月球鉆探取樣技術(shù)研究進(jìn)展

李謙，高輝，謝蘭蘭，譚松成，段隆臣*

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059；2.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

深空探測技術(shù)的發(fā)展是國家技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)，對相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域也存在著巨大的引領(lǐng)和驅(qū)動作用。作為距離地球最近的星體，月球是各國在深空探測領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略性搶占的首選試驗場。近年來，多國結(jié)合20世紀(jì)50-70年代美蘇對月球探測的經(jīng)驗教訓(xùn)，開展了相關(guān)的月球探測計劃。其中，2004年是一個重要時間節(jié)點，中國、美國、俄羅斯和歐洲航天局都在同一年提出了各自的月球探測計劃。中國于2004年啟動“嫦娥工程”月球探測計劃，并將其分為“繞-落-回”三個階段，于2020年11月24日發(fā)射的“嫦娥5號”月球探測器，實現(xiàn)了月面無人采樣，同步完成深層鉆取和淺層表取2項取樣任務(wù)，并于12月17日攜帶1731 g樣品成功返回［1-2］。就國外而言，美國于2004年提出“新太空探索計劃”，計劃在2015-2020年重現(xiàn)載人登月，實現(xiàn)在月球表面建立有人居住的月球基地，并在2030年前把航天員送上火星；同年，俄羅斯提出新的“全月球”探測計劃，目標(biāo)是在2010年之前向月球發(fā)射繞月衛(wèi)星，并最終于2025年前實現(xiàn)載人登月；歐洲航天局也在同一年提出要在2020年之前進(jìn)行系統(tǒng)的機器人探測月球計劃，并在2030年實現(xiàn)建立月球基地的目標(biāo)。日本在2006年提出在月球表面建立“太空港灣”的探測計劃，旨在開發(fā)月球表面的礦產(chǎn)資源和能源資源。印度于2008年10月發(fā)射了其第一個月球探測器“月船1號”，對月表形貌和月表礦物資源進(jìn)行了系統(tǒng)探測［3-7］。由此可見，月球探測不會止步于環(huán)繞衛(wèi)星遙測，或月面著陸采樣分析，而是會更進(jìn)一步地建立月球基地，甚至?xí)菍崿F(xiàn)大規(guī)模的月球資源勘探開發(fā)和利用。

“嫦娥5號”的成功實施，使中國成為繼美國Apollo計劃和前蘇聯(lián)Luna計劃后成功實現(xiàn)了月球鉆探采樣的第三個國家?，F(xiàn)階段，對月球樣品的分析是當(dāng)前月球探測計劃的主要目標(biāo)之一。月球樣品不僅包含月殼內(nèi)部構(gòu)造、演化歷史等相關(guān)地質(zhì)信息，也包含太陽系早期演化歷史、太陽風(fēng)性質(zhì)與輻射特征、隕石撞擊記錄等領(lǐng)域的重要信息。對樣品中這些相互交織的信息進(jìn)行解讀，是對月球、地球乃至太陽系研究的一項重大挑戰(zhàn)和突破。就月球樣品而言，廣義上可分為3大類：堅硬固體類（月巖）、松散可變形類（月壤）、氣態(tài)類（月塵）［8］。考慮到月壤是月巖以機械破碎的方式而形成，而月塵則是專指月球低重力的條件下極易漂浮，粒徑＜20 μm的月壤顆粒，因此月壤在一定程度上可視為同時包含了月巖和月塵的信息，也可認(rèn)為月球取樣的主要目標(biāo)在于月壤。從科學(xué)角度看，月壤是固體月球與填充太陽系的物質(zhì)和能量之間的實際邊界層，能為地月起源、太陽系相關(guān)研究等方面提供豐富的信息［9］。從資源角度上看，月壤富含豐富的礦物資源，包括超過1500萬億t的鈦鐵礦、硅酸鹽、克里普巖（月球獨有礦物，富含鉀、磷和稀土元素）和超過100～500萬t的氦-3資源［10］。從可持續(xù)研究發(fā)展的角度看，月壤的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物資源儲量以及特殊的環(huán)境資源（真空、低重力、輻射、磁場等）等信息也是為后期月球基地建設(shè)、深空探測活動奠定了重要的資源保證。

但值得注意的是，僅憑月球表面樣品無法獲取足夠豐富的信息，同時考慮到取樣過程中對月球表面樣品的潛在污染，故數(shù)十甚至百米深度以深的實物地質(zhì)樣品對月球探測任務(wù)不可或缺。為了有效保留樣品層理性等更多信息，鉆進(jìn)技術(shù)是目前獲取地下實物樣品唯一有效的采樣方式［11-12］?；诂F(xiàn)有的相關(guān)資料，美國Apollo系列任務(wù)載人登月，宇航員實地采樣381.7 kg，最深達(dá)3050 mm，而前蘇聯(lián)Luna系列任務(wù)無人值守，設(shè)備自動采樣321 g，最深僅350 mm。美蘇在采樣質(zhì)量和深度上的巨大差異，主要是由于前蘇聯(lián)的自動鉆進(jìn)設(shè)備對月壤性質(zhì)的錯誤判斷，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生機械故障而被迫終止采樣。有研究指出，不僅是前蘇聯(lián)Luna任務(wù)中，在美國Apollo任務(wù)中甚至后續(xù)的火星、金星和小行星采樣過程中，均出現(xiàn)過由于對行星地層特征的誤判引起的無法達(dá)到預(yù)計鉆進(jìn)深度和卡鉆等問題，從而無法實現(xiàn)取心的目的［13］。由此可見，現(xiàn)有技術(shù)儲備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)月球鉆探動作，但月球環(huán)境的影響，月壤（月巖）性質(zhì)的準(zhǔn)確預(yù)判，以及月壤（月巖）與鉆探設(shè)備、規(guī)程參數(shù)的相互耦合均與地球環(huán)境下的傳統(tǒng)鉆探工藝截然不同，因此不能套用地球環(huán)境的鉆探經(jīng)驗直接對月球鉆探的效率、能耗、壽命等因素進(jìn)行直接判斷分析，而是需要對其進(jìn)行有針對性的特殊設(shè)計。為此，本文對當(dāng)前月球鉆探的研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研與分析。

1 月球鉆探對象與環(huán)境

1.1 月壤的物理力學(xué)性能

了解地層結(jié)構(gòu)是鉆探任務(wù)設(shè)計的首要參考。對于月球地層結(jié)構(gòu)，目前的學(xué)界共識是在月球表面覆蓋有平均厚度為4～15 m的松散月壤［9］，其下才是堅硬月巖。綜合目前美國Apollo任務(wù)、前蘇聯(lián)Luna任務(wù)與中國“嫦娥”任務(wù)，當(dāng)前的取樣深度均未超過該范圍，故月壤可視為當(dāng)前月球鉆探任務(wù)的主要對象。相較而言，起源于月球極端環(huán)境條件下的月壤會為鉆進(jìn)帶來極大的困難。與地球土壤在空氣、水和生物共同風(fēng)化作用下的形成過程完全不同，月壤是在隕石撞擊、火山爆發(fā)、懸殊的晝夜溫差等條件下由純機械破碎產(chǎn)生，造就了與地球土壤截然不同的物理力學(xué)性質(zhì)。例如，月壤在采樣過程中極易被擾動，且擾動后會引起物理力學(xué)性質(zhì)的明顯變化。相關(guān)試驗證明，在800 mm深度范圍內(nèi)，月壤僅在自重的作用下就能產(chǎn)生近40%的相對密度差［9］。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）研究表明，若無視模擬月壤因擾動產(chǎn)生的變化，而是將其性質(zhì)定義為常量，則理論挖取扭矩計算結(jié)果與實測結(jié)果之間的誤差值在30%～85%之間波動［14］；美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)也通過試驗證明，采用月壤性質(zhì)恒定的7種常規(guī)機-土耦合切削土力學(xué)模型計算反力曲線與模擬月壤實測值均不相符［15］。由此可見，月壤的物理力學(xué)性質(zhì)是月球鉆探相關(guān)任務(wù)的主要影響因素之一。

各國研究人員對美國和前蘇聯(lián)所采真實月壤進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析與研究，從礦物成分至物理力學(xué)性能等各個方面均取得了翔實的研究成果［9，16-17］。其中部分對月球鉆探影響較大的物理力學(xué)性能如表1所示。由表1可知，月壤物理力學(xué)性質(zhì)與地球土壤存在顯著的區(qū)別，其中較高的孔隙度和較大的相對密度、壓縮系數(shù)與承載力變化范圍也證明月壤存在易擾動的特征。

表1 影響鉆進(jìn)效率的月壤物理力學(xué)性質(zhì)[9,16-20]Table 1 The physical and mechanical properties of lunar soil affecting drilling performance

圖1 來自Apollo 16任務(wù)的74個真實月壤顆粒樣品形態(tài)[19]Fig.1 74 real lunar soil particle samples from Apollo 16

圖2 典型月壤顆粒粘結(jié)物形態(tài)[9]Fig.2 Morphology of typical lunar soil granule

1.2 模擬月壤的研發(fā)進(jìn)展

由于真實月壤數(shù)量極其稀少（中美蘇合計不足385 kg），不能滿足各國針對月球探測的大規(guī)模研發(fā)需求，模擬月壤的研發(fā)不可避免。受采樣位置限制，真實月壤特征參數(shù)較為離散，沒有明顯的規(guī)律性，因此各國的模擬月壤研發(fā)分為兩個方向：一是特定功能性月壤，即僅針對某些特定物理力學(xué)性質(zhì)的模擬，二是通用型模擬月壤，即對特定區(qū)域的真實月壤進(jìn)行所有化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)的全面模擬。這兩個方向不分優(yōu)劣，在特定的條件下均能滿足相關(guān)任務(wù)研發(fā)需求。如表2所示，目前常見的模擬月壤主要來自8個國家共38種，其中絕大多數(shù)由美國和中國研發(fā)（合計29種）。

將表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計如圖3～4所示。從各國研發(fā)分布（圖3）所示，各國對模擬月壤的研發(fā)爆發(fā)于2004年（在此之前僅有美日合計6種模擬月壤），正是同年各國掀開了對月球探測的第二次高潮。中國雖起步稍晚（2007年），得益于“嫦娥”計劃的推動，研究增速非常迅猛，目前研究總量僅次于美國。對模擬月壤的研究熱情體現(xiàn)了各國對月球探測的重視。從各國研發(fā)模擬月壤的功能劃分（圖4）所示，各國在通用型月壤與特定功能型月壤的研發(fā)上幾乎投入了相同的研發(fā)精力。

表2 目前常見模擬月壤[21-29]Table 2 The research and development of common lunar soil simulant at present

圖3 模擬月壤研發(fā)國家分布Fig.3 Research and development distribution of lunar soil simulant in various countries

圖4 模擬月壤的研發(fā)功能劃分Fig.4 Functional division of lunar soil simulant developed by various countries

1.3 月球鉆探的環(huán)境與挑戰(zhàn)

月球鉆探過程中，首先需要面對的就是相比地球更極端的采樣環(huán)境，如表3所示。月球環(huán)境會極大地限制采樣設(shè)備的工作效率，因此高效的采樣設(shè)備研發(fā)一定是建立在對采樣環(huán)境有足夠了解的基礎(chǔ)之上。相關(guān)資料顯示，月球鉆探過程中出現(xiàn)故障的概率較大。在美國Apollo 15任務(wù)中就出現(xiàn)過包括：（1）無法達(dá)到預(yù)計的鉆探深度；（2）鉆桿與動力頭或鉆桿與鉆桿之間的卸扣較為困難；（3）鉆柱接頭損壞；（4）孔內(nèi)提鉆較為困難等問題。而前蘇聯(lián)Luna系列任務(wù)更是出現(xiàn)機械故障，導(dǎo)致鉆探采樣任務(wù)被迫提前終止［13］。

表3 地月環(huán)境對比[30]Table 3 Environment comparison between earth and moon

基于表3所示的地月環(huán)境對比，月球極端環(huán)境下對鉆進(jìn)可能帶來的影響至少包括以下幾個方面：

（1）有限的動力、能源和質(zhì)量大小［31］：月球探測代價極其昂貴，發(fā)射一枚衛(wèi)星進(jìn)入軌道就需要耗資過百萬美元。探測器的質(zhì)量大小將嚴(yán)格受限，因此必須使用輕型高強度金屬，必須使用太陽能板提供能量，同時鉆進(jìn)功率消耗嚴(yán)格受限，鉆進(jìn)技術(shù)必須采用低功率模式；同時由于探測器空間受限，采樣器在途中必須折疊，因此動力傳輸模式還需要考慮機具折疊的影響。

（2）惡劣的環(huán)境條件［31-32］：低重力條件下，登陸車或著陸器自身的輕質(zhì)量會限制作用在鉆頭上的最大鉆壓；低溫環(huán)境要求材料不會產(chǎn)生脆性變化，懸殊的晝夜溫差則要求材料有穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)，從而對鉆進(jìn)機構(gòu)的制造材料提出了較高要求；低壓和真空的環(huán)境條件同時限制了熱量散發(fā)，在沒有冷卻介質(zhì)下容易造成鉆頭局部熱量過高。

（3）地質(zhì)條件的多樣性和不確定性［31，33］：月球鉆探的前提之一在于了解其地質(zhì)結(jié)構(gòu)；而探測器著陸點的選擇與實際著陸時的可能偏差，令地質(zhì)信息更難以預(yù)測。同時，即使在已知區(qū)域著陸或鉆進(jìn)時，不同深度的樣品地質(zhì)條件都可能存在很大的不同。鉆進(jìn)效率同時還可能受到樣品力學(xué)性能、熱物理性能、化學(xué)和礦物性能等影響。

（4）通信延遲［31，34］：通信延遲是決定行星采樣自動化級別的最重要因素。當(dāng)出現(xiàn)通信中斷或延遲時，采樣器必須高度自治，從而要求自動鉆進(jìn)設(shè)備具備強大的故障檢測和恢復(fù)功能。

2 月球（行星）鉆探機具

2.1 月球（行星）鉆探機具概況

基于對各國已實施和計劃中鉆進(jìn)采樣設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，月球（行星）鉆進(jìn)采樣主要包含如圖5所示5種不同鉆進(jìn)取樣方式，包括：

（1）直接使用螺旋鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，樣品通過螺旋葉片傳輸至地表進(jìn)行取樣（圖5a）。

（2）使用外螺旋內(nèi)中空鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆桿外壁螺旋葉片排除鉆渣，月壤直接進(jìn)入鉆桿內(nèi)中空進(jìn)行采樣（圖5b）。

（3）使用雙層結(jié)構(gòu)，外部使用硬質(zhì)螺旋鉆桿結(jié)合鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)并排除鉆渣，內(nèi)部使用軟袋保護(hù)采集樣品，隨鉆進(jìn)深度的增加提拉軟袋對樣品進(jìn)行保護(hù)（圖5c）。

（4）使用雙層結(jié)構(gòu)，外部使用硬質(zhì)螺旋鉆桿結(jié)合鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)并排除鉆渣，內(nèi)部使用硬管，在鉆進(jìn)深度到位后內(nèi)部硬管伸出，壓取樣品（圖5d）。

（5）鼴鼠式鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，使用小型機器人結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)前端存在微型螺旋葉片，后端接入連接導(dǎo)線，完成初始設(shè)定后自動鉆進(jìn)至指定位置進(jìn)行微量采樣（圖5e）。

圖5 常見的行星采樣鉆探機具類型[31,35]Fig.5 Typical types of planetary drilling structure

基于對5種不同鉆進(jìn)取樣方式的統(tǒng)計，從結(jié)構(gòu)原理上看（圖6），自1969年首次月球采樣至今，外螺旋內(nèi)中空取心方式一直是各國行星鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)重點。對比之下，外螺旋內(nèi)中空軟袋取心和內(nèi)中空硬管取心的鉆進(jìn)方式的研發(fā)源于對采樣樣品提供額外保護(hù)，降低采樣擾動。但因其結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，潛在故障率高是不可忽視的缺點。除此以外，鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備值得關(guān)注，因其極大地降低了對功耗和質(zhì)量的需求，近年來研究熱度逐漸增加。但無法穿越硬巖和取心量過少是目前鼴鼠式鉆進(jìn)需要解決的主要問題［20］。外螺旋采取巖屑的鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)相對較晚（始于2004年），因其相對較低的鉆進(jìn)功耗與較高的采樣效率也獲得了一定的關(guān)注。但外螺旋采取巖屑的取樣方式會對樣品產(chǎn)生較大的擾動，對采集樣品中包含的層理性等信息會產(chǎn)生影響。

從國家和地區(qū)的發(fā)展趨勢上看（圖7），美國、前蘇聯(lián)、中國和歐盟是4個主要的行星采樣鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)國家和地區(qū)。美國一直是研發(fā)主力，近年研發(fā)設(shè)備量緩慢增加；前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代左右具有類似美國的研發(fā)水平，但進(jìn)入90年代后未見后續(xù)報道；中國采樣設(shè)備量自2009年首次報道［36］后迅速增加，原型樣機增長速率遠(yuǎn)超美國；歐盟雖然起步較早（1995年），但2007年后整機的研發(fā)陷入停滯。

圖6 不同原理的行星鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)趨勢Fig.6 Development trends of planetary drilling equipment with different principles

圖7 不同國家的行星鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)趨勢Fig.7 Development trends of planetary drilling equipment in different countries

2.2 不同結(jié)構(gòu)形式的典型鉆進(jìn)采樣機具

2.2.1 外螺旋直接采樣式機具

自2007年首次出現(xiàn)至今，據(jù)不完全統(tǒng)計，有6個探測器（含已發(fā)射和研發(fā)中）攜帶有外螺旋直接采樣式的鉆具，包括：

（1）2007年美國NASA發(fā)射的火星Phoenix探測器（圖8a），其上攜帶了用以鉆取含冰樣品的ISAD（Icy Soil Acquisition Device）設(shè)備，該設(shè)備由彈簧提供鉆壓，帶沖擊裝置，帶2塊346 W電池，350 kg的平臺能夠提供最大1300 N的推力［37］。

（2）2009年，Honeybee公司設(shè)計的CRUX型采樣器（圖9a），通過不同的執(zhí)行器可分別實現(xiàn)單沖擊、單回轉(zhuǎn)和沖擊回轉(zhuǎn)，設(shè)計鉆孔直徑1.5 in（38.1 mm），鉆進(jìn)深度1.3 m，平均鉆壓453 N，平均鉆速0.35 mm/s，平均功率150 W［38］。

（3）2011年美國NASA發(fā)射的火星Curiosity火星車（圖8b），其上攜帶了螺旋鉆孔采集巖粉的設(shè)備，設(shè)計最大鉆壓240 N，實際作用在巖石上的鉆壓最大可達(dá)230 MPa，鉆孔直徑16 mm，鉆進(jìn)孔深50 mm，取心深度40 mm（前15 mm未采?。?9-40］。

（4）2013年Honeybee公司為火星冰層鉆進(jìn)設(shè)計的Icebreaker鉆具（圖9b），包含回轉(zhuǎn)和沖擊2種鉆進(jìn)方式，具有自動鉆探和故障恢復(fù)功能，整機質(zhì)量32 kg，包含一個三自由度機械臂，其中帶沖擊功能的頂驅(qū)能夠為鉆柱提供最大200 N鉆壓，鉆進(jìn)過程中將鉆壓限制為最大100 N；攜帶長1.2 m、外徑25 mm的外螺旋鉆柱。同時鉆頭集成溫度傳感器，溫度超過一定值后自動降低或停止鉆速，防止冰層融化［41-42］。

（5）2013年Honeybee公司設(shè)計的LITA整機式鉆進(jìn)系統(tǒng)（圖9c），將Icebreaker鉆具進(jìn)行了輕量化，設(shè)計鉆進(jìn)深度0.5～1 m，降低質(zhì)量至9 kg，設(shè)計能耗低于100 W，鉆壓＜100 N［43］。

（6）2014年Honeybee公司推出的高功率整機式鉆進(jìn)系統(tǒng)LPD，整機12 kg，分為沖擊、螺旋鉆桿、鉆進(jìn)、部署4個主要部分，其中螺旋鉆桿可承受200 r/min、10 N·m扭矩；沖擊機構(gòu)可實現(xiàn)功率150 W、沖擊功2.6 J/擊和1600擊/min的沖擊頻率；整機則可實現(xiàn)500 N高鉆壓［44］。

圖8 美國NASA鉆進(jìn)機具[37,39-40]Fig.8 Drilling equipment developed by NASA

圖9 Honeybee公司的鉆進(jìn)機具[38,41-43]Fig.9 Drilling equipment developed by Honeybee

2.2.2 外螺旋內(nèi)中空取心式機具

外螺旋內(nèi)中空取心式機具是最常規(guī)的月球（行星）鉆進(jìn)取樣方式，在美國Apollo計劃和前蘇聯(lián)Luna計劃中就有使用這種方式。據(jù)不完全統(tǒng)計，前后有十余種（含已使用與研發(fā)中）設(shè)備采用這種形式，歸納如下：

（1）1970-1972年蘇聯(lián)Luna16、Luna20系列任務(wù)（圖10）：臂式鉆機，鉆具質(zhì)量13.6 kg，尺寸690 mm×290 mm，設(shè)計最大鉆進(jìn)功率140 W，設(shè)計轉(zhuǎn)速500 r/min，平均鉆速80～240 mm/min，取心直徑26 mm，估算能耗42～54 kJ/350 mm，估算扭矩0.2～0.3 N·m。實際鉆進(jìn)中Luna16用時7 min鉆進(jìn)350 mm，獲取101 g月壤樣品，Luna 20計劃用時30 min鉆進(jìn)至350 mm深度，但鉆進(jìn)250 mm后被堅硬材料擋住，后續(xù)鉆進(jìn)7 min內(nèi)三度過熱中止鉆進(jìn)，獲取55 g月巖樣品［13］。

1971-1972年 美 國Apollo15、Apollo16、Apollo17系列任務(wù)（圖11），宇航員使用電池驅(qū)動的手持式鉆機進(jìn)行鉆進(jìn)，其中鉆頭帶沖擊回轉(zhuǎn)功能，轉(zhuǎn)速280 r/min，沖擊功4.4 J/擊，沖擊頻率2270次/min，能穿透孔隙率約為40%的巖石。不含鉆柱和外包的情況下整機重13.4 kg，尺寸577 mm×244 mm×178 mm，電機功率24 V DC×19 A=456 W，最長連續(xù)鉆進(jìn)時間15 min。實際鉆進(jìn)效果Apollo 15任務(wù)鉆進(jìn)深度2360±10 mm，獲取樣品1343.5 g分裝在6個獨立的取心管內(nèi)。Apollo 16任務(wù)鉆進(jìn)2240±30 mm，獲取樣品1007.6 g分裝在7個獨立的取心管內(nèi)。Apollo17任務(wù)鉆進(jìn)3050±10 mm（截至目前最深），獲取1772.5 g樣品分裝在9個獨立的取心管內(nèi)［13，20，45］。

圖10 Luna16、24任務(wù)的鉆進(jìn)機構(gòu)[13]Fig.10 Drilling structure used in Luna16、24

（2）1978-1984年前蘇聯(lián)針對金星發(fā)射的采樣器上攜帶的GZU drill設(shè)備（圖12），攜帶氣囊使用氣壓驅(qū)動，能夠以最大90 W的功率鉆進(jìn)30 mm，由一個馬達(dá)同時為回轉(zhuǎn)和給進(jìn)供電。能夠用200 s時間采樣1～6 cm3?？傊?6.2 kg，大約0.5 m高［13］。

（3）1980年美國研發(fā)的CDS（Core Drill System）系統(tǒng)，整機質(zhì)量41.2 kg，尺寸1765 mm×142 mm×140 mm，能耗236 W，設(shè)計鉆進(jìn)1 m，鉆速500 mm/min（土體），50 mm/min（巖石），樣品直徑19 mm，需要能量65 kJ/m樣品，計算能效2.28 kJ/cm3［13］。

（4）1995年歐洲航天局針對彗星取樣研發(fā)的Corer Tool和Surface Tool，其中Corer Tool設(shè)計直徑100 mm，長度1400 mm，Surface Tool設(shè)計直徑150 mm，長度600 mm［13］。

（5）2002年意大利宇航局研發(fā)的Dee Dri設(shè)備（圖13），使用多桿組接式結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)鉆進(jìn)，整機高540 mm，鉆孔直徑35 mm，多桿組接可達(dá)2.5 m，取心方式為先鉆進(jìn)至設(shè)定深度，后采取巖心，設(shè)計取心直徑14 mm，長度25 mm［13］。

（6）2003年Honeybee公司針對火星鉆進(jìn)設(shè)計的Mini-Corer系統(tǒng)（圖14），可以取兩段心，分別長25 mm，直徑8 mm，尺寸150 mm×100 mm×300 mm，質(zhì)量2.7 kg，經(jīng)測試6 min鉆進(jìn)25 mm消耗能量36 kJ，功率10 W；取心時通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)管剪切巖心進(jìn)行采樣［13，46］。

（7）2005年歐洲航天局針對火星鉆探研發(fā)的原型樣機MRoSA2（圖15），主要開發(fā)理念為：整合在采樣車上能移動的鉆進(jìn)系統(tǒng)，整機包括一個采樣車，一個目標(biāo)深度為2 m的鉆進(jìn)系統(tǒng)，一個樣品存儲系統(tǒng)，一個平臺和樣品分離模塊。整機400 mm長，16 kg重，其中主要鉆進(jìn)模塊為DSS（Drilling and Sampling Subsystem）。該模塊鉆探尺寸嚴(yán)格限制為110 mm×110 mm×350 mm，質(zhì)量限制為5 kg；通過10根鉆桿組接可達(dá)2 m深度，鉆桿以旋轉(zhuǎn)盤安裝在箱體內(nèi)部，鉆桿內(nèi)徑13 mm，外徑15 mm；擬鉆孔直徑17 mm，獲取10 mm直徑和20 mm長巖心，使用硬質(zhì)合金鉆頭，純回轉(zhuǎn)功率6 W，以30 N鉆壓足夠在沙子和軟質(zhì)石灰?guī)r中進(jìn)行鉆進(jìn)，硬巖中鉆進(jìn)時需要增加40～60 W額外功率進(jìn)行沖擊［13］。

圖11 Apollo15～17系列任務(wù)使用的鉆進(jìn)機具[13,20,45]Fig.11 Drilling structure used in Apollo 15～17

圖12 GZU drill設(shè)備結(jié)構(gòu)[13]Fig.12 GZU drill structure

圖13 Dee Dri設(shè)備示意[13]Fig.13 Schematic of Dee Dri device

圖14 Mini-Corer系統(tǒng)[13,46]Fig.14 The Mini-Corer system

圖15 MRoSA2樣機[13]Fig.15 MRoSA2 prototype

（8）2008年美國NASA針對火星研發(fā)的MARTE試驗系統(tǒng)（圖16），整機尺寸2.1 m×0.58 m×0.77 m，質(zhì)量55 kg，平均功率150 W，最大功率200 W，含1.5 m長的導(dǎo)桿和10根1 m長的鉆柱，能夠提供2670 N鉆壓，以最大150 r/min的轉(zhuǎn)速和23.73 N·m的扭矩進(jìn)行鉆進(jìn)，設(shè)計獲取長250 mm、直徑27 mm的巖心樣品［47-48］。

圖16 MARTE試驗系統(tǒng)[47-48]Fig.16 MARTE test system

（9）2009年中國北京航空航天大學(xué)研發(fā)了MRDD取樣樣機（圖17），仍然采用多桿組接式實現(xiàn)深部鉆探，但其換桿和下鉆機構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常高效和獨特［36］。

（10）2014年Honeybee公司為Mars2020計劃研發(fā)的MicroDrill設(shè)備設(shè)計了雙層管取樣設(shè)備（圖18），取樣時偏心內(nèi)管旋轉(zhuǎn)切斷巖心完成取樣，并對應(yīng)設(shè)計了鉆頭與取樣管不分離，便于存儲巖心的OBOC（One Bit One Core）系統(tǒng)［49-50］。

圖17 MRDD取樣樣機[36]Fig.17 MRDD sample machine

圖18 MicroDrill雙層管取樣設(shè)備[49-50]Fig.18 MicroDrill double tube sampling equipment

2.2.3 外螺旋內(nèi)中空軟袋取心式機具

外螺旋內(nèi)中空軟袋取心式鉆具較為少見，迄今為止僅有前蘇聯(lián)Luna 24任務(wù)和中國嫦娥5號任務(wù)中進(jìn)行過實地使用。如圖19所示，Luna 24探測器的取心裝置相對之前有較大的改進(jìn)，取心機構(gòu)在空心鉆桿內(nèi)部，并不隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動，僅僅隨鉆桿做進(jìn)給運動。在鉆進(jìn)過程中，樣品袋隨著鉆具運動包裹鉆取月壤，樣品袋與心管的內(nèi)壁之間沒有相對滑動。樣品袋的一端固結(jié)鋼絲繩，鋼絲繩的另一端連接在整形機構(gòu)上，鉆取采樣結(jié)束后，整形機構(gòu)將樣品袋從心管中拉出，并整形纏繞在回收卷筒上［13，51］。

圖19 Luna 24任務(wù)的取心裝置[13,51]Fig.19 Coring device of Luna 24

中國嫦娥5號取樣器的相關(guān)信息暫不明確，相關(guān)新聞報道如圖20所示，其采用了帶沖擊功能的外螺旋、內(nèi)中空軟袋取心技術(shù)，整體鉆探設(shè)備功率超過1000 W，攜帶能夠鉆進(jìn)8級硬巖的雙排階梯鉆頭，針對不同顆粒度月壤，該設(shè)備具有切、撥、擠、排能力［52-53］。

得益于嫦娥5號的驅(qū)動，中國相關(guān)科研院所在這種采樣方式上投入了相當(dāng)?shù)难邪l(fā)精力，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）均有過類似樣機的研發(fā)報道，如圖21所示［54-59］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后研制了月壤樣品取心過程模擬試驗裝置、鉆取采樣參數(shù)測試平臺、熱力耦合綜合測試平臺3種不同平臺，其各自的鉆進(jìn)參數(shù)如表4所示［60-62］。北京航空航天大學(xué)研發(fā)的樣機設(shè)計采用螺旋鉆桿外徑16.45 mm、內(nèi)徑14.45 mm，鉆頭外徑17.75 mm、內(nèi)徑7.7 mm，取心管外徑11.45 mm、內(nèi)徑10 mm，設(shè)計鉆進(jìn)深度2 m。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）還設(shè)計了同時具備外螺旋與內(nèi)拉軟袋2種取心方式的聯(lián)合機具［63］。除基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計以外，國內(nèi)各科研院所還就月球鉆探機構(gòu)的加載形式、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計、取樣層理分析、取樣袋纏繞的動力仿真都進(jìn)行了大量的研究分析［64-82］，受篇幅所限，本文不再展開。

圖20 嫦娥5號取樣機具Fig.20 Sample structure of Chang’e-5

表4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)月球鉆探平臺參數(shù)[60]Table 4 Parameters of lunar drilling platform developed by Harbin Institute of Technology

圖21 外螺旋內(nèi)中空軟袋取心采樣樣機Fig.21 Coring sampling proto type with outer helix inner hollow soft bag

2.2.4 外螺旋內(nèi)中空硬管取心式機具

目前可見報道的外螺旋內(nèi)中空硬管取心式鉆具主要針對小行星鉆探設(shè)計，其中已發(fā)射的探測器包括2004年的Rosetta任務(wù)中Philae探測器上攜帶的SD2（Sampler，Drill and Distribution）設(shè)備，設(shè)計鉆進(jìn)深度230 mm，考慮到著陸器和彗星表面的距離，實際鉆距530 mm。自身為4自由度結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量5100 g，機械部分3700 g，電子控制設(shè)備1000 g，其余400 g。電力消耗，待機1.5 W，鉆進(jìn)時6～14.5 W，采用聚晶金剛石鉆頭，鉆壓100 N，采樣尺寸3 mg或20 mm3。其結(jié)構(gòu)與采樣流程如圖22所示，在鉆進(jìn)至指定深度后，內(nèi)管伸出進(jìn)行采樣，然后提出鉆具將內(nèi)管樣品放入樣品分布處理機構(gòu)完成采樣［11，83］。

北京航空航天大學(xué)于2017年也針對小行星鉆進(jìn)采樣研發(fā)了DSSHS系統(tǒng)（Drilling，Sampling，and Sampling-Handling System），如圖23所示，該系統(tǒng)設(shè)計尺寸950 mm×330 mm×250 mm，整機質(zhì)量17 kg，采樣深度300 mm，設(shè)計鉆壓50 N，樣品密封壓力100 N，總共16個樣品倉，每個樣品倉能夠容納樣品35 mm3，最小采樣硬度6級，平均功率20 W，最大功率可達(dá)45 W，單次鉆進(jìn)時間2 h，鉆孔直徑12 mm［35］。

圖22 Rosetta任務(wù)SD2采樣設(shè)備[11,83]Fig.22 SD2 sampling equipment of Rosetta

圖23 DSSHS系統(tǒng)[35]Fig.23 DSSHS system

2.2.5 鼴鼠式鉆進(jìn)機具

在前4種鉆進(jìn)方式里，共同的特點在于都存在較長的鉆柱，當(dāng)鉆進(jìn)深度較大時上部鉆柱的運動將耗費探測器珍貴的功率。因此鼴鼠式鉆進(jìn)機具應(yīng)運而生，其研發(fā)的主要目的在于利用更小的功耗達(dá)到更大的鉆進(jìn)深度以及更遠(yuǎn)的鉆進(jìn)位置。相對于前4種鉆進(jìn)方式更貼近于垂直鉆進(jìn)的特點，鼴鼠式鉆進(jìn)方式由于其尺寸的優(yōu)勢可達(dá)到近似定向鉆進(jìn)的效果。自1999年以來，鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)不完全統(tǒng)計如下：

（1）1999年美國NASA在針對火星的Mars Polar Lander任務(wù)中首次研發(fā)了DS2（Deep Space 2）設(shè)備（圖24），打開了鼴鼠式采樣設(shè)備的先河［13］。

（2）2003年歐洲航天局針對火星的Mars Express任務(wù)研發(fā)的Beagle2著陸器同樣攜帶了鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備PLUTO（PLanetary Underground TOol），如圖25所示，設(shè)計鉆進(jìn)深度1.5 m，最遠(yuǎn)可移動3 m，自重900 g，總長280 mm，直徑20 mm。設(shè)備前方設(shè)計錐角60°，回轉(zhuǎn)同時能夠提供沖擊力，振動頻率5 s/次。采樣模式為提鉆采樣模式，一次下放到指定深度后采集樣品回收，可采樣0.24 cm3，收回時絞車回收速度1～5 mm/s［13，84］。

（3）2003年Honeybee公司也推出了IDDS系統(tǒng)（Inch-worm Deep Drilling System），如圖26所示，該系統(tǒng)直徑150 mm，長2 m，不取心，以前后蠕動式前進(jìn)［46］。

（4）2006年美國東北大學(xué)報道鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備的樣機RPDS（Robotic Planetary Drilling System），如圖27所示，該設(shè)備整機50 kg，尺寸?150 mm×500 mm，在570 W功率驅(qū)動下能提供2000 N鉆壓、57 N·m扭矩、20 r/min轉(zhuǎn) 速，額定 鉆 進(jìn) 速 率1～5 mm/min。該系統(tǒng)自帶的三自由度旋轉(zhuǎn)推進(jìn)單元可幫助設(shè)備退出鉆孔，具備退出吐出巖屑的功能，在一定程度上可視為取心功能的實現(xiàn)［85］。

圖24 DS2設(shè)備[13]Fig.24 DS2 equipment

圖25 PLUTO設(shè)備[13,84]Fig.25 PLUTO equipment

圖26 IDDS系統(tǒng)[46]Fig.26 IDDS system

圖27 RPDS系統(tǒng)[85]Fig.27 RPDS system

（5）2009年日本研究生院大學(xué)和日本宇航局聯(lián)合研發(fā)推出了SSD和CSD兩款鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備（圖28～29）。兩款設(shè)備總長均為50 mm，前端為錐形旋轉(zhuǎn)頭，底端最大外徑50 mm，中值旋轉(zhuǎn)外徑30 mm，整機質(zhì)量356～604 g（目前有記錄的最小設(shè)備）。兩款設(shè)備的主要區(qū)別在于前端錐形旋轉(zhuǎn)頭，其中SSD（Single Screw Drilling）設(shè)備是指設(shè)備前方旋轉(zhuǎn)頭只能實現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn)，而CSD（Contra-rotor Screw Drilling）則創(chuàng)新性地實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)方向相反的兩段式錐形旋轉(zhuǎn)頭［86］。

圖28 CSD系統(tǒng)[86]Fig.28 CSD system

圖29 SSD系統(tǒng)[86]Fig.29 SSD system

（6）2014年中國哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了蠕動掘進(jìn)式潛入器樣機（圖30），整機質(zhì)量4.1 kg，外形尺寸80 mm×560 mm。整機包含主副兩個掘進(jìn)單元，主掘進(jìn)單元額定轉(zhuǎn)速93.69 r/min，額定扭矩3.745 N·m，額定功率50 W；副掘進(jìn)單元額定扭矩2.78 N·m，額定功率40 W；姿態(tài)控制單元定位力187.3～335.4 N；蠕動給進(jìn)單元給進(jìn)速度0.6 mm/s，單次給進(jìn)行程60 mm，額定推力466.98 N［87］。

圖30 哈爾濱工業(yè)大學(xué)蠕動式潛入器樣機[87]Fig.30 Peristaltic submersible prototype of Harbin Institute of Technology

（7）2016年美國噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）與Honeybee公司聯(lián)合推出了帶沖擊回轉(zhuǎn)功能的長管式鼴鼠鉆進(jìn)設(shè)備Auto-Gopher鉆具（圖31），整機22 kg，1500 mm長（含帶沖擊功能、外徑71 mm的鉆頭），在有線狀態(tài)下能實現(xiàn)深達(dá)3 m的鉆深。該設(shè)備通過錨固的方式提供鉆壓，能夠以1600 N的力鉆出錨孔，施加最大鉆壓1000 N，可以100 r/min的轉(zhuǎn)速提供15.5 N·m的扭矩，實現(xiàn)直徑60 mm，長100 mm的取心功能［88-89］。

圖31 Auto-Gopher鉆具樣機[88-89]Fig.31 Auto-Gopher drilling tool prototype

3 月球鉆探效率評價及其影響因素

3.1 螺旋鉆具鉆屑輸送效率

綜合分析5種不同月球（行星）鉆進(jìn)機具可知，盡管取心方式不同，各種類型的設(shè)備其主導(dǎo)的鉆進(jìn)方式仍然是螺旋鉆進(jìn)為主，故螺旋鉆具的鉆屑輸送效率是評價月球鉆探效率的關(guān)鍵因素。在這方面，我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)均進(jìn)行了較為深入的研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出使用輸送能力因子用以表征螺旋葉片清除巖屑的效率。通過理論分析和離散元模擬，證明螺旋鉆的俯仰角、摩擦環(huán)境和螺旋槽邊界等參數(shù)均會對螺旋葉片的輸送效率產(chǎn)生影響，并且得到了經(jīng)過優(yōu)化的螺旋俯仰角約為15°～30°（具體值需要隨環(huán)境變化而改變）。相關(guān)試驗證明，在較低的俯仰角條件下，鉆進(jìn)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更好，但輸送效率降低；較高的俯仰角輸送效率增加，但環(huán)境適應(yīng)性降低［90］。

北京航空航天大學(xué)研究了螺旋葉片的輸送動力學(xué)，并基于模擬月壤試驗證明葉片攜帶巖屑顆粒的應(yīng)力耦合效應(yīng)對輸送動力學(xué)起重要的作用。通過DEM離散元模擬了輸送過程中顆粒的運動和應(yīng)力特征，并以此為據(jù)建立了簡化的動力學(xué)模型，試驗、模擬與理論3個方面證實螺旋葉片的輸送效率僅與轉(zhuǎn)速成正比，與重力無關(guān)［56］。同時，基于試驗，北航以螺旋鉆最大輸送效率和取心量為目標(biāo)，得到了優(yōu)化的給進(jìn)速率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系［58］。

3.2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)也是影響鉆進(jìn)效率的重要因素，因此各國研究人員在這方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。加拿大北方先進(jìn)技術(shù)中心（NORCAT）通過試驗提出了在行星鉆進(jìn)過程中，鉆進(jìn)1 m深度時大致的功率分布為：粉碎巖屑占總消耗功率的30%，鉆柱的摩擦和巖屑運移占總消耗功率的50%，給進(jìn)過程占比5%，而驅(qū)動損耗占比15%，且隨鉆進(jìn)深度的增大，鉆桿摩擦所消耗的能量會越來越大［91］。由此可見鉆柱減阻與提高螺旋葉片的傳輸效率是提高鉆進(jìn)效率的有效策略。

Honeybee公司除了研發(fā)機具外，就鉆進(jìn)規(guī)程也通過試驗證實在指定鉆壓條件下，鉆速和鉆進(jìn)能耗正比于轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速同時也能提高排屑效率［92-93］。除此以外，在研發(fā)Auto-Gopher鉆具時，為防止產(chǎn)生沒有冷卻的條件下電動鉆具自身過熱的問題，Honeybee公司還進(jìn)行了間歇性開關(guān)機與鉆速之間效率的試驗，如圖32所示，5 s開機、5 s關(guān)機時鉆速約為800 mm/h，1 s開機、1 s關(guān)機時鉆速幾乎與全功率運行（不關(guān)機）相同，達(dá)到約1500 mm/h。由此可見，若間歇開關(guān)機的效率與持續(xù)開機的效率相同，則在功率受限的條件下間歇開關(guān)機不失為節(jié)省能源的選項之一［89］。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）通過試驗指出，月球鉆探過程中鉆壓和轉(zhuǎn)速對鉆進(jìn)功率消耗的影響顯著，當(dāng)鉆速恒定，轉(zhuǎn)速增大8倍（由40 r/min增長至320 r/min）時，鉆進(jìn)功率增大14.3倍（由11.3 W增長至172.88 W）；當(dāng)轉(zhuǎn)速（320 r/min）、鉆速（100 mm/min）與鉆深（2 m）均恒定時，鉆壓增大10倍（由100 N增長至1000 N）功率僅增加1.09倍（由153.42 W增長至320.33 W）。由此可見，轉(zhuǎn)速是影響月球鉆探功率消耗的核心因素。但試驗同時指出，轉(zhuǎn)速的變化與取心率之間并無顯著關(guān)聯(lián)，因此在實際鉆進(jìn)中，應(yīng)在保證鉆進(jìn)排屑正常的條件下，采用相對較低的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，此時對功耗的需求較低，且轉(zhuǎn)速偏低時鉆具對內(nèi)管中的取心樣品擾動也更?。?4］。同時，還研究了鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)速度）和鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)（螺旋葉片升角、鉆頭外徑、螺旋葉片寬度）對鉆進(jìn)功率的影響規(guī)律，并提出了鉆具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計思路和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)優(yōu)選原則。除此以外，還總結(jié)和分析了月球鉆探取樣過程中可能出現(xiàn)的4種典型鉆進(jìn)事故模式，即巖心堵塞不進(jìn)尺、卡鉆、埋鉆和燒鉆，并分別對其形成機理、事故識別與預(yù)處理進(jìn)行了分析［95-98］。

圖32 Auto-Gopher鉆具間歇開關(guān)機鉆速效率分析[89]Fig.32 Analysis of drilling efficiency of intermittent switch machine based on Auto-Gopher

4 總結(jié)與展望

作為距離地球最近的星體，月球在深空探測中的地位無可撼動。分析采集回的樣品是了解月球乃至太陽系相關(guān)地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息最有效的途徑。為了確定月球（行星）的地質(zhì)構(gòu)成，為了尋找現(xiàn)存或過去的微生物（水源）的證據(jù)，僅憑地表的樣品無法滿足要求，必須采集數(shù)米到數(shù)百米深度的地下地質(zhì)樣品。在這樣的需求條件下，鉆進(jìn)是最有效的采樣方式，迄今為止全世界所有計劃和實施的采樣任務(wù)中均涉及包含了鉆探采樣設(shè)備。因此鉆進(jìn)技術(shù)無疑是當(dāng)前月球探測與未來深空探測不可或缺的技術(shù)手段。

據(jù)此，本文針對當(dāng)前月球鉆探采樣的對象、環(huán)境、機具與鉆進(jìn)效率評估進(jìn)行了相關(guān)文獻(xiàn)資料的調(diào)研與統(tǒng)計分析。從中可以看出，常規(guī)鉆探技術(shù)儲備僅能夠滿足實現(xiàn)月球鉆探動作，但月球鉆探任務(wù)的設(shè)計研發(fā)過程中，就其中不可或缺的鉆進(jìn)效率分析、鉆進(jìn)能耗控制、高效規(guī)程參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)而言，在月球極端環(huán)境下，這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要考慮的影響因素與地球截然不同。綜上所述，可展望在未來月球（深空）鉆探相關(guān)任務(wù)中，鉆探技術(shù)需要發(fā)展的幾個方向為：

（1）研發(fā)多元化的鉆探取樣方法：可根據(jù)任務(wù)的特點、鉆探對象的屬性、探測器功耗等影響因素有針對性地選用最合適的鉆探方法；

（2）研發(fā)多元化的鉆進(jìn)取心結(jié)構(gòu)：可根據(jù)不同的鉆探環(huán)境（低溫、低壓、電磁干擾等）和不同的取樣要求（質(zhì)量、數(shù)量、層理、深度等），可實現(xiàn)有針對性地選用不同的鉆進(jìn)取心結(jié)構(gòu)，同時各取心結(jié)構(gòu)的運動與采樣機理也需要建立對應(yīng)的量化分析模型；

（3）研發(fā)鉆探過程中工況識別相關(guān)技術(shù)：面對陌生的地外鉆探環(huán)境，對周圍環(huán)境、鉆進(jìn)地層、以及機具自身工況的分析識別技術(shù)，是保證地外鉆探采樣不可或缺的技術(shù)，準(zhǔn)確的工況識別技術(shù)能夠最大程度地保護(hù)設(shè)備在遭遇極端情況時及時采取相關(guān)的對應(yīng)措施；

（4）研發(fā)具有高度自適應(yīng)的無人自動控制技術(shù)：我國針對地外行星的鉆探探索一定是無人自動采樣探測器優(yōu)先，故能夠進(jìn)行自動探測、分析、決策的鉆探采樣設(shè)備不可或缺。