行星地质工程原位测试方法*

陈薪硕 李守定 张晓静 魏 勇 李 娟 杨 蔚 李 晓 隋旺华 宋玉环

(①中国科学院地质与地球物理研究所， 北京 100029， 中国)

(②中国科学院大学地球与行星科学学院， 北京 100049， 中国)

(③中国科学院地球科学研究院， 北京 100029， 中国)

(④中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室， 北京 100029， 中国)

(⑤中国矿业大学， 徐州 221116， 中国)

0 引 言

当前，第二轮国际深空探测热潮呈现出新的发展趋势，任务目标逐渐从科学研究转向科研与应用并重，开发利用地外资源，建立常驻基地，已经成为航天大国的重要目标(杨蔚等， 2021)。美国公布了阿尔忒弥斯计划，预计于2024年再次实现载人登月， 2028年在月表建立常驻站点； 欧航局计划在2025年进行载人登月并建立月球基地； 俄罗斯预计2030年前后实现宇航员登月，并与我国联合发布了《国际月球科研站路线图(V1.0)》和《国际月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》； 印度、日本等国也公布了各自的探月规划。我国也发布了宏伟的深空探测任务规划。作为行星地质学与行星工程学的交叉学科，行星地质工程学科将直接支撑行星科研站与基地建设、行星资源开发与未来人类移居，相关研究已迫在眉睫(秦克章等，2021)。

行星地质工程学科主要任务是：查明行星地质资源开发与工程建设的工程地质条件； 开展行星资源开发与工程建设场址的工程地质调查、评价与预测； 研发资源开发利用的行星地质工程技术，解决行星工程地质问题(李守定等， 2019)。开展行星地质工程原位测试是准确获取行星地质体工程特性最直接的方式。

与地球相比，行星地质体在物质、结构与环境3个方面存在较大差异，决定了行星地质体工程特性与地球具有很大的差别。例如：与地球土壤的物质差异体现在月壤玻璃质含量高，火壤含铁矿物含量高(刘汉生等， 2020)； 结构差异体现在月壤和火壤均粒度细、结构松散(Ковaнько et al.，1998)； 环境差异体现在重力、气压、温度和辐照差异等方面(沈立军等， 2009)。

从20世纪50年代末苏联发射了首个月球探测器至今，世界各国共进行了127次月球探测(裴照宇等， 2020)，其中共有66个探测器到达月球表面， 21次任务成功实现了月表软着陆。而在火星探测领域，从1960年苏联尝试发射火星探测器至今，国际上已实施的火星探测任务共47次(欧阳自远等， 2011)，其中成功或部分成功任务共27次(李春来等， 2018； 欧阳自远等， 2012)，成功实现火星表面软着陆的任务有11次。这些探测器均携带着当时较为先进的各种科学载荷，在行星表面开展了一系列的原位探测与测试试验。

Zacny et al. (2010)对行星地质工程原位测试中的圆锥贯入试验进行了总结，并将其划分为十字板圆锥贯入、静力圆锥贯入、动力圆锥贯入以及冲击动力贯入4种；Zacny et al. (2013)还对月表原位钻探取样的方法进行了综述，研究了历次取样任务中的取样方法、取样深度以及取样效果； Latham et al. (1969)总结了阿波罗计划中采用过的地震探测方法，详细对比了各次任务中主动、被动地震探测试验的参数与设备布置； Ellery(2016)将钻探方法与机械臂铲斗操作相结合，对表取和钻取月壤或火壤样品的仪器与方法进行了论述。

前人多对单一行星原位测试仪器及其原理进行了综述，缺乏对原位测试方法与工程特性指标参数规律的系统性总结。文章以行星地质工程原位测试的方法与设备为主要依据，将月球探测和火星探测任务中开展过的原位测试方法分为：触探试验、铲斗试验、钻探试验、地球物理探测和摄影测量等5类，分别分析了各类原位测试方法的原理与科学载荷，对比各种方法中不同测试仪器的差异； 根据月球工程特性原位测试结果将月壤工程特性总结为：粒度分布、密度、孔隙比、抗剪性、压缩性和承载力，并分析了月壤工程特性的变化规律，指出了与地球土壤物理力学特性的差异，旨在为未来新型原位测试方法技术、月球科研站及火星采样返回等提供参考。

1 行星地质工程原位测试方法

以往的行星探测活动，尤其是月球探测与火星探测任务，已经陆续开展了多次行星地质工程原位测试与试验。但受火箭运力限制，探测器体积和质量非常有限，而其承担的科学任务却非常艰巨，这导致地质工程原位测试的仪器设计趋于简化和多功能化。表现在仪器种类繁多，对应的功能也各不相同。因此，按照测试的原理及仪器，将其整理划分为触探试验、铲斗试验、钻探试验、地球物理探测和摄影测量5类，并对每种测试仪器和原理进行了分析。

1.1 触探试验

触探试验分为动力触探与静力触探，是一种将圆锥型探头压入土体中，并在此过程中记录压入阻力的试验方法。在试验过程中，通过在贯入仪器顶端施加静荷载或动荷载将安装有传感器的探头压入土体中。由于各层土壤的物理力学性质不同，因此探头在贯入过程中所受的阻力也在不断变化。使用圆锥贯入试验的测试数据可以估算土的承载力、黏聚力、内摩擦角、压缩模量等多项物理力学指标。

与地球上圆锥贯入方法不同，行星原位测试中的圆锥贯入方法以及使用的测试仪器相对简化。苏联于1966年发射的月球着陆器月球13号即配备有一件较为简易的圆锥贯入试验仪(Cherkasov et al.，1968)。该仪器由锥体外壳、环形载荷板和圆锥探头3部分组成(图1)。锥体外壳由塑料制成，安装有一台喷嘴朝上的小型燃料发动机，为圆锥探头刺入月壤提供动力和引导(Cherkasov et al.，1986)； 环形载荷板内径为71.5mm，外径120mm，作用是在锥头贯入月壤时为其提供支撑力； 圆锥探头由钛金属制成，锥头部分共13mm高，最大直径35mm，锥角103°，整个探头在月壤中的可贯入深度为50mm。在原位测试时，锥体外壳中安装有弹射装置，点火后仪器与锥头顶帽被弹出，锥体外壳与圆锥探头之间的滚珠锁解锁，在0.8s左右的时间内，圆锥探头受到了约65N的压力，贯入月壤深约45mm。为处理测试数据，圆锥贯入仪在地球上采用了14种密度不同的模拟物进行标定。测试结果采用别列赞采夫公式进行计算(Ковaнько et al.，1998)。

图1 月球13号圆锥贯入仪(Cherkasov et al.，1968)

此后，苏联于1970年进行的月球17号任务中，也采用了圆锥贯入试验的方法。其着陆器搭载的月球车1号自主探测器上配备有月球13号上圆锥贯入仪的升级版——锥型叶片贯入仪。这种新型贯入仪相比之前的结构，在锥型探头上加装了两片对称的垂直叶片(Kassel， 1971)(图2)，垂直叶片共宽70mm，高44mm，锥型探头最大直径为50mm，锥角为30°。这种设计后来在传统的地质工程应用中被方欧达(1992)提出，虽然其圆锥贯入试验与十字板剪切试验的测试数据均与普通版本的仪器有所偏差，但偏差规律比较容易探讨，并且该种仪器确实可以同时完成两种试验操作，减少了测试时间与仪器的体积。

图2 月球车1号圆锥贯入仪(Ковaнько et al.，1998)

图3 十字板-圆锥贯入仪(方达欧， 1992)

锥型叶片贯入仪安装在月球车1号上，需要在其月面巡视行进的过程中重复使用，多次测量不同位置月壤的物理力学参数，因此仪器顶部与月球车1号车体由铰链连接。在工作时，月球车1号通过铰链将仪器下放到月球表面，施加垂直压力，将锥型探头压入月壤至深度约50mm处。探头埋置完成后，仪器将带动锥型探头绕轴线扭转90°，通过两侧的垂直叶片对月壤进行剪切破坏。试验完成后再通过铰链将仪器提起归位，用于下一次测试。在此过程中传感器将测定的压入力、压入深度、旋转扭矩、旋转角度等数据传回地球。最终，月壤承载力为竖向荷载与锥体压痕面积之比； 剪切阻力为表面抗剪强度的矩除以叶片上的扭矩。在后续的月球21号任务中搭载的月球车2号自主探测器搭载了相似的锥型叶片贯入仪(Zacny et al.，2010)进行了月壤物理力学性质的测试。

图4 静力贯入仪(Zacny et al.，2010)

美国国家航天局(NASA)在1969～1972年间的阿波罗载人登月计划中，也使用了圆锥贯入仪对月表的物理力学性质进行了测试。阿波罗14号中使用了一种铝制的静力贯入仪，长度680mm，直径9.5mm，一端为圆锥型，顶角为30°。为了方便在测试中读取贯入深度，锚杆上按照长度绘制了宽2mm的环形标线。试验过程中，宇航员单手按压圆锥贯入仪的压力约为70～130N，双手按压约为220N，通过先单手按压，后双手按压的方式，将整根贯入仪压入月壤中。压入过程保持匀速，测量出力与深度的变化关系，并将其换算成锥体指数(单位为kPa的平均压力)或贯入阻力梯度(单位为kPa·mm-1的平均梯度)。

在阿波罗15号与阿波罗16号任务中，宇航员使用了一种自记贯入仪(Zacny et al.，2010)(图5)。这种仪器实质上是一种一端装有圆锥和平板的杆，由宇航员施加外力推入月壤中。贯入仪可使用直径为12.8mm和20.3mm两种不同的锥型探头。贯入压力由宇航员的重力提供，约200N。贯入深度会由划线器自动记录在杆另一端的金属圆筒上，最终可以得到贯入仪在月壤中的外力-贯入深度的曲线。

图5 自记贯入仪(Zacny et al.，2010)

在苏联的月球计划与美国的阿波罗计划中，由于受到火箭运力限制，配备的圆锥贯入仪器重量和体积都控制十分严格，与传统测试仪器并不相同，但从测试原理层面来说，可以较好地完成月壤物理力学特性的测试任务。

1.2 铲斗试验

虽然阿波罗载人登月计划将宇航员送到月球直接进行原位测试工作，但行星探测还是以无人探测器为主。无人探测器上的“手”——铲斗，与“臂”——机械臂，成为了期望代替宇航员操作的一种重要设备。铲斗试验主要获取的物理力学参数包括承载力，黏聚力，内摩擦角和粒度等。

在美国1967年发射的勘察者3号与1968年发射的勘察者7号月球探测器上，就装备了机械臂与挖掘斗(Vrebalovich et al.，1968； Jaffe et al.，1969)。两次任务中使用的机械臂与挖掘斗基本相同，其机械臂的机械结构与自动伸缩门类似，为菱形多铰接结构(图6)，使用转轴与探测器主体连接，可以实现伸缩和转动。当机械臂完全缩短时，可以被收纳进狭小的空间，完全伸长时，长度可达152cm，最大转角112°。机械臂通过放松压缩弹簧实现向前伸出，通过电动机转动收回位于机械臂下方与铲斗连接的钢丝实现缩回。在机械臂末端是带盖的铲斗，安装有测量位移的电位计、测量数值和水平方向力的应变传感器、以及测量负加速度的加速度计，盖的打开与关闭由铲斗上的电动机控制。在铲斗顶盖关闭时，铲斗可以用做载荷板使用，进行月表静载荷试验和冲击试验，载荷板尺寸为25mm×51mm，其中静载荷试验的荷载大小由电动机电流换算得到，最大竖向作用力约为13.5N，位移则由电位计测量(Scott et al.，1969)。顶盖打开时，铲斗可以利用较为锋利的底板前端进行月壤挖掘沟槽的试验，可挖掘的沟槽宽度与顶盖宽度相同，为51mm。在操控顶盖打开和关闭的操作时，可以进行月岩称重，或从较高处抛落月岩，以测试其大致强度。铲斗容积为100cm3，最大可容纳直径为32mm的月岩样品(Scott et al.，1968)。

图6 勘察者3号机械臂(Scott et al.，1969)

不仅月球探测器上装配有铲斗，美国早在1975年发射的火星探测器维京1号、维京2号也装备有铲斗用于获取表面火壤样品(Ellery， 2016)。维京2号计划是作为维京1号的备份机，因此这两辆火星探测器的科学载荷基本一致。其铲斗安装在一根伸缩杆上，下部宽44.6mm，末端为锯齿状，实际取样的铲子位置在其下方，宽61mm，高64.5mm (图7)。在铲子收集过土样后，可以在铲斗上部通过振动过2mm筛。取得的土样用于探测器上的其他科学载荷试验。

图7 维京1 & 2号铲斗装置(Ellery， 2016)

2008年着陆的凤凰号火星探测器也使用了机械臂与铲斗装置(图8)。凤凰号的机械臂全长2.35m(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)，共有4个自由度，机械臂与探测器主体的连接部位可以实现垂向转动和水平摆动，中间部位有一处允许垂向转动的关节，末端连接铲斗的部位也有一处垂向转动关节，支持铲斗的复杂操作。铲斗前端为钛质刀片，用于挖掘火星表面土壤层； 铲斗底部装有一个碳化钨的刮刀，用于刮取坚硬的冻土； 铲斗后部还有一处圆形锉刀，可以磨碎冻土，并将其运移至铲斗内(Arvidson et al.，2009； Ellery， 2016)。在凤凰号火星探测器的任务中，铲斗主要用于辅助其他测试设备，在不同位置进行挖掘操作，暴露和观察冻土层，并为其他多个科学仪器取得不同的表层土样。但通过测量挖掘形式的边坡坡度，建立与挖掘阻力相关的开挖模型，Shaw et al.(2009)估算了着陆区火星表面土壤的内摩擦面与黏聚力。

图8 凤凰号铲斗装置(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)

我国嫦娥五号月球探测器上同样配备了机械臂与铲斗(金晟毅等， 2021)，铲斗的主要任务是铲取表层月壤样品，作为钻取样品任务的补充和保障(图9)。机械臂有4个自由度，可以实现360°无死角操作，铲斗为圆筒状，由电动机控制其进行挖掘和封装的操作。表取样品操作总共进行了12次，取样总量为1500g，并未对月壤性质进行专门测试。

图9 嫦娥五号铲斗装置(中央广播电视总台，2020)

1.3 钻探试验

钻探作为一种非常传统的地质工程探测手段，在各类工程建设中都发挥着不可替代的作用。在行星探测任务中，钻探方法的主要任务是钻取月壤样品并尽可能保持其原位分层信息和辅助其他科学设备的安装。

行星钻进与地球不同，面临着更多的困难和挑战。主要难点包括(鄢泰宁等， 2004； 沈立军等， 2009)：钻探工艺能源供应问题； 运载能力有限导致钻探设备尺寸、质量受限问题； 钻探过程中的润滑和冷却问题； 太空低重力导致钻压不足的问题； 已探明地质信息过少易发生事故且处理困难的问题； 太空中复杂的钻进环境对仪器设备、宇航员的危害问题等。为此，很多学者已经采用模拟土壤样品(Duan et al.，2014； Wu et al.，2014； Zhang et al.，2017)或者数值模拟(Liu et al.，2020)的办法在实验室对钻探进行了深入的研究，为行星钻探设备与工艺的研发提供参考(谢和平等， 2020)。

在已进行的包含钻探任务的月球探测计划与火星探测计划中，按照钻探的自动化程度可分为电动钻进和无人钻进两种。阿波罗11号、12号、14号宇航员采用过手动取土器采集了月表一定深度的月壤样品，但在此过程中并未使用传统钻探中的钻头，也未涉及常见的冲击、回转、震动等钻进方法(鄢泰宁等， 2004；Zacny et al.，2013)。因此，行星钻探实际上由苏联月球16号首次采用，阿波罗计划中则是阿波罗15号首次采用钻探手段。除此之外，月球16号还是历史上第一次进行地外无人钻探取样的探测器，但实际上，月球计划中的3次无人钻探取样任务受当时传感器技术等科技发展水平的限制，取样效果与阿波罗计划相比较不理想。

(1)在阿波罗计划期间，主要采用人工钻探的方法。由宇航员操作使用电动钻机进行钻孔的任务有阿波罗15号、阿波罗16号和阿波罗17号。这3次任务中使用的电动钻机设备大体一致，如图10，由操作手柄、供电电池、动力钻头和螺旋钻杆组成，钻进方法为冲击回转钻进，回转速度为280r·min-1，锤击频率为2270击/分钟，每根钻杆可容纳39.9cm长的月壤柱。任务目标均是钻进3个深度为2～4m的钻孔，其中两个用于安装热流探测计，剩余一个用于采集月壤(Zacny et al.，2013)。这3次任务也是迄今为止钻进和取芯深度最深的月表钻探任务，阿波罗15号钻进深度约为236cm，返回的月壤柱分6段，总长约236.5cm(取芯率大于100%)，总重1343.5g； 阿波罗16号钻进深度约为224cm，返回的月壤柱分7段，总长约180cm，总重1007.6g； 阿波罗17号钻进深度约为305cm，返回的月壤柱分9段，总长约298.6cm，总重1772.5g(Carrier，1974；Allton et al.，1980)。

图10 阿波罗计划电动钻机(Zacny et al.，2013)

(2)在其他的探测任务中，基本都采用无人钻探的取样和测试方法。实际上，从传统钻探角度来说，苏联于1970年进行的月球16号探月任务开展了人类历史上第一次地外星体钻探工作，同时也是第一次在地外采用无人钻探技术(图11)。月球16号与两年后的月球20号配备的钻进设备结构与工作模式基本一致，均是在着陆器外围安装有一根自身可以转动，并且可以水平或垂直摆动的刚性吊杆，吊杆末端带有直径为26mm的取芯螺旋钻头，共有5个切削刃，能够适应从坚硬岩石到粉砂质土之间的各种岩土层，最大钻进深度为380mm(Cherkasov et al.，1986)。钻头顶部内侧有特殊的岩芯破碎器和岩芯保留装置，固定岩芯避免在钻进结束后无法将样品取出(Litvak et al.，2020)。钻进方法为冲击回转钻进，由刚性吊杆提供80～120N的钻压，钻头转速为508r·min-1，冲击频率为1524击/分钟，设计钻速为56mm·min-1。钻进过程中使用的润滑剂(冲洗液)为油蒸汽，钻进前保存在密封圆筒中。钻进结束后，由刚性吊杆转动180°，并通过摆动操作，将装满土样的钻头放入返回舱中密封。最终，月球16号钻孔深度为35cm，返回月壤样品101g； 月球20号由于在布设装置时钻头位置较高，在进行了47mm的空程钻进后才实际开始取样，钻孔深度为29.3cm，返回月壤样品55g(Zacny et al.，2013)。

图11 月球16号无人钻机(Zacny et al.，2013)

与前两次任务相比， 1976年进行的月球24号任务重新设计了钻进设备的结构。月球24号配备的钻探取样设备安装在着陆器一侧的倾斜导轨上，其体积和功率与前代钻探设备近似，但可钻深度大大增加，如图12。在钻进方法的选择上，浅层采用回转钻进，深层采用冲击回转钻进。该钻进设备的亮点在于取样方法：钻进过程中，土样或岩芯被收纳在柔性取样器中，在钻进结束后，由电机带动绳索抽出柔性取样器，最终缠绕在带有螺旋轨道的滚筒上(Litvak et al.，2020)。使用这种获取和保存样品的方法，既可以较好地保留一定的土层分层信息，又能减少土样存储时设备对其过度压实和混合，更好地保存土样原位状态。在月球24号任务中，钻孔最大孔深为225cm，顶角30°，垂直深度约200cm，共返回岩芯160cm，质量为170g(Zacny et al.，2013)。

图12 月球24号无人钻机(Litvak et al.，2020)

我国的月球探测器嫦娥五号首次实施了月表的无人自主钻探取样任务，其上配备的钻探取样器与月球24号的取样器有异曲同工之妙。钻头采用空心螺旋钻头，可以满足多种月壤或月岩的钻取需求。在钻头-钻杆内铺设有柔性内衬用于取样，当钻头钻达指定深度后，柔性内衬会将月壤样品卡在柔性取样器内密封。之后样品储存的方法就与月球24号相似，柔性取样器会被缠绕在圆筒上，在返回样品时保留原始的分层信息。嫦娥五号任务计划钻取深度2m，取带有分层信息的月壤样品500g，因月表下地质条件复杂，月壤厚度与预期存在一定差距，钻进速度偏慢，实际钻取深度约1m，返回钻取样品231g(杨孟飞等， 2021)。

面对比月球更加复杂，已知数据更少的火星表面，钻探方法的实施困难更大，任务更加艰巨。2012年，美国好奇号火星车开始在火星上探寻生命的线索，其核心任务之一就是通过火星岩石原位采样分析仪(Collection and Handling for In-situ Martian Rock Analysis)获取样品并分析，希望在火星表面发现有机碳成分。其取样器类似传统的螺旋钻(图13)，虽然本身并不能获取岩芯，但可以通过冲击回转的方式研磨火星岩石，并在钻进过程中将岩石碎屑带入螺旋状的空隙内。进行原位成分分析时，机械臂会将取样钻头移动到样品入口的漏斗处，只需反转钻头，就可以将岩石碎屑放入后续实验的分析仪器中。取样器最多可以取得50mm深处的岩石碎屑(谢更新等， 2021)。

图13 好奇号取样器(谢更新等，2021)

在2018年开始执行的洞察号火星探测任务中也使用到了钻探方法，其钻头命名为“鼹鼠”，主要作用是协助安装热流探测仪。钻头与热流探测仪支撑架之间由宽系带相连，系带上布置了高精度温度传感器。虽然并没有进行火壤取样，但“鼹鼠”在任务中仍然起着非常重要的作用。“鼹鼠”的设计非常巧妙，属于一种低速的小型贯入仪器，依靠内部的弹簧锤击机构驱动，如图14。运作时，电机其内部轴旋转，带动螺旋状构件向上运动，压缩上部弹簧及锤击装置，而后在旋转一周后，螺旋构件不再受约束，弹簧突然释放能量带动整个锤击装置向下对钻头进行一次锤击，以此循环钻进(Ellery，2016；Spohn et al.，2018； Olaf et al.，2019)。每个冲程约为3.1s，根据深度不同，每次“鼹鼠”向下钻进几分之一毫米至几毫米，任务计划钻进深度为5m(至少3m)(Jason et al.，2017； Wippermann et al.，2019)。但由于着陆区火壤能够提供的摩擦力比预计小很多，导致螺旋构件为弹簧充能时，钻头外侧的摩擦力不足以支持其外壳相对火壤静止，最终任务失败(Spohn et al.，2020)。尽管任务没有成功，但“鼹鼠”钻头为小型甚至微型的地外钻探设备的设计提供了一种思路。

图14 “鼹鼠”钻头工作原理(Jason et al.，2017)

2021年美国毅力号火星车在火星表面着陆，虽然8月初首次采样以失败告终，但在9月1日还是成功采取了火星样品，其搭载的采样与储存系统是目前最为先进的(Margetta， 2021; Potter, 2021)。该系统主要分为3个部分：机械臂(Robot Arm)、取样器(Turret)和存储器(Adaptive Caching Assembly)。取芯器(图15)上有钻头和一个除尘装置，两侧配备了稳定器。存储器由钻头转盘、样品处理机械臂和样品存储点组成。当开始取样工作时，样品处理机械臂先从样品存储点取出空的样品管，并插入钻头转盘上的钻头中。钻头转盘旋转，将钻头及样品管带到火星车外部，由机械臂控制取芯器拾取，然后再移动至目标位置进行钻进取样工作，钻头最深可钻至76mm。钻进完成后，样品管由机械臂送回钻头转盘上，经转盘旋转运送到火星车内部。此时样品处理机械臂再次工作，取出样品管，并对样品进行体积估算、图像记录和密封工作，最终将样品管送回样品储存点(Farley et al.，2020)。毅力号的钻头转盘上共安装有6个取芯钻头、2个研磨钻头、1个表土钻头，存储系统共携带了43个样品管，因此尽管首次取样失败浪费了样品管，但如果后续工作较为顺利，仍然可以取得数量可观的火壤样品。这些样品计划在后续的火星探测任务中返回地球实验室。

1.4 地球物理探测

地球物理探测采用地球物理学原理进行测试，能够获取行星地质体物性参数并划分地质结构(姜明明等， 2010； 张翔等， 2021)。行星地质工程原位探测方法主要为地震探测方法、电磁探测方法。

(1)地震探测方法是指通过自然或人工激发所引起的弹性波，利用其在地下弹性和密度存在差异的岩土体中传播特征的变化，观测和分析弹性波的传播规律，推断地下岩土层的性质和形态的地球物理勘探方法。

由于各岩土层的弹性和密度等性质存在差异，弹性波在其中的传播特征各不相同，在性质不同岩土层的界面处还会发生折射和反射。由安装在地面或地下的检波器接收反射波信号，通过对反射波信号的处理和解释，就可以推断出地下岩土层的结构与分布状况。

传统的地震勘探主要采用人工激发地震的弹性波进行。根据震源类型，可以将其分成两类，主动地震物探和被动地震物探，分别以人工激发地震波和自然地震波为信号源。在行星原位测试中，由于人工激发地震的成本和难度较高，目前利用自然地震信号进行的探测仍然占有很大比例。

月球探测中的月震物探试验主要由阿波罗计划各次任务实施。阿波罗11号、12号、14号、15号、16号、17号都进行了该试验。阿波罗12号及其之后的阿波罗计划都在登月时利用人工激发了地震波。其中：阿波罗14号任务中，宇航员在月表共布置了3个地震检波器，激发了21个爆炸装置，其中13个发挥了预期的信号源作用(Watkins et al.，1972)， 1号检波器附近成功了1次， 2号附近5次， 3号附近7次。阿波罗16号任务与14号类似(Ceri et al.，2020)，也布置了3个检波器，在激发爆炸装置后，又利用火箭发射了4枚炸弹，在稍远距离进行爆破，激发弹性波，炸弹发射参数如表1。

表1 阿波罗16号主动地震试验参数(Ceri et al.，2020)

阿波罗11号任务中，宇航员只在月表布置了简易的三轴月震仪(Latham et al.，1969； Nakamura et al.，1982)，如图16，用于检测自然月震信号，该仪器仅正常运行了3周时间。阿波罗12号、14～16号在自身主动月震试验完成后，进入了被动接收信号的模式，在月表组建了月震台网(Latham， 1972)，正常运行期间共捕捉到了13000多次月震信号。与主动月震试验相比，其探测深度更大，更多侧重于满足月球内部圈层结构的研究。

图16 阿波罗11号三轴月震仪(Latham et al.，1969)

阿波罗17号的宇航员还进行了一次月球地震剖面试验，弹性波信号由人工激发，但探测深度相较于之前增大了很多。试验部署了由4个微型动圈磁铁地震仪组成的规模更大的检测网络，呈三角形分布。信号源为8个爆炸强度不同的爆炸装置(Ceri et al.，1972)。安全起见，在宇航员驾驶登月舱离开月球后，才引爆了爆炸装置。

由于地震研究的重要性，早期在火星上实现软着陆的维京1号与维京2号均装载了三轴短周期火震仪(Anderson et al.，1976)。由于当时火星探测的主要任务是生物学、有机化学及影像资料的获取等方面，所以火震仪在设计上受到了很大的限制，尺寸小、重量轻、数据占用小、装载位置较差等等(Anderson et al.，1977)。该仪器长12cm，宽15cm，高12cm，重2.2kg(Anderson et al.，1972)，位于设备舱上部， 1号支架旁边，如图17。有效频率为0.1～10Hz，地面振幅分辨率在3Hz下为2nm、1Hz下为10nm(Anderson et al.，1977)。

图17 维京1号科学载荷分布(Don et al.，1977)

近两年成功登陆火星并执行一系列勘察任务的洞察号火星探测器也进行了火震探测试验。这也是人类第一次将火震仪布置在火星表面实施监测任务(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)。火震仪由4部分组成：传感器组件、电子盒、连接带和温压保护罩。传感器组件包括2个科学仪器，1个三轴超宽频带地震仪和1个三轴短周期地震仪。前者覆盖频率范围为0.01～50Hz，后者为0.1～50Hz(肖万博等， 2021)。温压保护罩是安装在仪器上方的圆形罩子，较好地避免了火星表面风力与较大温度变化等因素对仪器的干扰，图18为洞察号正在使用机械臂为火震仪安装温压保护罩。根据其运行两年多记录的火震数据，Knapmeyer-Endrun et al.(2021)基于两种不同的火星内部结构模型，较为准确地约束了洞察号下方的火星壳厚度，观测结果为20±5km和39±8km，又结合火星全球重力和地形数据，推算出整个火星壳的平均厚度为24～38km和39～72km。

图18 洞察号火震仪(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)

(2)电磁探测方法主要是探地雷达，利用天线发射和接收电磁波来探测介质内部特性和分布规律的一种地球物理方法。探测时，设备将电磁波发射到地下，由于地下介电特性的变化，部分传播波反射回天线。根据反射波返回的时间可以计算出地下介电特性发生变化的位置。经过一系列的数据处理步骤，即可绘制出探地雷达剖面图(Hamran et al.，2020)，进而用于分析地层结构与地下异常体。与地震法相比，基于电磁方法的雷达有高精度、高效率、无损坏、设备集成度高等优点，因此被广泛应用于各种地质勘察任务中。受限于技术发展水平，近些年来探地雷达技术才逐渐应用到行星探测任务中。

我国探月工程的嫦娥三、四、五号3次任务中，均装载了测月雷达设备。其中嫦娥三号与嫦娥四号的月球车玉兔号、玉兔二号搭载的测月雷达基本参数一致(李洪丹， 2019)，均为双频探测系统，工作时低频为60MHz，高频为500MHz，频带分别为40～80MHz和250～750MHz(Fang et al.，2014； Dong et al.，2017; Li et al.，2020)。玉兔号雷达探测深度约100m，虽然仪器相同，但由于着陆区岩土层性质的不同，玉兔二号的实际探测深度比玉兔号更深，可以达到330m(Lai et al.，2020)至450m(Zhang et al.，2021)。玉兔号月球车已于2016年7月停止工作，在月面行驶114m途中对沿线进行了雷达探测(Xiao et al.，2015;Zhang et al.，2015; Lai et al.，2019)，玉兔二号也进行了同样的探测工作，现在仍在正常运行中，累计行驶距离已超过680m。玉兔二号部分探测结果如图19。

图19 玉兔二号测月雷达探测剖面示意图(苏彦等， 2020)

与这两辆月球车不同，嫦娥五号探测器的主要任务是月表取样，因此，其测月雷达(即月壤结构探测仪)也是为取样工作服务的。其探测更侧重于高精度，为钻探取样提供帮助，探测深度约为3m，分辨率可以达到厘米级别。

在火星探测方面，中国祝融号火星车上配备有测火雷达，其低频中心频率为55MHz，工作带宽为40MHz，分辨率为米级，针对土壤和冰的探测深度分别约为10m和100m； 高频中心频率为1300MHz，工作带宽为1000MHz，分辨率为厘米级，针对土壤和冰的探测深度分别约为3m和10m(李春来等， 2018； Zhou et al.，2020)。

美国的毅力号火星车上也配备有测火雷达，具体来说为调频连续波测火雷达，安装在距离地面60cm的高度，由3个部分组成：电子设备箱、蝶型天线和短路同轴校准电缆(Farley et al.，2020)。其工作频宽为150～1200MHz，预计应达到的探测能力为：能够测量表面反射、能够测量地下30cm处信号强度比表面低27dB的反射、探测地下10m深的松散风化层并在介电常数对比度为20%标准下划分地层。在探测火壤的同时，也对火星表面的冰进行探测和识别(Hamran et al.，2020)。

1.5 摄影测量

除了以上几种直接探测的方法外，还有一种比较特殊的原位测试手段——近距离摄影测量。在很多情况下，近距离摄像的方法都不能直接获取原位测试数据，但其在整个行星探测的任务中，却一直发挥着不可替代的辅助作用。甚至在早期的一些探测任务中，受技术水平和一些其他因素影响，近距离摄影测量成为主要的探测方法，例如苏联发射的月球9号探测器(Ковaнько et al.，1998)。尽管近距离摄像在大多数情况下只能发挥辅助作用，但仍有少部分原位测试任务主要由摄像设备完成，这也是行星原位测试的一个重要组成部分。根据摄影所得图像中信息的不同，近距离摄影测量可以划分为自然图像处理和人类活动痕迹辅助研究两类。摄影测量评价的指标主要有粒度和基床系数。

(1)自然图像处理方法是指通过分析探测器拍摄的未受人类活动扰动的行星表面照片，得出行星表面土壤岩石部分性质的方法。摄影及图像处理在早期探测活动中是获取行星表面部分物理性质的主要手段，但随着科学技术的发展，其重要性逐渐下降，而早期摄像又受科学技术发展水平的限制，图像清晰度、色彩等质量不理想，因此实际能够获得的数据比较有限。

由苏联研发发射，实现了人类首次月球软着陆的月球9号探测器，在月表拍摄了很多月岩月壤的黑白照片。受分辨率影响，这些照片并不能用来分析月壤的粒度组分，但可以通过近似计算得出在拍摄范围内(约50m2)月岩的大致分布情况。同年年末，月球13号月球探测器配备着与月球9号相同的摄像设备在月表软着陆成功，获得了在其摄像范围内(14.31m2)月岩的大致分布情况。

1966年6月，美国研发的月球探测器勘察者1号软着陆成功，并利用摄像机对月壤的物理参数进行了研究。勘察者1号的摄像机最高能在1.6m处达到0.5mm的分辨率，能够分辨粒度较小的月壤颗粒，因此根据拍摄的照片对拍摄范围内(100m2)月岩与月壤进行了颗粒粒度的统计。

此后发射的勘察者3号、5号、6号在勘察者1号摄像的基础上额外安装了反射镜，增大了摄像角度和范围。采用了相同方法分析了各自着陆区及周边地区的月岩与月壤的粒度分布状况(Ковaнько et al.，1998)。

在后续的行星探测计划中，取样等技术逐渐发展，在粒度分析方面逐渐取代了自然图像处理，获得了更加准确的粒度分布数据。

(2)在探测器或者宇航员在地外天体表面进行科学活动时，必然会在这些天体表面留下很多活动痕迹。由于专门的测试仪器取得的数据较为有限，这些登陆时的活动痕迹也成为了一种珍贵的数据来源，其中摄像是记录活动痕迹最主要的手段之一。同时，与处理分析自然图像相比，登陆痕迹在形成的过程中有人类产生的已知的外力因素介入，能够更好地反映天体表面的物理力学性质。

勘察者1号的摄像系统在着陆后记录了缓冲部件压入月表的深度。勘察者3号在着陆过程中在月面进行了两次弹跳，如图20，其摄像系统拍摄到了两次弹跳对月壤形成的压痕。勘察者5号着陆在坡度约20°的斜坡上，导致其发生了一定的滑移，摄像系统记录下了支架滑移造成的长沟。勘察者6号在正常运行一周后，重新启动发动机，向前跳动了4m，跳跃高度为3m，并在重新着陆时弹跳了两次，额外制造了支架与月壤作用的痕迹。研究人员将这些痕迹的照片与支架上力学传感器的测量结果相结合，粗略计算出了各次任务中月表的承载力等物理力学特性。同样，在阿波罗计划中，登月舱支架的压痕和宇航员的脚印也都被用来估算月壤的承载力。

图20 勘察者3号在月面弹跳(Christensen et al.，1968)

除此之外，还有一种非常重要的活动痕迹可以反映月壤的物理力学性质——车辙，这在传统学科中属于车辆地面力学范畴。地面力学是一门以近地面土力学为基础，研究车辆在工作过程中与地面相互作用关系的一门边缘学科，旨在改进车辆设计。在行星原位测试中进行逆向思维，通过已知的月球车、火星车的具体参数，结合摄像系统与图像处理技术分析在行星表面行进产生的痕迹，反演行星表面土壤的物理力学参数。

由于月球车与火星车的车轮与传统轮胎有较大差异，因此用传统物理方法与力学方法研究时需要进行一定的修改(Liang et al.，2009)。行星表面土壤与环境也与地球大不相同，测量滑移率时需要改进图像分析方法提高准确率(李楠等， 2016)。张锐等利用三维离散元数值模拟的方法对轮土作用进行了研究(Zhang et al.，2020)。薛龙等(2020)采用机器学习的方法对火壤性质进行反演分析，使用的算法有牛顿迭代法、最小二乘法、神经网络和支持向量机等等。

在月球探测与火星探测任务中，所有的巡视器都进行了轮土作用方面的研究。探月工程的月球车号、玉兔系列(Tang et al.，2020)，火星探测工程的索杰纳号到毅力号、祝融号，这些无人巡视器行驶过程中与行星表面的相互作用，都是研究行星土壤的一种重要手段。

2 月壤与火壤的物理力学特性

目前进行的行星探测活动主要是针对月球和火星，因此月壤或火壤的物理力学特性研究的重要程度最高，已有研究成果也最多。月壤和火壤的物理力学特性主要由粒度分布、孔隙比、堆积密度、黏聚力、内摩擦角、变形模量和承载力等参数指标表征。在探测器着陆、宇航员登陆，甚至是未来科研站、基地建设以及人类移居工程中，这些物理力学特性都是不可或缺的技术参数。因此，在现阶段，查明月壤和火壤的基本物理力学特性是最重要的科学目标之一。

原位测试方法或仪器的多样性与多功能性，决定了部分测试方法可以测得多个参数指标，参数指标也可以通过多种测试方法测得。除此之外，针对已经实现了取样返回任务的月壤，实验室内的样品试验也是获取物理力学参数的重要途径。

2.1 月壤的粒度

在早期月球探测活动中，月壤的粒度分布主要由图像法测定，即通过处理探测器摄像设备返回的月表照片分析获得。最先返回月表图像的月球9号与月球13号探测器，受摄像设备分辨率的限制，其照片只能分析出拍摄范围内月岩的粒径和分布状况(表2，表3)。

表2 月球9号月岩粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

表3 月球13号月岩粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

而在勘察者系列任务中，成功进行月表着陆的1、3、5、6、7号探测器均进行了该项测试。研究发现，这几次任务中月壤的粒度分布累积曲线在双对数坐标下均基本满足线性关系，可统一用下式表示

N=kD-γ

式中：N为在图像摄像范围内直径大于D的颗粒的数量；D为图像中可辨别出的颗粒的直径(mm)；k、γ为粒度分布常数。

采用对数形式表示为：

lgN=k-γlgD

各次勘察者任务的研究结果中，粒度分布累积曲线如图21。

图21 勘察者着陆区域月壤粒度分布曲线(Ковaнько et al.，1998)

在后期的月球探测任务中，无人探测器与宇航员从月表取回了月壤样品，采用室内试验的方法才得以更加精确地测定月壤的粒度分布。各次取样任务月壤粒度估算结果如表4，Gromov(1998)也对这些任务登月点的月壤粒度参数平均值进行了估算(表5)。其中：阿波罗16号返回的不同深度的月壤样品的粒度分布如表6。随着采样深度的增加，月壤整体粒度稍微有所增大，但并不明显，推测是由于天体撞击导致浅层月壤进行了一定的混合，再次沉积的时间跨度还不足以使其呈现出明显的成层性(Gromov， 1998)。

表4 月壤中值粒径与平均粒径的估算结果(Heiken et al.，1992)

表5 月壤粒度研究结果(Gromov， 1998)

表6 阿波罗16号不同深度月壤粒度分布(郑永春等， 2004)

2.2 月壤的密度

堆积密度是指粉体材料自由堆积在容器中，未经振动或压实时的单位体积质量，针对月壤时即指月壤的天然密度。月壤的堆积密度，尤其是密度随深度变化的规律，与热力学、电磁学等其他物理参数有着较强的关联性(Slyuta， 2014)，这对工程非常重要。在一些场合中，也可以使用容重表示。间接测试和估算月壤堆积密度、容重的方法有很多，月球9号、勘察者1号任务中根据摄像资料进行估算，月球13号采用γ射线散射法，勘察者3号、5号采用实验室模拟标定的方法进了测试(表7)。

表7 月壤堆积密度或容重

其中：阿波罗15、16、17号采用人工电动钻机进行取样，月壤柱保留了较好的分层信息(Carrier， 1974)，月壤样品随深度的变化如图22 和表8。除阿波罗17号因月壤柱扰动导致浅部密度偏大以外，随深度的增大，月壤的密度整体呈现增大的趋势。

图22 阿波罗15～17号月壤样品密度与取样深度的关系

2.3 月壤的孔隙比

孔隙比定义为土体中的孔隙体积与固体骨架体积的比值，能够反映土体结构的密实程度。通常情况下，孔隙比的值越大，土体越疏松，压缩性相对较强； 反之，土体越密实，压缩性相对较弱。

在一些场合，还可采用孔隙率(n)表示土体结构的密实程度，与孔隙比的换算方法如下式

孔隙比的值一般不能通过测试直接获得，需要通过土体的比重和天然密度计算得到，如下式

式中：e为土体孔隙比；Gs为土体固体颗粒比重；ρ0为4℃时纯水的密度；ρ为土体天然密度。

在月壤的测试中，比重主要由颗粒的矿物组分决定，在较大范围内变动。玻璃质颗粒的比重从1.0波动到3.32，玄武岩颗粒通常小于3.32，角砾岩颗粒约为2.9～3.1(Slyuta， 2014)。

由不同探月任务中月壤样品的室内试验测试数据估算的月壤孔隙比如表9(Gromov， 1998)。根据实际测试数据，月壤的孔隙比随深度的增加逐渐减小(表10)，陨石坑内部与边缘环形山相比稍小(Slyuta， 2014)(表11)。

表9 月壤孔隙比(Gromov， 1998)

表10 月壤孔隙率随深度变化关系(Slyuta， 2014)

表11 不同位置月壤孔隙率对比(Slyuta， 2014)

2.4 月壤的抗剪性

在月壤物理力学性质测试中，黏聚力与内摩擦角是两个对工程非常重要的参数指标。黏聚力是月壤颗粒间相互吸引的能力； 内摩擦角反映了月壤颗粒之间相对运动，提供摩擦的能力，正应力相同时，内摩擦角越大，颗粒间摩擦力越大。根据莫尔破坏准则，月壤的抗剪强度可以用黏聚力和内摩擦角表示，如下式

τ=σ·tanφ+c

式中：τ为月壤的抗剪强度；σ为破坏面所受正应力；φ为月壤的内摩擦角；c为月壤的黏聚力。

月壤的黏聚力与内摩擦角原位测试主要由测试仪器与月表相互作用完成，比如圆锥贯入仪、铲斗，还包括探测器支架及月球车车轮。在月壤样品返回地球后，实验室内也进行了相关试验(表12)。

表12 月壤黏聚力与内摩擦角(Ковaнько et al.，1998)

根据Carrier等人统计的数据，月壤的黏聚力与内摩擦角随深度的增大有增大的趋势(表13)。同时，根据原位各次探测任务的原位测试结果，月壤的抗剪参数还与孔隙比具有相关性(表14)。

表13 月壤抗剪参数随深度变化关系(Slyuta， 2014)

表14 月壤抗剪参数与孔隙比的关系(Gromov， 1998)

2.5 月壤的压缩性

研究测试月壤的压缩性对工程也极其重要，通常采用变形模量来表征，即通过原位测试测得，土体在部分侧限条件下，应力增量与应变增量的比值。同时，压缩模量也是常用的反映土体受压变形特性的指标，其定义同样为应力增量与应变增量的比值，但与变形模量相比，压缩模量一般由室内侧限压缩试验测得，较原位测试更易进行，同时因为试验条件为完全侧限，导致其不能较好地反映土体原位真实的变形性质。在假设土体为线弹性材料的前提下，可以通过广义胡克定律推导出压缩模量与变形模量之间的关系(张博， 2020)，如下式

式中：E0为月壤的变形模量；ES为月壤的压缩模量；μ为月壤的泊松比。

实验室在测试样品压缩模量时，常常还是用压缩系数来表示，压缩系数与压缩模量能够直接换算，如下式

式中：e0为月壤的天然孔隙比；a为月壤的压缩系数。

从定义上来说，压缩模量与变形模量都是应力与应变的增量之比，考虑到月壤原位测试时，仪器受各方面限制，测试数据不足以支持连续的小增量比值计算，因此还常用基床系数表示月壤的压缩特性。基床系数定义为月壤表面所受压强与总变形之间的比值，假设月壤是线弹性材料时，基床系数可与变形模量进行换算，如下式

K=ES·H

式中：K为月壤基床系数；H为研究或测试的月壤总厚度。

各探月任务中原位测试和样品试验所得的月壤的压缩特性如表15。

表15 月壤的压缩特性

与地球上土壤的性质相似，月壤的压缩性也随荷载级别的提升以及孔隙比的减小而变弱，月球16号返回样品的分级荷载试验结果如表16，不同孔隙比下月壤样品的压缩系数如表17。

表16 月球16号样品压缩系数随荷载的变化(Slyuta， 2014)

表17 不同孔隙比下月壤样品的平均压缩系数(静压条件)(欧阳自远， 2005)

2.6 月壤的承载力

月壤的承载力是在月表进行工程活动最基本、最直接的一项指标，由自身堆积密度、孔隙比和压缩性等多个方面因素决定。由于高真空、低重力的沉积环境，表层月壤的承载力非常低，但随深度的增加承载力逐渐增大。各次探月任务中均对月壤的承载力进行了大量的测试(表18)。可见，月表有一层承载力非常低的极松散层，其厚度在不同位置有所变化，一般小于10cm。深度接近和大于该薄层后，月壤的承载力显著上升，具备一定工程承载能力。

表18 月壤承载力(Ковaнько et al.，1998)

2.7 火壤的物理力学特性

由于火星探测器上几乎没有配备专门用于测试火壤物理力学特性的科学载荷，因此，相关参数只能通过摄影测量、机械臂铲斗和土壤的相互作用等方法间接获得。根据火星土壤的颗粒特征和力学性质，将其划分为堆积物、壳状至土块状物质和块状物质3类(欧阳自远等， 2017)。堆积物松散、多孔、粒度较小，内摩擦角、密度、承载能力都较小，压缩性好； 壳状至土块状物质粒度分布范围广，黏聚力低，内摩擦角中等； 块状物质粒径偏大，胶结程度高，黏聚力高。

从1975年维京1号至2003年勇气号、机遇号以来，已经获取的火壤物理力学特性参数(表19)。

表19 火壤物理力学特性(Moore et al.，1989，1999;Arvidson et al.，2004a， 2004b；Shaw et al., 2019)

3 结论与建议

行星地质工程原位测试方法与技术，是制约未来行星科学探索、行星资源开发与人类移居的瓶颈问题，通过行星地质工程原位测试方法的分类与物理力学参数总结，得到如下结论：

(1)与地球相比，行星地质体在物质、结构与环境3个方面存在较大差异，决定着行星地质体工程特性与地球具有很大的差别，开展行星地质工程原位测试是准确获取行星地质体工程特征的最直接方式。

(2)与地球原位工程测试方法相比，现有行星地质工程原位测试方法较不成熟，主要体现在测试方法和仪器受各种因素约束进行了简化； 行星表面的复杂环境限制了各种科学载荷的测试能力。

(3)行星土壤的物理力学性质在多个方面与地球土壤差异较大。例如，与地球土壤相比，月壤具有孔隙率高、压缩性弱、内摩擦角大、黏聚力低、承载力弱等特点。随着深度的增加，其孔隙比逐渐降低，压缩性、承载力数值均有增大趋势。未来应针对行星和地球土壤物理力学特性差异的本质开展深入研究。

未来进行行星地质工程原位测试方法与技术研究，应针对已经返回的嫦娥五号月球样品(Yang et al.， 2021)和未来将要返回的嫦娥六号月球样品，研发模拟行星环境的样品测试技术与仪器，开展物理力学特性研究； 以行星探测任务为载体，结合地面微重力模拟测试平台和物理力学本构理论研究，研制小型轻量、自动智能的工程特性原位测试科学载荷，获取更加准确的月球和火星土壤和岩石的工程特性参数，支撑月球科研站、基地建设和火星取样返回等深空探测任务。