月球极区水冰钻取模拟试验系统研究

于 强，王志浩*，王 超，王庆功，庞 勇，林 涛，刘宇明，田东波

（1. 北京卫星环境工程研究所； 2. 钱学森空间技术实验室； 3. 北京卫星制造厂有限公司：北京 100094；4. 上海交通大学 机械与动力工程学院，上海 200240）

0 引言

美国学者在20 世纪60 年代提出月球表面存在水冰的推测，认为在月球两极永久阴影区中可能存在冰-尘混合物。之后，围绕月球水资源的探测活动一直是月球探测的重点。1976 年，在苏联“月神24 号”（Luna 24）采样返回的月壤样品中发现了质量分数约为0.1%的水，这也是人类首次发现月球存在水的直接证据。此后，美国相继发射了“克莱门汀”（Clementine）、“月球勘探者号”（Lunar Prospector, LP）及“月球勘探轨道号”（Lunar Reconnaissance Orbiter, LRO）探测器，印度发射了“月船1 号”（Chandrayaan-1）探测器。1994 年，“克莱门汀”探测器上搭载的雷达在月球南极区域观测到反射波增强，与水冰对电磁波的反射特征相似，获得了在月球南极存在水冰的探测证据。“月船1 号”探测器上搭载的雷达在月球北极发现了拟似水冰的电磁波反射特征。“月球勘探轨道号”上搭载的雷达在沙克尔顿（Shackleton）撞击坑中观测到了拟似水冰的电磁波反射特征，经推测可能在表层月壤之下存在一定量的水冰（质量分数约为5%～10%）。“月球勘探者号”上搭载的中子探测器探测到了月球富氢区域，包括南极的数个撞击坑，与雷达探测含水冰的区域部分重合。月球陨坑观测与遥感卫星（LCROSS）上搭载的红外光谱仪对撞击溅射和挥发物进行了观测，发现其光谱特征与含水月壤近似，估算的含水量约为2.7%～8.5%（注：本文述及的含水量均为质量分数）。

获取月球极区的水冰意义重大——水及由其制备的氢、氧能够为无人及载人探测提供推进剂及生命保障物质，有利显著减少从地球发射时后勤补给物资的携带量，从而可能重塑载人深空探测的飞行模式，缩小系统规模，降低任务成本。为了获取月球极区的水资源，国外研究机构进行了多种开采方案研究，主要宇航机构也规划了相应的探测计划。美国蜜蜂自动机公司（Honeybee Robotics）设计了一款可移动的原位水资源提取装置，能够钻取和运输冻土，然后在密封舱中利用核电源加热提取，最后冷凝储存在专门的储水罐中。科罗拉多矿业学院则提出一种光热提取方案，即利用光辐射原位加热阴影区的含水土壤，使蒸发的水蒸气在星壤表层的冷阱装置中冷凝为水冰，再将水冰运送到专门的制备装置中，进而获得氢气和氧气。NASA 制定的资源勘探者任务（Resource Prospector Mission,RPM）拟搭载月壤、环境科学及氧与月球挥发物提取（Regolith & Environment Science and Oxygen and Lunar Volatile Extraction, RESOLVE）装置，用于在月球极区钻取土壤样本并加进行热分析，希望能探测到水。俄罗斯计划联合欧空局实施“月神27 号”（Luna 27）月球极区探测计划，搭载钻取装置和化学分析装置，用于获取月壤样本并进行成分分析。

我国在“探月工程”四期任务中也规划了对月球极区的探测活动，中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室等单位在国家国防科技工业局民用航天课题的支持下，采用光热钻取一体化开发利用方案，将钻杆钻取、太阳能聚光加热与水蒸气等挥发物提取进行功能集成，能够降低整体结构复杂度，提高系统工作可靠性。北京卫星环境工程研究所配合该方案开展了组件级静态加热提取试验，并针对系统级试验需求，建立了月球极区水冰钻取模拟试验系统，分析试验流程、开展初步试验。

1 试验系统设计

为了模拟月球极区水冰钻取环境，需要针对系统级的试验要求研制一套模拟试验系统，满足在真空低温环境下实施钻取模拟试验的条件。北京卫星环境工程研究所基于其既有的月尘综合环境效应模拟器，设计了水冰钻取模拟试验系统，如图1所示。

图1 水冰钻取模拟试验系统示意Fig. 1 Simulation test systemforwater ice drilling

从实验室主液氮管路引出一路，利用可调节开度的气动阀控制液氮管路中的液氮流速，通过真空容器一侧的穿真空法兰引入真空容器内部，与月壤水冰混合物容器上的密封连接阀连接；配置支撑固定工装用于支撑钻取装置、驱动装置及月壤水冰混合物容器；另外配套了2 个专用接口法兰，电机驱动电缆、控制电缆，以及温度测试电缆和冷凝液管路分别经由接口法兰连接真空容器内的驱动装置、钻取装置、温度传感器和冷凝装置（图1 中未画出）。系统设计指标如表1 所示。

表1 水冰钻取模拟试验系统主要设计指标Table 1 Main design indexes of the simulation test system for water ice drilling

2 热负荷估算

为获得较好的制冷效果，需估算月壤水冰混合物容器的热负荷，以便对液氮管路和控制装置进行针对性设计。月壤水冰混合物容器的热负荷包括真空容器热沉对月壤水冰混合物容器的辐射热负荷、混合物容器内部耗散功率所产生的热负荷以及连接支撑传导漏热。

其中：为混合物容器外表面积，取0.91m；为真空容器热沉表面积，取16.4 m；为混合物容器外表面的吸收率，取0.2；为真空容器热沉表面的吸收率，取0.2；为真空容器热沉表面的温度，取300 K；为混合物容器外表面的温度，取90 K。计算得到=79.4W。

主要由月壤水冰混合物温升引起，

其中：为月壤水冰混合物比热容，由于含水量较小，可取近似月壤比热容800 J/(kg·K)；为月壤水冰混合物密度，取2000 kg/m；为月壤水冰混合物容器有效容积，取0.03 m；d/d为单位时间温度变化值，取0.1 K/s。计算得到=4800 W。

试验系统除控制装置及部分线缆外主体位于绝热真空容器内，故只考虑月壤水冰混合物容器与支架间的热损耗，取=500 W。

最终得到混合物容器的热负荷估算值为=++=5379.4 W。设为混合物容器的总内表面积，取0.471m，则可按照

计算得到月壤水冰混合物容器的平均热流密度=11 421 W/m。

热沉所需液氮消耗量

其中：为液氮密度，供液压力为0.2 MPa 时为776.25 kg/m；为液氮的潜热，供液压力为0.2 MPa时为189.09 kJ/kg。计算得Q=2.64 m/h。再根据液氮消耗量估算液氮循环管道内径为

式中：为液氮流速，一般取1～3 m/s。计算得到的液氮管路直径取值区间为17.6～30.6 mm，最终系统设计时选择液氮管路内径为30 mm。

3 试验流程设计

由于系统级试验的重点是考查钻取及冷凝装置获取月壤/水的效能，与月壤水冰混合物的含水量（影响月壤颗粒间的接触面积和作用力）、紧实程度（密度）和硬度（受月壤水冰混合物温度影响，温度越低硬度越高)密切相关，因此试验设计中需要重点针对上述因素进行试验流程及工艺方面的设计，确保边界条件满足要求。月壤水冰钻取模拟试验流程如图2 所示。

图2 月壤水冰钻取模拟试验流程Fig. 2 Flow chart of simulation test for lunar water ice drilling

首先是配比和混合所需的模拟月壤，按照质量分数要求混合不同粒径的模拟月壤颗粒；然后按照含水量的要求向配比完成的模拟月壤中添加纯净水，在添加的过程中应当多次少量添加，每次添加完成后充分搅拌混合，以保证模拟月壤的含水较为均匀；将制备完成的模拟月壤装填在试验容器中，初次装填完成后应采用压实或振动的方式调控混合物密度，然后重复装填多次以达到预先设定的密度要求；将处理好的模拟月壤水冰混合物容器转移到真空容器内部。需要说明的是，如果不能迅速转移混合物容器，则需要对容器进行密封处理，以保证模拟月壤中所含水分不会在储存和转移过程中挥发。

试验中首先对模拟月壤进行预冷，根据水的三相图（图3），在真空条件下使水保持固态需要维持低温，且真空度越高，所需要的温度越低，因此需要在真空获取之前对模拟月壤实施液氮恒压预冷（图3 中蓝色线）；当温度达到试验要求（约200 K）时开启真空获取系统中的机械泵级罗茨泵，由于机械泵系统的真空获取能力（约为4 Pa）有限，明显高于该温度下对应的升华压力（图3 中红色线），故能够确保月壤水冰混合物容器中的水保持固态；待真空度和温度均达到试验要求后，启动钻取装置，在线记录温度、钻取深度、电极转速等参数；然后启动加热装置，以热辐射的方式在钻取区域加热含水模拟月壤，使水冰汽化，同步启动冷凝装置，使水汽在冷凝装置中液化，同时记录温度、气压等参数；待冷凝完成后，复压并打开真空容器，最后检查和称量钻取土壤参数及冷凝参数。

图3 水的三相图Fig. 3 The three-phase diagram of water

4 初步试验

利用所建立的月球极区水冰钻取模拟试验系统，对钻取及冷凝装置进行模拟试验，试验分2 个阶段进行：第1 阶段使用模拟月壤A，在真空低温条件下验证钻取系统的月壤水冰混合物钻取效能；第2 阶段使用模拟月壤B，除了在真空低温条件下验证钻取系统的钻取效能，同时还要对冷凝装置的冷凝效果进行验证和评估。试验照片如图4 所示。

图4 水冰钻取模拟试验照片Fig. 4 The simulation test for water ice drilling

对该试验系统进行调试和验证，试验系统设计指标及实际达到的技术指标如表2 所示。

表2 水冰钻取模拟试验参数Table 2 Parameters of simulation test for water ice drilling

如表2 所示，在模拟月壤含水量约为6%的条件下，混合物容器中的最低温度达到78.6 K，满足模拟试验的要求。需要指出的是，在热负荷估算中选取了较为严格的工况条件，实际使用中首先要在大气环境下进行预冷，导致容器及管路表面冷凝了一定量的水冰（参见图4(a)），造成了额外的热负荷，因此制冷时间要比预计时间更长。另外试验中使用机械泵和罗茨泵的组合已能够将真空容器内的真空度维持在数Pa 量级，在不开启低温泵和分子泵的情况下即可满足现阶段月球极区水冰钻取模拟试验的要求。

5 结束语

实施模拟月球极区环境下水冰钻取试验，能够验证产品性能、优化产品工况、暴露产品缺陷，是月球极区水冰获取工程化实现的重要环节。现有的试验系统经过改造，可以实现月球极区模拟试验的需要，初步的试验结果表明，现有的钻取和冷凝装置能够满足初步的水冰获取要求。但已实施的试验还不充分，对产品效能和工况的验证尚不全面，后续会继续开展极端温度条件下、不同含水量条件下和不同密度条件下的钻取效能，以及复杂环境下水汽冷凝机制方面的研究。

在月球极区原位利用水冰资源的工程实施难度较高，低温环境可能会对整个系统造成极为严重的影响：首先，机电设备无法在极端低温的条件下正常工作，需要消耗额外的能源进行热控；其次，极低温条件下月壤水冰混合物的高硬度对钻取装置提出了更高的要求。因此，需要充分研究钻取方案的边界条件，通过系统级的试验加以验证，再通过试验优化迭代钻取系统，使月球极区水冰钻取最终具备工程可行性。