月球淺層月壤螺旋鉆具進(jìn)芯機(jī)制設(shè)計(jì)

龐 勇，王國欣，湯 濱，王書超，趙忠賢

（1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094；2.北京大學(xué) 工學(xué)院，北京 100871）

引 言

月球、火星、小行星等[1-3]地外天體表層都由一層厚度不等的星壤或巖石組成。其中，最上層的星壤受太陽風(fēng)的影響，記錄星球性質(zhì)的信息嚴(yán)重缺失；次表層星壤較好地保存著星球形成早期的重要信息。這些記錄的信息對(duì)人類具有如下重要的意義[4]：了解地外天體的形成、演化過程；獲得太陽系形成初期的環(huán)境；探索宇宙中存在的新物質(zhì)；了解生命的起源。因此，針對(duì)地外天體星壤次表層采樣探測(cè)具有極高的科學(xué)研究價(jià)值。

深空次表層采樣探測(cè)任務(wù)從20世紀(jì)60年代開始，美國和前蘇聯(lián)都成功地實(shí)施了月球采樣任務(wù)?！版隙鹞逄?hào)”（Chang'E-5，CE-5）于2020年12月1日成功著陸在月球風(fēng)暴洋呂姆克山區(qū)，并實(shí)現(xiàn)了我國首次月壤巖本無人采樣。鉆取采樣的目標(biāo)是為獲取月表以下一定深度原位層序剖面月壤，樣品的年齡將有助于填補(bǔ)大約10～30億年前的月球歷史知識(shí)空白，提供月球和太陽系其它物體的歷史信息。

“嫦娥五號(hào)”鉆取子系統(tǒng)采用了螺旋鉆具方案實(shí)現(xiàn)月壤鉆進(jìn)取芯，主要原因：螺旋鉆具的排粉能力適合在地外天體缺少輔助排粉介質(zhì)時(shí)工作；鉆具回轉(zhuǎn)切削星壤可保證樣品層理特性的同時(shí)有效適應(yīng)低重力環(huán)境下的低反力要求；螺旋鉆具可適應(yīng)無水星壤、含水星壤、巖石等多種工況。

針對(duì)月壤鉆取過程中動(dòng)力學(xué)行為的研究是解決螺旋鉆具進(jìn)芯困難的關(guān)鍵。目前對(duì)螺旋鉆具與月壤相互作用動(dòng)力學(xué)過程的仿真研究方法主要為DEM方法[5-6]和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型方法[7-8]。連續(xù)介質(zhì)方法將月壤等效為彈塑模型，其中塑性屈服準(zhǔn)則一般采用摩爾–庫倫屈服準(zhǔn)則。采用有限元方法或解析方法引入該模型可以有效得到應(yīng)力場(chǎng)或鉆具的力載特性；采用DEM方法開展全局分析，能反映流動(dòng)過程中星壤的顆粒動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，可將鉆進(jìn)力載、取芯效果與鉆進(jìn)參數(shù)關(guān)聯(lián)；但目前DEM方法無法反映實(shí)際顆粒的多棱角等復(fù)雜特性，且尚未關(guān)聯(lián)應(yīng)力場(chǎng)演化過程，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別較大。相關(guān)文獻(xiàn)并沒有與螺旋鉆具進(jìn)芯效果分析，導(dǎo)致目前對(duì)螺旋鉆具控制方法僅僅聚焦在鉆進(jìn)速度穩(wěn)定性[9]或鉆進(jìn)能力[10]的研究中，而沒有與取芯效果的關(guān)聯(lián)。因此開展螺旋鉆具月壤鉆取過程中的進(jìn)芯機(jī)制及關(guān)鍵因素分析具有重要意義。

本文開展了“嫦娥五號(hào)”鉆取子系統(tǒng)月面次表層月壤取芯行為研究。首先采用聚焦月表淺層變密實(shí)度剖面，開展了力載實(shí)驗(yàn)規(guī)律分析，提煉了表征月壤進(jìn)芯狀態(tài)的關(guān)鍵物理參數(shù)；而后利用有限元分析方法以鉆具周邊月壤應(yīng)力場(chǎng)為切入點(diǎn)，研究了厚壁螺旋鉆具進(jìn)芯機(jī)制。

1 “嫦娥五號(hào)”任務(wù)目標(biāo)采樣區(qū)域

“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器目標(biāo)采樣區(qū)域[11]（圖1）位于月球風(fēng)暴洋北部，處于北緯41°～45°，西經(jīng)45°～69°區(qū)域，東西長約450 km，南北寬約120 km，總面積約為5.5萬 km2。擬著陸區(qū)東西兩側(cè)均為高地物質(zhì)，南部為呂姆克山，與“嫦娥三號(hào)”（Chang'E-3，CE-3）著陸的雨海隔侏羅山相望。該區(qū)域分為兩個(gè)地質(zhì)單元，位于左側(cè)部分地質(zhì)年齡約3 Ga，代表較老的玄武巖活動(dòng)；位于右側(cè)部分的地質(zhì)年齡約1.5 Ga，代表了風(fēng)暴洋地區(qū)最年輕的巖漿活動(dòng)。

圖1 “嫦娥五號(hào)”著陸區(qū)域Fig.1 Map of Chang'E-5 landing region

“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器由4部分組成：著陸器，上升器，軌道器，返回器?！版隙鹞逄?hào)”鉆取子系統(tǒng)（圖2）搭載在著陸器和上升器之間，包括取芯鉆具、鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、整形機(jī)構(gòu)、展開機(jī)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)及鉆取控制單元。其中取芯機(jī)構(gòu)執(zhí)行鉆進(jìn)取芯功能，鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)和加載機(jī)構(gòu)在鉆取控制單元控制下驅(qū)動(dòng)取芯鉆具運(yùn)動(dòng)，整形機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)樣品整形及傳送樣品入封裝裝置，展開機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鉆取采樣子系統(tǒng)與上升器分離。

圖2 “嫦娥五號(hào)”鉆取子系統(tǒng)的位置Fig.2 The location of the Chang'E-5 drilling system

為實(shí)現(xiàn)月面米級(jí)無人鉆進(jìn)取芯任務(wù)，“嫦娥五號(hào)”鉆取子系統(tǒng)設(shè)計(jì)了帶取芯機(jī)構(gòu)的螺旋鉆具，其具體工作原理如下（圖3），螺旋鉆具由鉆頭、鉆桿、取芯機(jī)構(gòu)組成。取芯機(jī)構(gòu)和鉆桿同軸并保持固定，不隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，只隨鉆桿沿軸向方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)鉆頭和鉆桿進(jìn)入月壤時(shí)，月壤突破鉆頭進(jìn)芯口到取芯機(jī)構(gòu)最下端的阻力進(jìn)入取芯機(jī)構(gòu)后，由軟袋內(nèi)翻包裹并跟隨軟袋向上運(yùn)動(dòng)。在鉆進(jìn)取芯完成后，整形機(jī)構(gòu)可將軟袋提出纏繞，去掉鉆具長度的約束，實(shí)現(xiàn)返回物體積和質(zhì)量最小化。

圖3 螺旋鉆具示意圖Fig.3 Schematic diagram of auger drill

該取芯鉆具與地面及前期空間常用鉆具有一定區(qū)別。通常地面上采用薄壁鉆開展月壤鉆進(jìn)取芯作業(yè)，可以降低月壤切削量，實(shí)現(xiàn)切削功耗的最小化?？臻g采樣探測(cè)任務(wù)中，美國“阿波羅”（Applo）系列和前蘇聯(lián)的“月球16號(hào)”（Luna 16）、“月球20號(hào)”（Luna 20）均采用薄壁鉆[12]。但該方法無法直接應(yīng)用于米級(jí)深度無人采樣返回任務(wù)。Applo系列將薄壁鉆具分成多段，人工輔助拼接，取樣后再拆開保存，可以降低體積；Luna 16和Lunar 20在無人參與條件下只能將鉆具整段返回，鉆進(jìn)深度只能達(dá)到30 cm。

“嫦娥五號(hào)”取芯鉆具采用了與“月球24號(hào)”（Luna 24）類似的鉆具方案，兩者任務(wù)也具有相似性。帶取芯機(jī)構(gòu)的螺旋鉆具方案雖然具有較多優(yōu)點(diǎn)，但取芯機(jī)構(gòu)厚度導(dǎo)致切削面增加，有效取芯直徑減少，帶來取芯風(fēng)險(xiǎn)。在Luna 24采樣任務(wù)中，發(fā)現(xiàn)0.5～0.6 m以上區(qū)域未取到樣品[13]且不知道具體的原因，需要挖掘螺旋鉆具的進(jìn)芯機(jī)理。

2 月壤進(jìn)芯行為實(shí)驗(yàn)研究

螺旋鉆具的進(jìn)芯狀態(tài)顯然與進(jìn)芯通道及鉆具周邊月壤的應(yīng)力相關(guān)聯(lián)。在月壤鉆進(jìn)取芯過程中，鉆頭周邊應(yīng)力越大，對(duì)鉆具施加的力載也需要越大。因此采用“嫦娥五號(hào)”鉆取系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)件開展不同鉆進(jìn)參數(shù)和進(jìn)芯通道狀態(tài)下鉆進(jìn)取芯實(shí)驗(yàn)（圖4），測(cè)量鉆進(jìn)力載和取樣量，可有效分析進(jìn)芯影響因素。

圖4 鉆取試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 The experimental system of coring dynamics

由于Luna 24在淺層未取到月壤，本論文重點(diǎn)對(duì)0～0.5 m深度月壤開展了鉆進(jìn)取芯性能研究。其中模擬月壤狀態(tài)參考實(shí)際月面為變密實(shí)度剖面[12]，根據(jù)“嫦娥五號(hào)”著陸區(qū)域月壤光譜數(shù)據(jù)[11]，中值粒徑為50～79 μm。本實(shí)驗(yàn)所采用模擬月壤相對(duì)密實(shí)度（表1）及級(jí)配（表2）狀態(tài)如下所示。

表1 實(shí)驗(yàn)用模擬月壤相對(duì)密實(shí)度Table 1 The relative density of lunar soil simulant

表2 實(shí)驗(yàn)用模擬月壤顆粒級(jí)配Table 2 The grading of lunar soil simulant

表3為4種工況得到的取樣結(jié)果，對(duì)比工況1和2可以發(fā)現(xiàn)，同樣120 r/min回轉(zhuǎn)速度鉆進(jìn)下，進(jìn)尺速度越高，進(jìn)樣效果越好；對(duì)比工況2和3可以發(fā)現(xiàn)，同樣的進(jìn)尺速度下，回轉(zhuǎn)速度越低，進(jìn)樣效果越好，對(duì)比進(jìn)轉(zhuǎn)比與取樣量，進(jìn)轉(zhuǎn)比越高，則取樣量越高。

表3 實(shí)驗(yàn)工況及取樣量Table 3 The grading of lunar soil simulant

圖5是4種工況下鉆進(jìn)過程拉力和回轉(zhuǎn)電流曲線，可以發(fā)現(xiàn)：①4種工況下，回轉(zhuǎn)電流與回轉(zhuǎn)速度關(guān)聯(lián)較大，而與進(jìn)尺速度關(guān)系不大，說明淺層中低密實(shí)度月壤回轉(zhuǎn)扭矩較低，不同進(jìn)尺速度導(dǎo)致的切削扭矩差異較?。虎谕瑯釉?20 r/min的回轉(zhuǎn)速度下，拉力較高時(shí)取樣較好，說明鉆頭周邊所產(chǎn)生的較大應(yīng)力有助于進(jìn)樣；③根據(jù)表3可知，在回轉(zhuǎn)40 r/min，進(jìn)尺50mm/min進(jìn)樣工作的良好參數(shù)下，堵芯下力載和不堵芯工況下，差別并不大，說明中低密實(shí)度工況下進(jìn)芯通道阻力對(duì)整體力載貢獻(xiàn)較小。

圖5 不同工況下鉆進(jìn)力載曲線Fig.5 The load in coring dynamics

綜合上面的力載曲線和取樣結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：①鉆進(jìn)過程中鉆進(jìn)拉力增加，則預(yù)示著進(jìn)樣，鉆進(jìn)拉力越大，則進(jìn)樣越好；②進(jìn)轉(zhuǎn)比越高，則取樣越好，進(jìn)鉆比太低時(shí)有取不到樣的風(fēng)險(xiǎn)；③若進(jìn)芯口被堵住，淺層中低密實(shí)度月壤鉆取過程力載變化不明顯。因此鉆具周邊月壤應(yīng)力邊界是控制螺旋鉆具進(jìn)芯的關(guān)鍵量。

我們課題組前期多次發(fā)現(xiàn)苦參素可抑肝癌細(xì)胞增長，促其凋亡[17]，增強(qiáng)化療藥作用[18]。但確切機(jī)制尚未明確。我們研究發(fā)現(xiàn)苦參素能夠下調(diào)ABCB1蛋白表達(dá)來改變HepG2/ADM抗藥性[19]。另外，胥雄陽等[20]發(fā)現(xiàn)，苦參堿可在QGY/CDDP株通過下調(diào)MRP蛋白，加強(qiáng)順鉑作用，逆轉(zhuǎn)耐藥。以上研究表明苦參素可以下調(diào)ABCB1及MRP蛋白表達(dá)而逆轉(zhuǎn)耐藥，那么在本研究苦參素同樣可以調(diào)控ABCG2低表達(dá)，提高阿霉素抗人肝癌耐藥裸鼠移植瘤的療效，部分逆轉(zhuǎn)多藥耐藥，從而為臨床治療提供依據(jù)。

3 月壤鉆進(jìn)取芯分析

從以上不同工況下的實(shí)驗(yàn)可以看出，鉆頭下方的應(yīng)力場(chǎng)是造成進(jìn)芯狀態(tài)變化的關(guān)鍵因素。有限元方法雖然不能全局描述螺旋鉆具鉆取行為，但可以通過合理設(shè)定邊界條件，分析螺旋鉆具的月壤進(jìn)芯行為。本文采用Abaqus軟件分析鉆具與月壤相互作用行為，月壤采用歐拉網(wǎng)格模型，Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，其計(jì)算參數(shù)如表4所示。

表4 月壤參數(shù)設(shè)置Table 4 The parameters of lunar soil in FEM model

鉆具與月壤之間相互作用的關(guān)系：①螺旋鉆桿通過旋轉(zhuǎn)輸運(yùn)月壤，該部分無法采用有限元描述，但可以根據(jù)上面的試驗(yàn)現(xiàn)象合理假設(shè)邊界條件，設(shè)為邊界一；②鉆頭通過旋轉(zhuǎn)切削使月壤局部發(fā)生塑性改變引起月壤的局部的流動(dòng)，該部分可以采用有限元分析；③月壤通過鉆頭的擠壓作用進(jìn)入進(jìn)芯通道，該部分可以通過假定合理的邊界條件，設(shè)為邊界二。通過以上假設(shè)，可以解耦鉆進(jìn)參數(shù)對(duì)月壤鉆取過程的影響，從而重點(diǎn)研究鉆具周邊月壤應(yīng)力邊界對(duì)進(jìn)芯效果影響。

鉆具模型及邊界設(shè)置如圖6所示。鉆頭尺寸與圖實(shí)驗(yàn)一致，直徑38 mm。鉆具周邊邊界條件設(shè)置如下：邊界一為力邊界條件，有垂直于界面方向的正壓力，壓力分布與排粉情況和重力引起的外壓力場(chǎng)相關(guān)；邊界二為力邊界條件，壓力為均勻壓力，是進(jìn)芯阻力的體現(xiàn)。因?yàn)橛?jì)算模擬的范圍是有限的，所以會(huì)產(chǎn)生遠(yuǎn)離鉆底區(qū)域的側(cè)面和底面邊界。這兩個(gè)邊界因?yàn)檫h(yuǎn)離鉆頭區(qū)域受鉆進(jìn)影響較小，其月壤基本保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和力學(xué)狀態(tài)，故設(shè)定其為恒定力學(xué)邊界條件。對(duì)于鉆頭，其主要的邊界條件為運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件，分別為沿軸向方向向下的進(jìn)尺速度u和繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度ω。鉆頭在鉆進(jìn)過程中，按照其運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件鉆動(dòng)，同時(shí)與月壤發(fā)生切削擠壓等相互作用是其主要的物理過程。

圖6 鉆具有限元模型及邊界條件Fig.6 The Finite element model and boundary condition setting in coring dynamics

鉆進(jìn)過程中，預(yù)應(yīng)力計(jì)算采用Abaqus/standard的靜態(tài)計(jì)算模塊，材料和計(jì)算模型與動(dòng)力學(xué)計(jì)算基本一致。不同之處是去掉了接觸邊界條件，近似地將月壤與鉆頭接觸部分的邊界條件設(shè)置為僅豎直方向自由，其余固定的近似邊界條件。

進(jìn)樣效果可以通過觀察進(jìn)芯通道內(nèi)月壤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來確定。針對(duì)同一種月壤材料，進(jìn)芯通道內(nèi)的月壤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要由兩部分的作用所決定，其一是進(jìn)芯阻力的影響，其二是鉆底壓力的影響。當(dāng)月壤沿豎直向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，可以認(rèn)為此時(shí)進(jìn)芯困難；反之，進(jìn)芯容易。為了描述進(jìn)芯通道內(nèi)月壤的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以邊界二面P2作為進(jìn)芯通道參考面。圖7為相關(guān)仿真結(jié)果。圖7（a）為調(diào)整邊界一面壓強(qiáng)P1時(shí)進(jìn)芯平面的平均變化速度。對(duì)比各工況數(shù)據(jù)，隨著P1的增加，平均速度的斜率增加，相應(yīng)的速度值也增大，但增加幅度在逐漸減小，可以看出，當(dāng)P1到20 KPa和25 KPa算例時(shí)，平均速度變化曲線基本保持一致。這表明隨著外壓的增加，進(jìn)芯效果會(huì)更好，但增加的趨勢(shì)會(huì)逐漸減弱。圖7（b）是調(diào)整P2值的進(jìn)芯平面的平均變化速度。隨著P2的增加，平均速度的斜率相對(duì)地變小，相應(yīng)的速度值也在減小，同時(shí)減弱幅度也在逐漸減小。這表明隨著進(jìn)芯阻力的增加，進(jìn)芯效果會(huì)變差，當(dāng)P2接近200 kPa時(shí)，進(jìn)入動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)后的平均速度基本不變，可認(rèn)為此時(shí)進(jìn)芯通道內(nèi)月壤不具備進(jìn)芯的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，此時(shí)為進(jìn)芯困難狀態(tài)。

圖7 進(jìn)芯平面平均速度隨著時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 The average coring speed vs.time

圖8是P1組分別為12 kPa和20 kPa工況的算例等效壓力場(chǎng)云圖。從圖8中可以看出，對(duì)于鉆底區(qū)域的月壤，可以分為兩個(gè)部分，第1部分是進(jìn)芯通道下方的區(qū)域，第2部分是鉆頭底部和月壤接觸的區(qū)域。隨著P1的變化，進(jìn)芯通道下方區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)基本不發(fā)生改變，而相對(duì)應(yīng)地，進(jìn)芯通道外側(cè)鉆底月壤區(qū)域的應(yīng)力會(huì)隨著P1的增加而增加。

圖8 調(diào)整P1時(shí)等效壓力場(chǎng)的分布云圖對(duì)比Fig.8 The stress field inside lunar regolith varing with P1

圖9是P2組P2分別為5 、40 、80 、160 kPa的等效壓力場(chǎng)云圖，從圖9中可以看出，隨著P2的變化，進(jìn)芯通道外側(cè)鉆底月壤區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)基本不發(fā)生改變，而相對(duì)應(yīng)地，進(jìn)芯通道下方區(qū)域的應(yīng)力會(huì)隨時(shí)P2的增加而增加。

圖9 調(diào)整P2時(shí)等效壓力場(chǎng)云圖對(duì)比Fig.9 The stress field inside lunar regolith varying with P2

4 結(jié) 論

本文主要通過試驗(yàn)和仿真分析，提煉了影響螺旋鉆具鉆進(jìn)取芯效果的關(guān)鍵參量，采用有限元方法分析了鉆頭部位應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

1）控制螺旋鉆進(jìn)取芯效果的兩個(gè)關(guān)鍵控制量為鉆具螺旋排粉槽在鉆頭上方形成的壓力和進(jìn)芯通道內(nèi)部的阻力；

2）只有排粉壓力與進(jìn)芯通道壓力比值達(dá)到一定值才能實(shí)現(xiàn)正常進(jìn)芯，因此提高進(jìn)芯效果最有效的方式是降低進(jìn)芯通道阻力，合理控制鉆壓范圍。

“嫦娥五號(hào)”鉆取子系統(tǒng)優(yōu)化了鉆具構(gòu)型，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)鉆進(jìn)規(guī)程，在軌實(shí)現(xiàn)不同密實(shí)度月壤工況鉆進(jìn)參數(shù)自動(dòng)調(diào)整，保證了鉆進(jìn)段良好取樣；但鉆進(jìn)至約1 m深度，碰到碎石層阻礙了后序正常鉆進(jìn)取樣。因此，本成果可有效應(yīng)用于后續(xù)“嫦娥六號(hào)”等未來深空采樣任務(wù)，同時(shí)針對(duì)碎石層干擾下螺旋鉆鉆進(jìn)取芯機(jī)制還需要深入研究。