以月球钻探为例探索地外星体钻探技术

蔡黄河　彭振斌

（中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083）

【摘　要】钻探是地学研究、资源勘探开发、城镇建设、灾害防治的重要技术手段，然而我们对于它在其他科学探索中的应用意义却不甚了解。随着科学及人类社会的发展对矿产、资源的需求，海洋钻探、极地钻探、外星钻探必将在钻探界占有举足轻重的地位，成为钻探行业人员为钻探事业发展做出更大贡献的舞台。本文以月球钻探技术为例，介绍了其任务要求，探讨了钻探过程可能遇到的难点问题，并结合有关研究总结出月球钻探的对策方案，最后针对我国月球钻探和其他地外星体钻探提出发展展望。

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关键词 地外星体钻探；月球钻探取样；矿产能源；发展展望

作者简介：蔡黄河（1994.05—），男，汉族，中南大学地球科学与信息物理学院地质工程1204班本科生。

彭振斌（1952.08—），男，汉族，硕士，中共党员，国务院政府特殊津贴获得者，现为中南大学地球科学与信息物理学院教授、博士研究生导师。

0　前言

人类社会不断发展，对矿产、能源的需求也不断增长。然而，至今我们主要依赖的能源很多是不可再生的，地球上的矿产也是有限的。为了协调需求增长与资源有限的矛盾，我们必须放眼外太空去寻求资源。

月球是地球的近邻，其所特有的矿产和能源，是对地球资源的重要补充。尤其是月球上蕴藏着丰富且易于提取的核燃料——3He，对解决人类的能源危机意义重大。因此月球已成为继公海、南极后又一个国际研究热点，也是中国人近期太空探测的目标。此外，月壤历经几十亿年空间风化，蕴涵着大量有助于研究地月自然现象的空间科学信息。月球引力小、无大气、无强磁场，是科学研究的天然实验室，适于天文观测和观测地球，还可作为深空探测的中继站。

建立永久性月球基地，开发利用月球的资源、能源和特殊环境，服务于人类社会的可持续发展，是人类突破生存瓶颈的途径。月球不属于任何国家，先利用则先获益。我国月球探测起步较晚，落后于美国和俄罗斯40年。因此，我国的月球探测任务十分紧迫。人类将在探月的基础上更深远地探测太空，了解其它行星内部的物质成分，蕴含的矿产和能源，研究行星演化规律，揭开生命起源的秘密，这些问题根本上与人类文明前途息息相关。

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，必须进行“采样”，在外星球表面或表面以下直接获取样品，其主要方法即是钻探。

1　月球钻探技术研究简介

１．１　钻探任务和要求

地外星体的钻探首先使探测器软着陆在月球、火星、小行星等地外星体，然后采用地面遥控式电动取样钻机钻探取得样品，对土壤样品进行原位分析，或将土壤样品放入返回舱返回地球，通过地面实验室的系统做进一步细致的研究。

以我国月球探测工程为例，分“不载人探月”、“载人探月”和“建立月球基地”三个阶段。第一阶段即“嫦娥工程”，可概括为“绕”、“落”、“回”三期。在实现无人探月后，“嫦娥工程”三期的核心任务是实现月面采样与返回，即着陆器登陆月球后，以表取方式获得月表松散月壤和月岩样品，通过钻取方式获得月表以下样品并返回。

月壤钻探取样返回任务要综合考虑样品的转送、固定、密封、回收等动作环节。此外，还应保证：①取样数量，即保证长度采取率和容积采取率；②取样质量，即尽量不破坏月壤结构；③能够自动送入返回仓。

外星球上钻探采样条件特殊，为适应其环境条件（真空、高温或低温、失重）、较小的工作平台，相应地对钻探取样装置的体积、重量、能耗的大小就有着特殊的要求。在钻头、钻具、钻进方法设计上要求协调于钻进条件，且要保证钻进器具的适应性。

1.2　钻探遇到的难点问题

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一些关键性问题：

（1）首要问题是如何解决钻探取样的能源；

（2）月壤的物理性能、力学性能指标不同于地球，应考虑地面上的钻头结构是否适用于进行月球钻探；

（3）运载工具的搭载能力有限，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；

（4）月球钻探取样设备可动部件的润滑问题，地面上所用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；

（5）月球表面没有空气和水，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；

（6）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，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；

（7）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；

（8）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；

（9）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；

（10）在钻得所需样品后，如何保证样品完整不受损地载入月球返回车并能安全返回地面。

１．３　钻探技术的对策方法

针对月球钻探可能遇到的难点问题，半个多世纪以来，国内外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，为地外星体钻探提供了理论指导。基于目前科技水平，在月球钻探中，我们通过以下方法确保钻探取样工作的顺利进行：

（1）用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。

（2）设计运载能力更强的运载工具

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。

（3）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。

（4）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(或月壤)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，在空心中灌注柴油或其它冰点极低的流体，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。

（5）采用振动回转钻进工艺

月面重力仅为地球1/6，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。

（6）针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。

（7）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。

（8）将取样钻机和月球车设计成子母车

参考日本宇航中心子母月球车的设计思路，把取样钻机设计成月球车的子车。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。

２　地外星体钻探技术的发展展望

２．１　国内外地外星体钻探的历史现状

早在1969~1976年，美、苏就先后在月球上完成了钻探取样并返回的壮举。2005年，美国的“勇气”号、“机遇”号又登上了火星，自动钻成了深2.7mm、直径45mm的人类火星第一钻。美国“阿波罗11号”在1969年7月20日首次实现载人登月，实现了对月壤月岩的取样。前苏联共发射了47个无人月球探测器，也成功地进行了硬着陆、软着陆和月面探测。

这些外星钻探和月球钻探取样虽然很成功，但仍存在着一些不足之处：①航天器对月表钻机自重的严格限制；②月表钻机对功率消耗有严格限制；③无人登月的遥控钻探取样所采集的月壤样品数量较少。

近年“月球热”重新升温，中国也将在探月工程中实施无人月球土壤取样与返回任务。随着科技日新月异地发展，人类在对月球或其他地外星体进行探测时，将在上世纪的技术基础上采用更多的自动化技术，月球钻探及其他地外星体钻探技术将得到新的发展。

2.2　我国月球钻探的发展设想

我国探月工程的最终目标是在月球上建立永久考察站，开采月面的可用矿藏，并在未来进行更深入和广泛的深空探测。

我国的月球钻探发展设想应充分考虑我国月球探测技术起步较晚，滞后美苏40多年的情况，但是目前各种技术的应用水平已远超过美、苏最初时的水平，因此我们可以借鉴先前经验，不必做完全重复性的工作，应有适当高度的起点。

总的来说，我国月球钻探有以下五点思路原则：

（1）以美、苏月球钻探经验为基础，在现有技术、经济条件下，研制更为简单可靠的月球钻探机构，获得数量更多、质量更好的月壤样品以满足月球科学研究的需求；

（2）借鉴保留美、苏月球钻探机构的结构优点，在现有条件下以其为基础进行创新，设计出更符合我国月球探测要求的机械设备；

（3）以史为鉴，克服美、苏月球钻探方案的缺点。分析先前工作的不足之处，从而改进我国的月球钻探技术，设计出更优化、更经济、更高效的方案；

（4）具体至钻头钻具的设计，应当以保证采取率为第一原则，为了取回更多的深部月球样品，月球钻探需要与月球探测工程中的其他机构的设计思路相协调，如：考虑把钻头、钻杆等留在月壤内，只带回样品内管，这样减轻了返回舱负担，可以携带更多样品；

（5）月球钻探工程必须贯彻“技术上可实现，经济上可承受，代表国家水平”的“嫦娥3期”工程指导思想，在制定钻探技术方案的过程中必须优先保证其可靠性与经济性，在广泛借鉴别国经验的基础上实现自主创新；

（6）在发展月球钻探的同时，着手对其他地外星体（火星等）钻探的研究，月球钻探的实践将为我们提供更可靠的经验用于更深广的外太空探索。

３　结语

月球探测全面体现一个国家综合国力和科技水平，对提高中国的国际地位，增强民族凝聚力具有重要意义。月球上的矿产能源更是极其重要的资源。月球探测离不开月球表面的钻探取样，实现月球钻探是钻探工作人员的责任，更是钻探行业的荣誉。随着社会发展需要，月球钻探及其他地外星体钻探技术必将成为继海洋钻探和极地钻探后钻探技术发展的又一个热点、重点。

至于在其他地外星体钻探，原则上可利用借鉴月球钻探的经验，相比而言，还较为遥远。当前，国内钻探界要足够重视“嫦娥工程”月球钻探取样工作，拿出并改进研究成果，在这样一类的国家重大工程中发挥钻探行业的作用。广大相关技术人员要抓紧作好研究工作，配合其他相关任务单位，合作完成我国登月钻探取样的壮举，为国家和钻探事业的发展做出贡献。

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［责任编辑：杨玉洁］