“白云说隧”之漫说月球隧道气动开挖法

自古以来，人们就对月球寄予了真情期望的遐想和充满诗意的赞美。古代，人们只能通过肉眼观察以及自己的想象来满足对月球的好奇心，因此诞生了“吴刚折桂“这样的美妙神话。自20世纪50年代开始，人类已经开始了对月球的空间探测，直到1969年美国阿波罗11号实现载人登月的梦想，人类开始利用科学方法对这一古老的天体进行研究。

月球探测的意义主要有以下几点：

1)为下一步进行深空探测提供了一个跳板。随着技术的不断成熟，可以在月球基地上建设空间转运站与发射场。2)可以在月球上建造庞大的“太空实验室”，开展一系列天文学、空间科学、近代物理学、生物工程学等的研究，研制和生产一系列特殊生物制品与特殊材料。3)可以利用月球丰富的矿产资源和能源。已探明在月壤中含有丰富的氦-3，利用氦-3进行核聚变具有反应能量大、污染较低等优点。月海玄武岩中还含有大量的钛、铁等资源。

随着嫦娥五号探测器的成功返回，探月工程取得了重大进展，未来的目标是建立有人值守的月球基地。由于月表没有大气层的保护，会受到陨石撞击，而且没有白昼黑夜；因此，地下空间将是月球基地的最佳选择。然而，采用地球上常规的挖隧道方法建立月球基地，不仅困难重重，而且不是合适的方法。

首先是运输问题。动辄几t、甚至数十t的施工设备运输到月球，对现在的技术水平来说，几乎不可能；即使将设备拆成零件，也会存在高昂的运输成本。

其次是月壤的高度磨损性。月壤颗粒在放大数倍之后，棱角分明。如果施工设备在这样的环境下工作，设备损耗会非常大，从而带来在月球环境维护设备以正常施工的难题。在地球上开挖隧道可以用炸药爆破，但在月球缺氧的环境下，化学爆炸是无法实现的。

鉴于上述原因，提出了采用压缩空气进行月壤开挖的新方法。

气动开挖这一理念最早由Schaefer、Zacny等提出。该方法表述为压缩气体进入真空环境时快速膨胀，气体分子与月壤颗粒相互碰撞，会产生炸药爆炸的效果，气体分子的动能转化为月壤颗粒的动能；月壤颗粒将获得很高的速度，可以随气体经挖掘管运动到指定位置。该方法巧妙地利用了月球的高真空环境、月壤的无水导致的粉状特性和低重力以及火箭自带压缩气体的便利，因此不仅清洁、高效，而且没有运转复杂的机械设备，十分有利于月表环境的月壤开挖。

笔者研究团队早在10年前，应用气动开挖的理念研发了整套试验设备，用于模拟高真空环境下的气动法月壤采集。提出了气质体量效率的概念，即单位质量的压缩气体所能挖掘到的月壤质量，用于衡量压缩气体的挖掘效率。通过对挖掘管的姿态研究，即挖掘管插入月壤深度对气体质量效率的影响，发现挖掘管的插入深度和气体质量效率呈线性相关，挖掘管插入月壤深度越深，气体质量效率越高。通过研究压缩气体气压值与气体质量效率的关系，发现存在“最优压缩气体气压值”，即在同等条件下，在该气压值下单位压缩气体所能挖掘到的月壤是最多的。相关研究成果可以在知网上搜索《JSC-1A模拟月壤气动开挖试验研究》进行了解。

该研究获得了教育部高等学校博士学科点专项科研基金、长江学者和创新团队发展计划的资助，根据其研究成果提出的《基于气动法的月壤无人取样装置》获得了国防科工局举办的月球探测载荷创意设计征集活动“二等奖”。未来，希望我国航天事业的同行在笔者团队研究的基础上，继续对月表地下营地建设、月壤采集及开挖装置等方面开展研究，确保我国在探月工程领域走在世界的前列。