地外天體探測(cè)與鉆取技術(shù)發(fā)展研究

申志強(qiáng) 李帥 劉德赟 王帥 鄧湘金 張曉靜 高金艷

(1 錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)(2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)(3 北京空間科技信息研究所，北京 100094)(4 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

月球是地球的天然衛(wèi)星，是距離地球最近的地外天體。月球是人類走出地球搖籃，邁向浩瀚宇宙的第一個(gè)跳板，也是人類走向深遠(yuǎn)空間的前哨站和試驗(yàn)場(chǎng)。以月球探測(cè)與研究為基礎(chǔ)，聯(lián)合其他行星、小行星等地外天體探測(cè)活動(dòng)，可以為太陽(yáng)系形成與演化、宇宙起源和生命起源等重大科學(xué)問(wèn)題研究提供支持。

從20世紀(jì)50年代至今，多個(gè)國(guó)家對(duì)地外天體開(kāi)展了外部探測(cè)、內(nèi)部探測(cè)、星表鉆取采樣等活動(dòng)，包括蘇聯(lián)月球(Luna)系列、美國(guó)“阿波羅”工程和火星探測(cè)計(jì)劃、歐空局生物火星(ExoMars)探測(cè)計(jì)劃、羅塞塔(Rosetta)彗星探測(cè)任務(wù)和我國(guó)嫦娥系列等[1-6]，積累了大量經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，大幅拓展了人類認(rèn)識(shí)邊界。作為深空探測(cè)活動(dòng)一種重要形式，地外天體內(nèi)部探測(cè)及取樣，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程更具挑戰(zhàn)性。

面向未來(lái)，多個(gè)國(guó)家制定了頗具雄心的深空探測(cè)計(jì)劃，將通過(guò)外部?jī)?nèi)部探測(cè)、星表鉆取采樣、原位分析、帶回地球研究等方式獲得更多知識(shí)，為人類建立月球基地、科研站，甚至移民地外天體等積累技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。本文目的是結(jié)合我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)任務(wù)研究?jī)?nèi)部探測(cè)技術(shù)，為獲得更多有價(jià)值科研數(shù)據(jù)、豐富深空探測(cè)成果提供參考。本文創(chuàng)新提出了地外天體內(nèi)部探測(cè)技術(shù)體系，通過(guò)比較分析，給出了未來(lái)內(nèi)部探測(cè)、鉆取技術(shù)發(fā)展方向和指標(biāo)，將為國(guó)家全面謀劃探測(cè)任務(wù)并協(xié)調(diào)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展，順利實(shí)施深空探測(cè)任務(wù)提供支撐。

1 中國(guó)從外圍到內(nèi)部探測(cè)和認(rèn)識(shí)月球

1.1 中國(guó)探月“六戰(zhàn)六捷”

20世紀(jì)90年代末，原國(guó)防科工委組織專家論證，提出了我國(guó)“繞、落、回”三步走無(wú)人月球探測(cè)規(guī)劃，一期工程到2007年實(shí)現(xiàn)繞月探測(cè)；二期工程到2013年前后實(shí)現(xiàn)月面軟著陸探測(cè)與巡視勘察；三期工程到2020年前實(shí)現(xiàn)月面采樣返回。

國(guó)家2004年批準(zhǔn)一期工程立項(xiàng)，截止到2021年3月，我國(guó)先后完成了嫦娥一號(hào)任務(wù)、嫦娥二號(hào)任務(wù)、嫦娥三號(hào)任務(wù)、再入返回飛行試驗(yàn)、嫦娥四號(hào)任務(wù)、嫦娥五號(hào)任務(wù)共6次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了“六戰(zhàn)六捷”，完滿實(shí)現(xiàn)了規(guī)劃目標(biāo)[1-9]。

1.2 研究成果舉世矚目

1)大幅加深對(duì)空間環(huán)境認(rèn)識(shí)

嫦娥一號(hào)探測(cè)器、嫦娥二號(hào)探測(cè)器攜帶的太陽(yáng)風(fēng)離子探測(cè)器監(jiān)測(cè)到月球兩極日夜交界面附近從日側(cè)向夜側(cè)速度逐漸增加的粒子流、月球向陽(yáng)面的太陽(yáng)風(fēng)離子反射現(xiàn)象等空間環(huán)境事件，揭示了太陽(yáng)風(fēng)中等離子體物理過(guò)程和與月球相互作用過(guò)程，觀察到中質(zhì)子物理量的變化，證實(shí)了月面微磁層的存在，為月球空間環(huán)境以及月球演化的研究提供了新的重要參考。

嫦娥三號(hào)探測(cè)器攜帶極紫外相機(jī)對(duì)地球等離子體層產(chǎn)生的30.4 nm輻射進(jìn)行全方位、長(zhǎng)期觀測(cè)，依據(jù)地球等離子體范圍及其變化數(shù)據(jù)，獲取了地球等離子體層三維圖像。利用這些探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了等離子體層存在雙卵型結(jié)構(gòu)。揭示太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)地球空間環(huán)境的影響，確認(rèn)地球等離子體層尺度與地磁活動(dòng)強(qiáng)度呈反相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而提出等離子體層空間結(jié)構(gòu)受地球磁場(chǎng)和電場(chǎng)約束及控制新觀點(diǎn)。

2)系統(tǒng)掌握月球表面特性

嫦娥一號(hào)探測(cè)器、嫦娥二號(hào)探測(cè)器攜帶微波輻射計(jì)，獲取了3.0 GHz、7.8 GHz、19.35 GHz和37.0 GHz四個(gè)頻率的微波輻射亮溫，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步反演月壤厚度，評(píng)估氦-3資源。發(fā)現(xiàn)亮溫分布與月球表面物質(zhì)分布存在明顯相關(guān)性。月海區(qū)主要分布玄武巖，亮溫相對(duì)較高；高地(月陸)分布斜長(zhǎng)巖，亮溫相對(duì)較低。嫦娥二號(hào)探測(cè)器攜帶的相機(jī)獲取607軌100 km高度和15 km高度月球影像數(shù)據(jù)。完成7 m分辨率全月球影像圖的制作。

利用嫦娥四號(hào)探測(cè)器攜帶的降落相機(jī)、地形地貌相機(jī)、可見(jiàn)近紅外光譜儀、全景相機(jī)等觀測(cè)數(shù)據(jù)，精細(xì)重構(gòu)了月球背面軟著陸軌跡和著陸點(diǎn)位置，獲得著陸區(qū)形貌、物質(zhì)礦物組成、來(lái)源及特性等科學(xué)成果。支持了月球背面控制點(diǎn)研究、高精度月球測(cè)繪。

3)有效開(kāi)展月球內(nèi)部探測(cè)

嫦娥三號(hào)探測(cè)器攜帶的高頻雷達(dá)對(duì)月球淺層結(jié)構(gòu)及月壤厚度進(jìn)行了原位探測(cè)?；诶走_(dá)數(shù)據(jù)，判斷著陸區(qū)月壤厚度為4～6 m，建立了月球淺層結(jié)構(gòu)可靠識(shí)別的技術(shù)和方法。玉兔號(hào)探測(cè)器攜帶的粒子激發(fā)X射線譜儀、可見(jiàn)近紅外成像光譜儀探測(cè)數(shù)據(jù)，獲取了著陸區(qū)月壤化學(xué)組成、礦物組成、月壤厚度及其下覆玄武巖深度等，識(shí)別出該區(qū)曾發(fā)生多個(gè)階段火山噴發(fā)，揭示了雨海盆地多次火山噴發(fā)的歷史。

嫦娥四號(hào)任務(wù)首次通過(guò)原位探測(cè)得到月球深部物質(zhì)組成數(shù)據(jù)，揭示月球背面特別是南極艾特肯盆地復(fù)雜撞擊歷史，給月壤形成與演化模型提供關(guān)鍵證據(jù)。根據(jù)測(cè)月雷達(dá)、相機(jī)數(shù)據(jù)以及其他多源數(shù)據(jù)，建立嫦娥四號(hào)探測(cè)器著陸區(qū)地層剖面及多期次濺射物覆蓋關(guān)系。首次揭開(kāi)月球背面地下結(jié)構(gòu)神秘面紗，極大地提高了人類對(duì)月球撞擊和火山活動(dòng)歷史的理解，為月球背面地質(zhì)演化研究帶來(lái)新的啟示。

4)支持太陽(yáng)系-宇宙起源等研究

嫦娥三號(hào)探測(cè)器攜帶的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡開(kāi)展了定點(diǎn)觀測(cè)，對(duì)8顆掩食雙星和天琴座RR變星開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)標(biāo)光變監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了月基近紫外天文觀測(cè)。還獲得了月球外逸層中羥基(水)密度上限值的最新值，分析發(fā)現(xiàn)月球外逸層中羥基(水)密度的最低上限值為柱密度小于1011 cm-2，體密度不高于104 cm-3。研究結(jié)果比利用美國(guó)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡獲得的上限低了將近100倍，與理論預(yù)期值最為接近。

2 月球及其他天體內(nèi)部探測(cè)的必要性

2.1 拓展人類認(rèn)知廣度與深度

開(kāi)展月球內(nèi)部研究,認(rèn)識(shí)其內(nèi)部構(gòu)造是當(dāng)今比較行星學(xué)研究的熱點(diǎn)，也是研究月球、行星起源與演化需要解決的重大問(wèn)題之一。也對(duì)月球探測(cè)器飛行軌道控制、月球著陸區(qū)選擇等有重要影響，更是未來(lái)月球資源原位開(kāi)采利用的前提。人類對(duì)月球淺表層的構(gòu)成、成分分布等已有一定認(rèn)識(shí)，但仍缺少對(duì)幾十米以下深部結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分等了解。

20世紀(jì)90年代以來(lái)人類數(shù)次月球探測(cè)獲取的雷達(dá)、中子探測(cè)儀和光譜儀的水冰探測(cè)數(shù)據(jù)表明，月球上很可能存在水冰，特別是在極區(qū)永久陰影區(qū)內(nèi)，水冰可能分布在表層至米量級(jí)深度范圍內(nèi)?，F(xiàn)有的遙感探測(cè)難以對(duì)月球表層和淺表層的水冰進(jìn)行直接證認(rèn)，對(duì)可能含有的金屬礦產(chǎn)、稀有氣體等資源也需要更多探測(cè)數(shù)據(jù)支持。

為了確定月球及其他地外天體地質(zhì)構(gòu)成，尋找現(xiàn)有或過(guò)去的微生物、水源等存在證據(jù)，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，鉆探、鉆進(jìn)是最有效的采樣方式，設(shè)計(jì)研制合適的鉆探采樣設(shè)備成為必須。

2.2 支持月球資源開(kāi)發(fā)與利用

根據(jù)阿波羅飛船月壤樣本分析表明，月球上22個(gè)月海覆蓋了厚厚的一層玄武巖。月球表面幾乎沒(méi)有大氣，太陽(yáng)風(fēng)直接注入月表，稀有氣體特別是氦-3等賦存于月壤中。氦-3可以作為一種可長(zhǎng)期使用、清潔、高效、安全的核聚變發(fā)電燃料。在對(duì)月球表層和內(nèi)部蘊(yùn)藏的礦產(chǎn)資源進(jìn)行普查基礎(chǔ)上實(shí)施原位精細(xì)勘查，進(jìn)而開(kāi)展稀有資源原位分析和提取試驗(yàn)，可為未來(lái)月球資源開(kāi)發(fā)與利用提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

月球上最古老、最大和最深的撞擊盆地位于月球南極，其提供了研究深層物質(zhì)的天然地質(zhì)剖面，獲取該區(qū)域物質(zhì)成分對(duì)精準(zhǔn)揭示月殼早期形成及其演化具有重要價(jià)值。通過(guò)對(duì)月球內(nèi)部進(jìn)行取樣開(kāi)展月壤/月巖參數(shù)性質(zhì)研究，是深入研究月球地質(zhì)信息和發(fā)展月球資源利用技術(shù)的必要手段，先進(jìn)的內(nèi)部鉆取技術(shù)是支持開(kāi)發(fā)月球資源、建設(shè)月球基地的重要保障之一。

2.3 牽引帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展

美國(guó)、蘇聯(lián)等在探月工程中已經(jīng)掌握并使用了多種鉆取技術(shù)和取樣設(shè)備，如前蘇聯(lián)Luna-16任務(wù)采用的擺桿式鉆探取樣設(shè)備、美國(guó)阿波羅15號(hào)中使用地面旋轉(zhuǎn)沖擊鉆機(jī)(Apollo Lunar Surface Drill，ALSD)及NASA研發(fā)的超聲波振動(dòng)采樣取樣設(shè)備(USDC)等[6]。這些設(shè)備受限于取樣深度，僅能取到月球表層松散月壤，未能鉆取真正月巖樣本[7,10]。

目前人類月球取樣能力尚未達(dá)到月壤下面的月巖層(月表5～10 m深度以下)。另外，上述取樣活動(dòng)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)樣本原位信息保持，獲取的普通月壤/月巖樣本脫離月球原位環(huán)境，帶回地球后已嚴(yán)重失真。尚需提升：①獲取原位月壤/月巖成分和賦存狀態(tài)信息；②避免取樣后月壤/月巖直接暴露而造成污染；③取得對(duì)月球南極永久陰影區(qū)次表層取樣探測(cè)技術(shù)突破[11-12]。

3 地外天體內(nèi)部探測(cè)及鉆取技術(shù)現(xiàn)狀

近年來(lái)，月球探測(cè)活動(dòng)掀起一輪新高潮，逐步由外圍向月表向月球內(nèi)部發(fā)展，也帶動(dòng)了相關(guān)儀器和技術(shù)的升級(jí)。外圍探測(cè)主要有成像、微波等遙感手段，用于月球幾何形狀、地形、表面物質(zhì)成分、密度等觀測(cè)。表面探測(cè)多通過(guò)部署于天體表面的儀器，采集月球表面及次表層震動(dòng)、微波反射等數(shù)據(jù)，推演內(nèi)部水冰資源以及月球內(nèi)部熱流分布等情況。

內(nèi)部探測(cè)分為結(jié)構(gòu)探測(cè)和成分探測(cè)兩大類(如圖1所示)，其中結(jié)構(gòu)探測(cè)主要了解月球半徑、密度、角動(dòng)量、磁場(chǎng)、月震、重力場(chǎng)、內(nèi)部熱流分布等，儀器設(shè)備多部署于天體表面；內(nèi)部鉆取與成分探測(cè)，主要通過(guò)挖取或鉆取方式獲得天體內(nèi)部材料后進(jìn)行原位分析或帶回地球分析。

圖1 地外天體內(nèi)部探測(cè)及鉆取技術(shù)體系Fig.1 Detection and drilling technology system for interior of extraterrestrial object

3.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)儀器與技術(shù)

對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探測(cè)與認(rèn)識(shí)，經(jīng)歷了從最初一般性認(rèn)識(shí)逐步發(fā)展到定點(diǎn)和定量評(píng)價(jià)的過(guò)程，同時(shí)也伴隨著探測(cè)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[13]。

第一階段(1959—1972年)主要是利用月球軌道器搭載遙感載荷，探測(cè)月球重力場(chǎng)及月表地形，通過(guò)這一階段研究獲得了低階次月球重力場(chǎng)模型，并獲得了正面局部區(qū)域的異常質(zhì)量分布，發(fā)現(xiàn)了月球的非均勻性特征。

第二階段(1969—1977年)利用地震探測(cè)技術(shù)研究月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)，第一臺(tái)月震儀于1969年7月由阿波羅11號(hào)飛船乘員架設(shè)，工作7周；之后阿波羅12號(hào)、阿波羅14號(hào)、1阿波羅5號(hào)及阿波羅16號(hào)飛船乘員架設(shè)了由4臺(tái)月震儀組成的月震觀測(cè)(PSE)臺(tái)陣。這些月震儀共記錄12000余條數(shù)據(jù)信息[4],獲得了月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的輪廓，月球可以劃分為月殼、月幔和月核。阿波羅12號(hào)、阿波羅15號(hào)、阿波羅16號(hào)著陸器攜帶的磁力儀，測(cè)定了月球微弱磁場(chǎng)，利用磁測(cè)數(shù)據(jù)反演了月球內(nèi)部電導(dǎo)率分布，作為對(duì)月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)的補(bǔ)充。

第三階段(1994—今)主要進(jìn)行月球高分辨率遙感觀測(cè)與月震數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。多國(guó)月球軌道器獲取了重力、激光測(cè)高、多波段影像、視線加速度、多普勒跟蹤、月表光譜以及月球磁場(chǎng)等大量數(shù)據(jù)資料，推動(dòng)月球研究向深度、廣度發(fā)展。

開(kāi)展月球/行星探測(cè)所使用的測(cè)震儀和熱流探測(cè)器如表1所示。

表1 月球/行星測(cè)震儀和熱流探測(cè)器Table 1 Moon/planetary seismometers and heat flow probes

3.2 內(nèi)部鉆取與成分探測(cè)技術(shù)

美國(guó)“阿波羅”工程采用人工采樣方式，宇航員在現(xiàn)場(chǎng)操控采樣，能夠靈活選擇采樣點(diǎn)并實(shí)時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)參數(shù)。為獲得地外天體土壤實(shí)際樣品，美國(guó)、俄羅斯、歐空局、日本等還開(kāi)發(fā)驗(yàn)證了更多不依賴宇航員的鉆進(jìn)探測(cè)技術(shù)和設(shè)備，主要有飛行貫入、沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、沖擊擠密貫入、蠕動(dòng)鉆進(jìn)、仿生往復(fù)侵入、熱力融冰侵入、超聲波驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)等方式。

不同的深空探測(cè)任務(wù)，具有不同的鉆探-取樣方式-結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。好奇號(hào)(Curiosity)火星車采用單管鉆進(jìn)[5]。ExoMars采樣器采用多桿組接方式，具有閉合功能，可針對(duì)特定鉆進(jìn)深度的樣品進(jìn)行采集。USDC超聲采樣器采用沖擊式超聲波鉆進(jìn)方式，只需較小的鉆壓就可鉆進(jìn)較高硬度巖石。美國(guó)洞察號(hào)(InSight)探測(cè)器搭載貫入式采樣器，依靠自身內(nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)使其鉆入到較深層，可實(shí)現(xiàn)大深度鉆探[6]。

外螺旋內(nèi)中空軟袋取芯和內(nèi)中空硬管取芯方式可以對(duì)樣品提供額外保護(hù)，降低采樣擾動(dòng)。但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，潛在故障率高。鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備因其極大降低了對(duì)功耗和質(zhì)量需求，近年來(lái)研究熱度逐漸增加。外螺旋采取巖屑的鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)相對(duì)較晚，因其相對(duì)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。外螺旋采取巖屑的取樣方式會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生較大擾動(dòng)，對(duì)采集樣品中包含的層理性等信息會(huì)產(chǎn)生影響。將于2023年發(fā)射的美國(guó)毒蛇號(hào)(VIPER)將尋找月球水冰，攜帶用于探索新地形的月壤-冰鉆機(jī)(TRIDENT)。

根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)、鉆探對(duì)象屬性、探測(cè)器功耗等影響因素需要選用最合適的鉆探方法，如：多桿組接鉆進(jìn)可實(shí)現(xiàn)10 m級(jí)深度的鉆進(jìn)；超聲波鉆進(jìn)功耗低，但可最大程度保持原始層理狀態(tài)；沖擊貫入式鉆進(jìn)易于集成化，可實(shí)現(xiàn)淺表層星壤原位識(shí)別；蠕動(dòng)潛入式鉆進(jìn)需要的空間更小，可以在有限功耗、質(zhì)量等約束條件下，實(shí)現(xiàn)高密實(shí)度月壤深度潛入。不同的鉆進(jìn)方式各具優(yōu)勢(shì)，但也面臨著不同的技術(shù)挑戰(zhàn)，如多桿組接鉆進(jìn)方式攜帶能源有限、超聲波鉆進(jìn)方式能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多、沖擊貫入式鉆進(jìn)尺寸小結(jié)構(gòu)復(fù)雜、蠕動(dòng)潛入式鉆進(jìn)方式取樣效率低等。

3.3 樣品原位分析儀器及技術(shù)

海盜號(hào)(Viking)著陸器上攜帶了氣相色譜質(zhì)譜儀(GCMS)，主要用于分析著陸點(diǎn)附近土壤樣本以及大氣氣體，目的在于深入研究火星表面大氣構(gòu)成并在火星表面材料中尋找有機(jī)化合物和某些無(wú)機(jī)揮發(fā)物。GCMS采用雙區(qū)域(B/E)質(zhì)量分析模式，探測(cè)極限(土壤)達(dá)到十億分之一～百萬(wàn)分之一(ppbv～ppmv)，功率為140 W。GCMS采用氫作為載體氣體進(jìn)行土壤分析，鈀基電解分離器用于事后高效移除載體氣體。GCMS分析結(jié)果表明未能在火星土壤中檢測(cè)出有機(jī)材料，發(fā)現(xiàn)氬-36比率相比于地球低很多，對(duì)稀有氣體測(cè)量及其同位素分布分析還用于辨別隕石來(lái)源[9]。

鳳凰號(hào)(Phoenix)火星著陸器攜帶了熱及逸出氣體分析儀(TEGA)，通過(guò)加熱火星土壤和冰并采樣逸出樣本，進(jìn)而分析其成分。TEGA包含一個(gè)磁偏轉(zhuǎn)質(zhì)譜儀(EGA)，主要負(fù)責(zé)識(shí)別揮發(fā)物成分，確定主要元素的相對(duì)豐度和同位素比值。在開(kāi)展加熱分析儀實(shí)驗(yàn)的間隙，EGA還將采樣大氣氣體并確定大氣成分以及碳、氧、氮、氫和惰性氣體的同位素比例。同時(shí)，EGA還可以測(cè)量大氣的水蒸氣含量。

火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)是世界上首個(gè)采用“空中吊車”精確著陸方式進(jìn)行軟著陸的探測(cè)器。探測(cè)器攜帶好奇號(hào)火星車，歷經(jīng)36周飛行，于2012年8月在火星表面“蓋爾”隕坑成功著陸。好奇號(hào)火星車攜帶了化學(xué)和礦物學(xué)X射線衍射/X射線熒光儀器，用于對(duì)樣品中的礦物結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化分析，同時(shí)攜帶了火星樣品分析實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用于分析大氣和固體樣本中的組成和氣體。

俄羅斯月球27號(hào)(Luna27)任務(wù)計(jì)劃降落在月球南極區(qū)域，著陸器可鉆取月表以下1～2 m處含水冰樣本，然后移置于專門(mén)容器中再進(jìn)行分析。樣品分析儀器主要有4個(gè)：①紅外光譜儀(LIS)，可以對(duì)礦物紅外譜段光譜進(jìn)行分析；②化學(xué)分析設(shè)備，可以對(duì)揮發(fā)份成分和化學(xué)組成進(jìn)行質(zhì)譜分析；③激光質(zhì)譜儀(LASMA)，可以進(jìn)行激光質(zhì)譜分析；④電視分光儀，利用紫外線誘發(fā)，對(duì)礦物進(jìn)行紫外和光學(xué)成像。

美國(guó)毒蛇號(hào)(VIPER)探測(cè)器擬探測(cè)月球表面以及表面下1 m深度的揮發(fā)物(水、氫、甲烷等)分布。攜帶近紅外揮發(fā)性光譜儀(NIRVSS)、月球質(zhì)譜儀(MSolo)、中子光譜儀(NSS)等分析儀器。NIRVSS用于分析礦物質(zhì)和揮發(fā)性，確定氫是來(lái)自于水分子還是羥基；MSolo主要用于測(cè)量粒子質(zhì)荷比，以分析樣本中包含哪些化學(xué)元素。

4 未來(lái)地外天體探測(cè)及鉆取面臨挑戰(zhàn)

在月球及其他地外天體的鉆探過(guò)程中，需要面對(duì)極端外空、天體表面環(huán)境以及不確知的地質(zhì)條件，同時(shí)與地球通信存在時(shí)延，這給鉆探采樣設(shè)備的及時(shí)控制反饋、調(diào)整策略等帶來(lái)了諸多技術(shù)難題：

4.1 地外天體極端環(huán)境加大設(shè)備工作風(fēng)險(xiǎn)

由于月球表面近真空、大溫差、大體量月壤/月塵細(xì)微顆粒等極端原位賦存環(huán)境，對(duì)月球內(nèi)部鉆取設(shè)備的極端環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)苛要求[12]。低重力條件下，登陸車或著陸器自身的輕質(zhì)量會(huì)限制作用在鉆頭上的最大鉆壓；低壓和真空環(huán)境條件同時(shí)限制了熱量散發(fā)，在沒(méi)有冷卻介質(zhì)下容易造成鉆頭局部熱量過(guò)高；低溫環(huán)境要求材料不產(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)，否則會(huì)引起運(yùn)動(dòng)間隙失配等問(wèn)題。

4.2 不確知的地質(zhì)環(huán)境帶來(lái)很多不確定性

月球鉆探的地質(zhì)環(huán)境呈現(xiàn)多樣性和不確定性，探測(cè)器著陸點(diǎn)選擇與實(shí)際著陸時(shí)可能發(fā)生偏差，令地質(zhì)信息難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，即使在條件已知的區(qū)域鉆進(jìn)，不同深度的地質(zhì)條件也可能存在很大不同[14]。月壤引起的機(jī)械力學(xué)特性復(fù)雜，散熱難，顆粒度及密實(shí)度等存在很大差異，且可能夾雜有各種巖石顆粒甚至大塊巖石，這使得鉆取月壤過(guò)程中易發(fā)生鉆頭磨損、鉆具彎曲、切削效率下降、鉆進(jìn)功耗增加等問(wèn)題[15]。

4.3 超長(zhǎng)距離引起通信延遲影響響應(yīng)速度

通信延遲是決定地外天體采樣自動(dòng)化程度的最重要因素。當(dāng)出現(xiàn)通信中斷或延遲時(shí)，采樣器必須高度智能，從而要求鉆進(jìn)設(shè)備具有強(qiáng)大的故障檢測(cè)和恢復(fù)、自適應(yīng)、策略調(diào)整等功能。月球采樣中還可以通過(guò)地面遙測(cè)和控制，而距離地球較遠(yuǎn)的地外天體，與地面指控中心存在更長(zhǎng)時(shí)間的通信延遲(如隼鳥(niǎo)號(hào)、羅塞塔探測(cè)器時(shí)延分別約為16 min和28 min)，迭代優(yōu)化地面指控中心對(duì)深空探測(cè)器遙測(cè)和遙控策略，提高探測(cè)器操控時(shí)效性和安全性成為需持續(xù)關(guān)注的一項(xiàng)難題[16-17]。

5 我國(guó)地外天體探測(cè)技術(shù)發(fā)展建議

5.1 未來(lái)地外天體探測(cè)任務(wù)建議

1)部署新的月震儀，兼顧多種探測(cè)目標(biāo)

自“阿波羅”工程至今，無(wú)其他國(guó)家投放部署新的月震儀，能夠使用的月震數(shù)據(jù)仍然是“阿波羅”工程數(shù)據(jù)，因此部署新的月震儀有利于補(bǔ)全、積累更多月震數(shù)據(jù)。在月球兩極區(qū)域,高地位置有豐富的光照條件,在永久陰影區(qū)可能含有水冰。近期多國(guó)探測(cè)計(jì)劃都瞄準(zhǔn)了月球南極,探測(cè)水冰的同時(shí)安放月震儀，可以兼顧內(nèi)部結(jié)構(gòu)探測(cè)。在艾特肯盆地著陸區(qū)安置月震儀并采樣返回,對(duì)于研究艾特肯盆地內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組分及其成因和演化過(guò)程具有重大意義。基于此考慮,建議探月工程后續(xù)任務(wù)在近月球南極適宜區(qū)域布設(shè)中國(guó)第一臺(tái)/批月震儀。

2)開(kāi)展多區(qū)磁探測(cè)，深化內(nèi)部結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)

對(duì)磁場(chǎng)的分析有助于深入了解月球古地磁環(huán)境、巖石剩磁以及它從形成到現(xiàn)在的漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中的演化過(guò)程，進(jìn)而研究月球的地質(zhì)狀況，如分層結(jié)構(gòu)、固液氣態(tài)、巖石儲(chǔ)量等等，為將來(lái)開(kāi)發(fā)和利用月球資源提供技術(shù)支持。

美國(guó)阿波羅-12號(hào)和蘇聯(lián)無(wú)人駕駛月球車(Lunokhod-2)各自使用磁強(qiáng)計(jì)在月表進(jìn)行了單點(diǎn)探測(cè)，由此推斷出的分層結(jié)構(gòu)是一維情況，沒(méi)有把月球局部二維電導(dǎo)率橫向變化情況考慮在內(nèi)。建議在月表放置多個(gè)磁強(qiáng)計(jì)，并使用更高精度磁力計(jì)組成陣列，利用各位置磁強(qiáng)計(jì)同時(shí)對(duì)月表磁場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)和記錄。通過(guò)多點(diǎn)、多區(qū)數(shù)據(jù)聯(lián)合反演得到更精確的月球內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息。

3)利用多手段探明極區(qū)水冰分布情況

月球極區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，還可能存在水冰等稀缺物質(zhì)，具有很高的探測(cè)與研究?jī)r(jià)值。與中、低緯度地區(qū)相比，月球極區(qū)地形地貌復(fù)雜，永久陰影區(qū)內(nèi)存眾多在撞擊坑，到目前為止，直接的測(cè)量證據(jù)及水冰賦存狀態(tài)、含量、分布、來(lái)源等信息都不夠充分。通過(guò)深度鉆取及聯(lián)合分析，有望獲得對(duì)原始月殼、月球深部和內(nèi)部圈層更多特性認(rèn)知，同時(shí)可對(duì)月球南極礦產(chǎn)和稀有氣體資源進(jìn)行提取和利用。建議利用光譜儀、質(zhì)譜儀等儀器，開(kāi)展原位探測(cè)與分析，獲取水冰含量等數(shù)據(jù)。利用研磨器、X射線熒光儀、分光儀等設(shè)備，對(duì)其他礦物質(zhì)成分進(jìn)行探測(cè)和研究，為未來(lái)月球資源開(kāi)發(fā)與利用提供重要的科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

5.2 內(nèi)部探測(cè)及鉆取技術(shù)發(fā)展建議

地外天體樣品采集與分析是獲取地質(zhì)結(jié)構(gòu)、資源分布等信息最有效途徑，多個(gè)國(guó)家未來(lái)計(jì)劃實(shí)施的地外天體采樣任務(wù)必將帶動(dòng)技術(shù)進(jìn)一步升級(jí)，提出以下四方面發(fā)展建議。

1)原位保真取芯鉆進(jìn)技術(shù)

在月球深層采樣任務(wù)中，避免機(jī)械擾動(dòng)與熱擾動(dòng)，獲取更為完整、真實(shí)的樣品是研究月球成因與演化的關(guān)鍵。原位保真取芯鉆進(jìn)技術(shù)可以采用原位環(huán)境檢測(cè)反饋補(bǔ)償方法，進(jìn)行“保質(zhì)、保壓、保溫、保濕”保真取芯。針對(duì)在月球極端環(huán)境下存在的取芯擾動(dòng)大、散熱難、排粉難等難題，開(kāi)展鉆進(jìn)過(guò)程的機(jī)-土/巖作用機(jī)理、微擾動(dòng)保層理保密實(shí)度取芯原理與高效微擾動(dòng)自掘進(jìn)排屑機(jī)理等研究，獲得原位層顆粒保持度大于98%和相對(duì)密實(shí)度為100%的月壤，更為完整的保存其原始信息。突破基于月壤原位環(huán)境在線識(shí)別技術(shù)，構(gòu)建存儲(chǔ)月基巖的模擬環(huán)境，利用自愈合膜材，30 min內(nèi)完成月壤樣品保真封裝。

2)月球深層基巖鉆取技術(shù)

目前人類在月球?qū)嶋H鉆進(jìn)的最大深度為3 m左右，尚沒(méi)有獲得月球深部的原始地質(zhì)信息，這主要受制于探月設(shè)備搭載空間限制、搭載質(zhì)量限制以及深層鉆進(jìn)中可能面臨的復(fù)雜機(jī)械問(wèn)題。面對(duì)深層月壤月巖物理力學(xué)性質(zhì)不明等原因，需克服月基大深度取芯摩阻大、動(dòng)力功率需求大等難題，提升深層鉆機(jī)適應(yīng)多樣化對(duì)象鉆進(jìn)、排屑和提取能力。開(kāi)展鉆具在月基環(huán)境下與月壤月巖的摩擦試驗(yàn)，研發(fā)低摩阻鉆進(jìn)自支撐技術(shù)，研究多桿組接鉆具、多級(jí)分段取芯方式、設(shè)計(jì)分段搭接輪盤(pán)式月基樣品取芯器等，突破10 m級(jí)鉆進(jìn)深度、鉆進(jìn)突破能力Ⅶ級(jí)硬度(玄武巖)、單次采樣量大于2 cm3、整體功耗小于400 W的低功耗深層鉆取采樣技術(shù)，采用復(fù)合鉆進(jìn)或者蠕動(dòng)潛入方式有望實(shí)現(xiàn)幾十米甚至百米級(jí)鉆取。

3)廣域分布式原位組網(wǎng)探測(cè)技術(shù)

面對(duì)未來(lái)月球科研站建造需求，前期開(kāi)展擬選著陸區(qū)域表層及次表層月壤剖面特性探測(cè)及環(huán)境探測(cè)，為確定區(qū)域選址提供支撐數(shù)據(jù)。輕小型、低功耗潛入設(shè)備適合進(jìn)行廣域分布式原位組網(wǎng)探測(cè)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)星壤特性普查。開(kāi)展?jié)撊霗C(jī)具與星壤力學(xué)機(jī)理、無(wú)線通訊實(shí)時(shí)與同步協(xié)同等技術(shù)研究，進(jìn)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)、感知集成一體化設(shè)計(jì)，支持探測(cè)器高效潛入，通過(guò)無(wú)線通訊對(duì)多點(diǎn)探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步處理、分析，建議布設(shè)探測(cè)深度大于3 m、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)大于10個(gè)、監(jiān)測(cè)面積大于300 m2的廣域分布式原位探測(cè)網(wǎng)，完成對(duì)區(qū)域磁場(chǎng)(10-3～10-8T)、剖面溫度場(chǎng)(-150～+150 ℃)、地震數(shù)據(jù)測(cè)量及震源定位等探測(cè)，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)月球地質(zhì)環(huán)境變化，提供長(zhǎng)期連續(xù)(超過(guò)1年)的環(huán)境探測(cè)數(shù)據(jù)集。

4)環(huán)境隨鉆探測(cè)與智能鉆進(jìn)技術(shù)

地外天體采樣不確知的鉆探環(huán)境會(huì)導(dǎo)致采樣器在鉆進(jìn)過(guò)程中遭遇極端、意外情況。傳統(tǒng)控制策略可利用的鉆進(jìn)參數(shù)有限，只能通過(guò)力學(xué)反饋獲取機(jī)具的運(yùn)行狀態(tài)，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。隨著抗沖擊、微型化傳感器技術(shù)發(fā)展，開(kāi)展傳感與機(jī)具集成化一體化設(shè)計(jì)，利用多源信息捕捉、智能反饋及動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，獲取原位溫度、壓力等環(huán)境參數(shù)。采集數(shù)據(jù)一方面支撐月壤及環(huán)境信息在線分析識(shí)別，另一方面可更為直觀的監(jiān)測(cè)機(jī)具運(yùn)行狀態(tài)，為智能鉆進(jìn)技術(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。開(kāi)展閉環(huán)智能控制方法研究，提升采樣器面向不確定星球鉆探環(huán)境的適應(yīng)能力，自主進(jìn)行鉆進(jìn)控制策略選擇，自主實(shí)現(xiàn)故障檢測(cè)、處理與恢復(fù)、分析與決策等。

6 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在探月、探火基礎(chǔ)上，未來(lái)將邁向其他行星、小行星、彗星甚至太陽(yáng)系外，內(nèi)部探測(cè)、鉆取、分析技術(shù)必將支撐這些任務(wù)獲得更多數(shù)據(jù)，為人類拓展認(rèn)識(shí)、了解宇宙提供更多信息。地外天體探測(cè)和鉆取技術(shù)受到世界多國(guó)關(guān)注，也是世界航天領(lǐng)域高技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)支點(diǎn)。立足我國(guó)國(guó)情及技術(shù)基礎(chǔ)，推進(jìn)深空探測(cè)活動(dòng)與內(nèi)部探測(cè)技術(shù)協(xié)調(diào)發(fā)展，有望為我國(guó)深空探測(cè)與科學(xué)研究提供更大助力。