月球采礦中月壤/巖力學(xué)問(wèn)題的理論與試驗(yàn)方法

周?chē)?guó)慶，李瑞林，嚴(yán) 康，趙曉東，陳 君，莫品強(qiáng)，王 廣

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 孫越崎學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

隨著地球礦產(chǎn)資源日漸枯竭以及生態(tài)資源的日益惡化，開(kāi)發(fā)月球礦產(chǎn)資源已成為新期望和新課題[1-4]。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)、俄羅斯、歐盟等國(guó)家和組織紛紛啟動(dòng)了新一輪以礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)為目的月球計(jì)劃;以Space-X，Planetary Resources為首的科技巨頭斥巨資研究月球礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)中的相關(guān)理論與技術(shù)問(wèn)題;美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院于2017年開(kāi)設(shè)了全球首個(gè)“太空采礦”專(zhuān)業(yè)。我國(guó)自2004年啟動(dòng)以“繞、落、回”為主要目的“嫦娥工程”，2019年將實(shí)現(xiàn)無(wú)人采樣返“回”地球。

月球蘊(yùn)含豐富的硅酸鹽、氧化物、硫化物以及自然金屬等礦產(chǎn)資源，包括三斜鐵輝石(CaFe6(SiO3)7)、鋯石(ZrSiO2)等地球上未發(fā)現(xiàn)的新礦物[5-7]。據(jù)推算，月球FeTiO3和TiO2儲(chǔ)量分別高達(dá)200和100萬(wàn)億t[7-10];克里普巖中富含鉀(K)、磷(P)等元素以及釷(Th)、鈾(U)等稀土及放射性元素[8,10-12];地球上儲(chǔ)量稀少的氦元素(He-3)在月球上換算儲(chǔ)量高達(dá)100萬(wàn)t[5-8]。開(kāi)發(fā)月球礦產(chǎn)資源，能有效解決地球資源枯竭的巨大難題，為人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供保障。

然而，月球特有的空間環(huán)境造就了其獨(dú)特的地質(zhì)條件和月壤/月巖力學(xué)特性，給月球采礦提出了前所未有的新挑戰(zhàn)。筆者將對(duì)月壤/月巖力學(xué)問(wèn)題的理論與試驗(yàn)研究方法進(jìn)行闡述。

1 研究框架

月球特殊的空間環(huán)境使得月壤/月巖具有與地球巖土體不同的力學(xué)性質(zhì)。月球重力場(chǎng)僅為地球的1/6，月面真空度高達(dá)1.01×10-12kPa，月表溫度最高130 ℃、最低溫度-183 ℃，溫差高達(dá)313 ℃。已有研究表明，小重力場(chǎng)和超高真空環(huán)境對(duì)模擬月壤等顆粒介質(zhì)的力學(xué)特性具有顯著影響[13-33];盡管目前尚未有月面極端溫度及高溫差條件下月壤/月巖力學(xué)性能的研究成果，但借鑒金屬材料研究[34-35]可知，億萬(wàn)年形成的月面溫度環(huán)境也必將造成月壤/月巖特殊的力學(xué)性質(zhì)。

月壤是覆蓋在月球表面、厚度1.0～18.0 m的松軟風(fēng)化物[36]。月壤形成主要受隕石撞擊、宇宙射線(xiàn)和太陽(yáng)風(fēng)粒子轟擊以及大幅度溫差的作用，其顆粒形態(tài)極為多變[37-39]。特殊的顆粒形狀導(dǎo)致月壤呈現(xiàn)低抗拉強(qiáng)度[40-43]、大摩擦角[7]、低壓強(qiáng)膨脹、高壓條件強(qiáng)度衰減等與地球巖土介質(zhì)顯著不同的力學(xué)特性。月巖根據(jù)成因不同可分為月海玄武巖、克里普巖、高地巖石和角礫巖[11]。特殊的成巖過(guò)程及礦物組分導(dǎo)致月巖具有特殊的力學(xué)性質(zhì)。如，月海玄武巖具有疏松多孔的結(jié)構(gòu)特征及低于地球玄武巖的熱傳導(dǎo)系數(shù)[44-45];高鈦玄武巖等在地球上并不存在，其力學(xué)性質(zhì)需要單獨(dú)研究;富鐵玄武巖由于較高的鐵含量而具有特殊的力學(xué)性質(zhì)。幾何特征方面，月壤顆粒呈現(xiàn)出多孔、多勾角的異型結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)特征方面，月壤呈現(xiàn)出粒徑跨度大(30 μm～10 mm)且?jiàn)A雜月巖大顆粒的典型壤/巖混合體特征;組分方面，月壤及月巖富鈦、富鐵特征十分典型。

上述月球空間環(huán)境以及月壤/月巖特征引發(fā)了月球采礦一系列新的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題，如圖1所示，主要包括:① 月球小重力引起的低應(yīng)力水平、低應(yīng)力梯度;② 超高真空環(huán)境;③ 極端溫度和高溫差;④ 異形顆粒形狀以及月巖特殊組分及組構(gòu)等條件和環(huán)境下月壤/月巖力學(xué)特性的顯現(xiàn)規(guī)律及其響應(yīng)機(jī)理。

由于月面環(huán)境及月壤/月巖自身特性，地面建立起來(lái)的巖土力學(xué)方法大多不再適用于上述問(wèn)題的研究?，F(xiàn)階段在月球上直接進(jìn)行原位試驗(yàn)成本高昂且難以實(shí)現(xiàn)，需要在地球環(huán)境研究月球采礦中的基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題。這就需要建立新的試驗(yàn)研究方法和平臺(tái):① 月球重力、真空及溫度環(huán)境模擬方法;② 月壤/月巖力學(xué)與工程特性試驗(yàn)系統(tǒng);③ 月壤/月巖相似模擬材料制備方法。

基于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)建立的巖土力學(xué)理論，能夠較好地表征重力引起的應(yīng)力水平，但無(wú)法考慮應(yīng)力梯度效應(yīng)。因此，對(duì)月壤/月巖的理論研究首先要建立:① 考慮應(yīng)力梯度的月壤/月巖高階力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)顆粒介質(zhì)力學(xué)行為對(duì)低應(yīng)力梯度響應(yīng)的表征;② 為揭示月壤復(fù)雜顆粒形狀特征及其對(duì)力學(xué)特性的影響，需要構(gòu)建月壤顆粒形狀三維數(shù)學(xué)表征及數(shù)值方法;③ 為將月壤顆粒形狀的影響納入其基本力學(xué)行為，進(jìn)而需要建立考慮顆粒形狀的月壤多尺度力學(xué)方法，實(shí)現(xiàn)月壤“細(xì)觀顆粒形狀-宏觀力學(xué)行為”的跨尺度關(guān)聯(lián)。

2 基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題

2.1 低應(yīng)力水平月壤力學(xué)性質(zhì)

月球重力場(chǎng)僅為地球的1/6，相同開(kāi)挖深度工程應(yīng)力水平遠(yuǎn)低于地球。研究表明，顆粒材料在小重力引起的低應(yīng)力水平將表現(xiàn)出大摩擦角、強(qiáng)膨脹等特殊力學(xué)性質(zhì)[46]。筆者在模擬月壤力學(xué)性質(zhì)三軸試驗(yàn)中觀測(cè)到了類(lèi)似現(xiàn)象(圖2)。

然而，現(xiàn)有顆粒材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則，如摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)則，缺乏對(duì)低應(yīng)力水平條件下強(qiáng)度包絡(luò)線(xiàn)與內(nèi)摩擦角、黏聚力關(guān)系及其機(jī)理的研究，還難以表征這一特殊力學(xué)行為。

研究小重力引起的低應(yīng)力水平條件下月壤力學(xué)性質(zhì)，分析高摩擦角和強(qiáng)膨脹特性及其對(duì)月球采礦工程可能造成的影響，首先需要進(jìn)行月球重力場(chǎng)應(yīng)力水平加、卸載等多種應(yīng)力路徑的單元試驗(yàn)，并結(jié)合CT成像等手段探究其細(xì)觀機(jī)理;同時(shí)，需要采取模型試驗(yàn)方法，研究低應(yīng)力水平的月壤工程響應(yīng)。

2.2 低應(yīng)力梯度月壤力學(xué)特性

應(yīng)力梯度描述應(yīng)力在空間范圍的變化，反映其分布的非均勻特性，是對(duì)應(yīng)力場(chǎng)量特性的高階數(shù)學(xué)表征。應(yīng)力梯度分為重力引起的應(yīng)力梯度和應(yīng)變梯度誘導(dǎo)的應(yīng)力梯度。目前，應(yīng)變梯度誘導(dǎo)的應(yīng)力梯度問(wèn)題已開(kāi)始得到巖土力學(xué)界的關(guān)注。而重力引起的應(yīng)力梯度，尤其是月球重力引起的低應(yīng)力梯度作用下月壤力學(xué)特性的研究還很少。筆者及其他部分學(xué)者的研究[17-18,47-48]表明，應(yīng)力梯度對(duì)月壤等顆粒介質(zhì)的力學(xué)行為具有顯著影響(圖3(a))，且應(yīng)力水平越低影響越顯著;應(yīng)力梯度對(duì)活動(dòng)門(mén)上方土壓力的影響效應(yīng)與應(yīng)力水平的作用顯著不同，考慮應(yīng)力梯度的土壓力理論預(yù)測(cè)值更能吻合實(shí)測(cè)值(圖3(b))。

圖3 應(yīng)力梯度對(duì)月壤力學(xué)行為的典型影響Fig.3 Typical effect of gravity-induced stress gradient on behaviour of lunar regolith

經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)采用點(diǎn)單元作為基本單元，無(wú)法表征應(yīng)力梯度的影響，不適用于考慮梯度應(yīng)力場(chǎng)的月壤力學(xué)性質(zhì)研究。因此，首先需要建立考慮應(yīng)力梯度的高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型;其次，需要建立適用于該理論框架的試驗(yàn)方法;進(jìn)一步，需要深入研究引入應(yīng)力梯度后代表性體積單元的彈性行為、屈服特性、硬化特性及流動(dòng)特性等力學(xué)行為及其機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，建立考慮應(yīng)力梯度的本構(gòu)模型，構(gòu)建求解重力引起應(yīng)力梯度問(wèn)題的新理論和新方法。

2.3 超高真空環(huán)境月壤力學(xué)響應(yīng)

超高真空度(1.01×10-12kPa)是月面與地面的重要差異之一。超高真空環(huán)境下月壤顆粒表面呈現(xiàn)出極高的潔凈度，顆粒間距遠(yuǎn)小于地面。極小的顆粒間距導(dǎo)致粒間范德華力對(duì)月壤力學(xué)特性影響凸顯，這也是造成月壤粒間弱黏聚力和弱抗拉強(qiáng)度的主要原因之一。DESAI等[31]在1.33×10-2Pa真空環(huán)境的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模擬月壤壓縮模量隨真空度增加線(xiàn)性減低，當(dāng)真空度約為0.665 Pa時(shí)，三軸壓縮曲線(xiàn)起始模量達(dá)到地面環(huán)境的4.6倍。但缺乏系統(tǒng)研究，更沒(méi)有單元試驗(yàn)和工程模型試驗(yàn)的研究成果。

2.4 極端溫度和高溫差月壤/巖力學(xué)特征

月球沒(méi)有大氣層，月面溫度受多源輻射的影響，最高和最低溫度分別達(dá)到130 ℃和-183 ℃，溫差高達(dá)313 ℃，目前鮮有針對(duì)月面溫度環(huán)境月壤/巖力學(xué)特性的研究。現(xiàn)有大量針對(duì)地球干燥狀態(tài)巖石的研究表明，低溫環(huán)境(0～-20 ℃)對(duì)巖體強(qiáng)度影響顯著，因此月面極端溫度環(huán)境以及高溫差條件必然會(huì)對(duì)月巖及月壤顆粒的強(qiáng)度及變形產(chǎn)生顯著影響。同時(shí)，由于月壤層導(dǎo)熱性能較差，對(duì)月巖層作用的溫差較小，但一旦月巖裸露，低溫裂化及其引發(fā)的潛在災(zāi)害也需考慮。

需要在地面營(yíng)造月面極端溫度和高溫差環(huán)境，研制相關(guān)裝備，研究月壤力學(xué)特性及其細(xì)觀機(jī)理、月巖裂化機(jī)理、月壤顆粒破碎及其對(duì)宏觀力學(xué)行為的影響。在此基礎(chǔ)上，建立極端溫度環(huán)境及高溫差條件下月壤及月巖本構(gòu)模型，為后期工程設(shè)計(jì)和評(píng)估提供基礎(chǔ)。

2.5 顆粒形狀對(duì)月壤力學(xué)響應(yīng)的影響

月球表面高溫差、離子轟擊、隕石撞擊等特殊作用是月壤具有復(fù)雜顆粒形狀的特殊成因。月壤顆粒形態(tài)極為多變，從圓球、橢球狀到極端棱角狀都有，但更多見(jiàn)的是長(zhǎng)條狀、次棱角狀和棱角狀，還有勾角狀、鋸齒狀等結(jié)構(gòu)。筆者團(tuán)隊(duì)對(duì)模擬月壤力學(xué)行為的初步研究表明，月壤特殊顆粒形狀對(duì)其強(qiáng)度等力學(xué)行為具有特殊的影響(圖4)。實(shí)質(zhì)上，月壤顆粒的這種不規(guī)則、扭曲的形狀極易造成顆粒間的機(jī)械聯(lián)鎖效應(yīng)，一方面阻礙了外力作用下顆粒間的相對(duì)滑移運(yùn)動(dòng)，另外一方面也使得月壤顆粒極易破碎，最終導(dǎo)致其弱黏聚力、弱抗拉強(qiáng)度、大摩擦角、低壓強(qiáng)膨脹、高壓條件強(qiáng)度衰減等顯著不同于地球巖土介質(zhì)的特殊力學(xué)特性。

圖4 模擬月壤顆粒形狀對(duì)其力學(xué)行為的影響Fig.4 Effect of particle shape on behaviour of lunar regolith simulant

系統(tǒng)研究該問(wèn)題，需要對(duì)大量原位月壤顆粒形狀進(jìn)行觀測(cè)，并建立相應(yīng)的月壤顆粒形狀數(shù)據(jù)庫(kù)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)月壤顆粒形狀的數(shù)學(xué)表征及量化分類(lèi)。其次，借助于單元試驗(yàn)以及模型試驗(yàn)深入研究顆粒形狀對(duì)月壤宏觀力學(xué)行為的影響及其細(xì)觀機(jī)理。進(jìn)一步，在建立月壤顆粒形狀數(shù)學(xué)表征的基礎(chǔ)上構(gòu)建包含月壤顆粒形狀影響的月壤力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)月壤“細(xì)觀顆粒形狀-宏觀力學(xué)行為”的關(guān)聯(lián)和力學(xué)表征。最終，建立相應(yīng)的本構(gòu)方程或者工程尺度的力學(xué)模型。

2.6 月巖特殊組分及組構(gòu)相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)

月球特殊的空間環(huán)境和地質(zhì)過(guò)程造就了月巖高鐵、高鈦及含地球不存在的新礦物等組分特征和多孔等組構(gòu)特征。一方面，組分特征導(dǎo)致其具有高強(qiáng)度等力學(xué)行為，或者呈現(xiàn)至今依舊未知的新礦物相關(guān)的力學(xué)行為;另一方面，月巖多孔特征對(duì)其力學(xué)行為影響顯著。此外，由于特殊的礦物組分以及多孔組構(gòu)特性，月巖具有獨(dú)特的熱物理性質(zhì)，進(jìn)一步影響了其極端溫度下的強(qiáng)度演化、低溫裂化等力學(xué)行為。

因此，需要對(duì)月巖組分進(jìn)行調(diào)查研究與分類(lèi)，對(duì)月巖組構(gòu)特性、月巖單元尺度本征力學(xué)行為、模型尺度力學(xué)響應(yīng)以及月巖組分及組構(gòu)相關(guān)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行研究。

3 研究方法

3.1 地面構(gòu)造月面環(huán)境方法及試驗(yàn)設(shè)備

在地面研制可模擬月球重力、真空及溫度環(huán)境的試驗(yàn)裝置是本研究需要解決的核心技術(shù)問(wèn)題之一，其中難點(diǎn)是重力環(huán)境的模擬。目前地面模擬重力場(chǎng)試驗(yàn)方法，如離心模型試驗(yàn)方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)小重力場(chǎng)模擬、滲水力模型試驗(yàn)方法不適用于對(duì)干燥月壤介質(zhì)的研究、基底摩擦方法無(wú)法模擬三維小重力場(chǎng)、落塔和拋物線(xiàn)飛行模擬方法難以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的持續(xù)試驗(yàn)、傾斜試驗(yàn)臺(tái)方法難以獲得精準(zhǔn)重力場(chǎng)等等，均無(wú)法滿(mǎn)足月壤/月巖相關(guān)力學(xué)問(wèn)題研究的需要。

圖5 土工磁擬重力場(chǎng)模型試驗(yàn)方法基本原理及設(shè)備Fig.5 Theoretical base of geotechnical magnetic-similitude-gravity model testing method and related equipment

模型試驗(yàn)系統(tǒng)具有全靜態(tài)和半開(kāi)放的試驗(yàn)空間，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)與超高真空模擬、極端溫度模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的集成。采用多級(jí)真空泵聯(lián)合工作模式，可實(shí)現(xiàn)超高真空環(huán)境的模擬;通過(guò)液氮制冷技術(shù)，結(jié)合電熱輻射制熱技術(shù)可實(shí)現(xiàn)可控的月面極端高低溫環(huán)境。

3.2 月壤/月巖相似材料制備技術(shù)

現(xiàn)階段還難以實(shí)現(xiàn)對(duì)原位月壤/月巖的研究，因此相似材料制備是需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。月壤/月巖相似材料研制的關(guān)鍵是還原原位月壤的礦物組成、顆粒形狀、顆粒級(jí)配以及原位月巖的礦物組成及內(nèi)部組構(gòu)特征。

目前鮮有月巖相似材料研制的文獻(xiàn)報(bào)道。通過(guò)對(duì)美國(guó)及前蘇聯(lián)獲取的月巖研究發(fā)現(xiàn)，月巖在礦物組分上呈現(xiàn)出高鐵和高鈦特征，在組構(gòu)方面則呈現(xiàn)出多孔特征。月壤方面，目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道了多達(dá)30余種月壤相似材料。這些方法大都通過(guò)將地球火山灰、玄武巖、鈦鐵礦等經(jīng)機(jī)械破碎后通過(guò)調(diào)節(jié)顆粒級(jí)配來(lái)模擬原位月壤，在月壤礦物組成、顆粒形狀的模擬方面均存在不足。

筆者團(tuán)隊(duì)研制的CUMT系列模擬月壤，重點(diǎn)考慮了月壤原位礦物成分和顆粒形狀的模擬。模擬月壤采用火山灰粉末、Fe3O4粉末、鈦鐵礦粉末及碳酸氫銨混合后依次進(jìn)行高壓固結(jié)、高溫熔煉及動(dòng)力破碎造粒等工藝制備而成。如圖6所示，該系列月壤成功模擬了真實(shí)月壤顆粒多孔特征及復(fù)雜的形狀特征，同時(shí)通過(guò)礦物成分調(diào)整還原了原位月壤主要的礦物組分特征。

圖6 CUMT系列磁敏性模擬月壤Fig.6 CUMT series magnetic-sensitive lunar regolith simulant

3.3 考慮應(yīng)力梯度的月壤/巖高階力學(xué)方法

月球低重力場(chǎng)同時(shí)造就了低應(yīng)力水平和低應(yīng)力梯度兩種特殊的力學(xué)環(huán)境?；诘厍颦h(huán)境建立起來(lái)的經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論體系沒(méi)有充分考慮重力引起的應(yīng)力梯度問(wèn)題，無(wú)法對(duì)該類(lèi)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行有效表征。建立能夠考慮重力引起的應(yīng)力梯度的高階力學(xué)理論方法，對(duì)于月壤/月巖力學(xué)問(wèn)題的研究尤為重要。

筆者團(tuán)隊(duì)基于該思想建立了高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論方法，為表征重力引起的應(yīng)力梯度問(wèn)題提供了有效的力學(xué)手段[47]。圖7給出了該高階模型的基本框架，首先引入應(yīng)力梯度張量，基于均質(zhì)化理論將非均質(zhì)非連續(xù)月壤/巖等效為高階應(yīng)力梯度連續(xù)介質(zhì)，在代表性體積單元中引入應(yīng)力梯度量，形成了高階力學(xué)分析模型。

圖7 應(yīng)力梯度問(wèn)題高階連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型Fig.7 High order continuum theory for gravity-induced stress gradient related problem

3.4 月壤顆粒形狀三維表征及數(shù)值重構(gòu)

月壤區(qū)別于巖土介質(zhì)的一個(gè)重要特征是其具有特殊顆粒形狀。對(duì)“凸”型、“勾”型、“鋸齒”型等特殊顆粒形狀的數(shù)學(xué)表征，是研究其力學(xué)行為，揭示其發(fā)揮機(jī)制的重要基礎(chǔ)。

目前針對(duì)巖土介質(zhì)顆粒形狀的表征方法中，尺寸參數(shù)法和分形維數(shù)法僅能描述顆粒形狀的部分特性，缺乏系統(tǒng)性;傅里葉分析法僅能表征表面全“凸”型特征，無(wú)法表征具有顯著“凹”型、“勾”型的月壤顆粒。因此，既有方法均無(wú)法有效表征月壤顆粒形狀特征。

由于缺乏原位月壤，基于月壤二維圖像進(jìn)行三維顆粒形狀重建，可有效彌補(bǔ)顆粒形狀信息丟失問(wèn)題，是快速建立月壤顆粒形狀數(shù)據(jù)庫(kù)的有效方法，并且能夠有效解決后期直接進(jìn)行月壤顆粒三維形狀測(cè)量(μCT分?jǐn)嗝鎾呙?工程量巨大等問(wèn)題。當(dāng)前深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)以及遷移學(xué)習(xí)等人工智能方法的快速發(fā)展以及GPU計(jì)算在大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為基于月壤顆粒二維圖像進(jìn)行三維重建提供了強(qiáng)有力的手段。

3.5 考慮顆粒形狀的月壤多尺度力學(xué)方法

由于顆粒形狀對(duì)月壤力學(xué)性質(zhì)的特殊影響，建立考慮顆粒形狀的月壤力學(xué)特性表征方法，實(shí)現(xiàn)“細(xì)觀顆粒形狀-宏觀力學(xué)性質(zhì)”的關(guān)聯(lián)，是月壤力學(xué)及其工程學(xué)研究的關(guān)鍵。

已有協(xié)同考慮“細(xì)觀顆粒形狀-宏觀力學(xué)性質(zhì)”的力學(xué)方法，大都建立在圓形顆?；A(chǔ)上，僅有部分考慮了棱形等較為接近砂土的顆粒形狀。然而，由于具有極其特殊的長(zhǎng)條狀、棱角狀、勾角狀、鋸齒狀等異形形態(tài)，現(xiàn)有方法無(wú)法適用于月壤顆粒。

考慮顆粒特殊幾何形態(tài)的月壤力學(xué)特性表征方法需要從月壤顆粒形狀及接觸特征出發(fā)，重新定義其接觸纖維、孔胞特征、力鏈結(jié)構(gòu)以及微剪切帶等細(xì)觀力學(xué)參數(shù)，并系統(tǒng)建立其與宏觀力學(xué)響應(yīng)間的聯(lián)系。

4 結(jié) 論

(1)月球表面獨(dú)特的低重力場(chǎng)、超高真空及極端溫度環(huán)境，以及月球地質(zhì)體獨(dú)特的組分特征、結(jié)構(gòu)特征及幾何特征，造就了月壤/巖與地球巖土介質(zhì)顯著不同的力學(xué)特性，給未來(lái)的月球采礦帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。

(2)由于月面環(huán)境和月壤/巖自身特殊性，現(xiàn)有力學(xué)理論、試驗(yàn)方法大多無(wú)法直接應(yīng)用于對(duì)月壤/月巖力學(xué)問(wèn)題的研究，因此要對(duì)包括構(gòu)造月面環(huán)境模擬系統(tǒng)、研制試驗(yàn)設(shè)備、制備月壤/月巖相似材料;構(gòu)建涵蓋應(yīng)力梯度的高階力學(xué)方法、實(shí)現(xiàn)月壤顆粒形狀三維數(shù)學(xué)表征和數(shù)值重建、形成月壤多尺度力學(xué)方法等進(jìn)行創(chuàng)新。

(3)為實(shí)現(xiàn)在月球采礦，必須要對(duì)包括低應(yīng)力水平、低應(yīng)力梯度作用下月壤力學(xué)性質(zhì)及響應(yīng)機(jī)理，超高真空、極端溫度和高溫差環(huán)境下月壤/月巖力學(xué)特性及演化機(jī)理，異形顆粒形狀和特殊組分、組構(gòu)對(duì)月壤/巖力學(xué)性質(zhì)的影響等一系列基礎(chǔ)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)研究，形成對(duì)月球環(huán)境下月壤、月巖力學(xué)行為的科學(xué)與系統(tǒng)認(rèn)知。