样片上产生涡流以将其加热。

图8 加热时磁场分布图Fig. 8 Magnetic field distribution during heating process

加热180 s后采样片的温度达到1 000 ℃以上，温度分布如图9所示，可以看出，采样片的温度均匀性较好，温度极差在5 ℃以内。

图9 加热180 s后采样片温度分布Fig. 9 Temperature distribution of heated sampler after 180 s

加热过程中采样片的升温曲线如图10所示。升温速率在刚开始加热时较快，随后逐渐放缓。

图10 仿真的加热过程中采样片温度变化Fig. 10 Simulations of heating temperature of sampler

2）加热验证试验

为验证真空条件下采样片内月壤的加热效率，以感应加热的方式，开展真空环境下的微定量采样片加热性能验证试验，选用居里点950 ℃的铁钴合金作为采样片的材料。将感应线圈设计于炉体外部，采样片被加热时可以阻隔大量来自采样片的热辐射，防止感应线圈温度过高，提高线圈效率。感应加热性能试验在真空罐内开展，主要仪器和设备包含真空罐、热成像仪、感应器、驱动板、采样片及加热炉，如图11所示。在加热功率85 W的条件下，在150 s内将采样片从20 ℃加热至1 035 ℃，变化曲线如图12所示，加热温度迅速升高，之后升温速率逐渐放缓，这是由于随着温度升高，热辐射的损失越来越多，同时采样片材料的相对磁导率随温度升高而降低，导致升温速率逐渐放缓。该试验验证了通过将采样片加热，间接加热月壤以制备挥发分的方案是可行的，同时，与加热的仿真结果有较好的拟合度。

图11 真空罐内加热试验Fig. 11 Vacuum heating tests

图12 验证试验中采样片加热温度变化曲线Fig. 12 Heating temperature changes of sampler during validation experiments

4 结 论

本文设计了一种月壤微定量采样器，根据任务研制需求，对采样片与采样管的布局方式和采样片的结构进行设计，并针对低温月壤，进行了采样试验和加热性能试验。得到的结论如下：

1）验证了微定量采样片对月壤采样的可行性，月壤含水率越低，采样片的实际采样量越接近目标值，后续需要进一步优化采样片的构型以增强其多工况适应性；

2）采样时月壤的含水率越低，采样片达到饱和填充状态的速率越快；

3）以感应加热的方式加热采样片可以达到挥发分制备的功能要求。

未来将会继续聚焦于微量采样的多工况适应能力和采样速率的提升，兼顾加热方面的优化设计，降低加热所需功率，并从轻量化方向进一步降低工程代价。