含冰月壤冻土钻取采样方案设计与验证

季节 杨旭 张伟伟 肖涛 孙京 姜生元

(1 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)(2 哈尔滨工业大学 机器人技术与系统国家重点实验室，哈尔滨 150001)(3 中国空间技术研究院遥感卫星总体部，北京 100094)(4 中国卫通集团股份有限公司，北京 100190)

依据多年遥感探测积累的观测证据，研究者认为月球极区的永久阴影区中存在水冰[1-2]，但已有的证据均来自间接测量，尚缺乏关于月球水冰的直接测量证据，且其赋存状态、含量、分布、来源等问题仍未得到解答[3]。因此，在月球极区着陆对月球水冰开展原位探测具有重要科学意义。对含冰月壤样品的取样和分析，是了解其组成并推断其形成和演化的最直接和有效的方法，而通过钻探取样的方法获取样品是在以往行星探测任务中经过多次验证的重要手段[4]。面向月球水冰的原位探测目标，国外规划中的多个任务都设计了采用钻取方式获取含冰月壤样品的方案，我国在探月工程四期任务中也计划进入月球极区的永久阴影坑内对含冰月壤进行取样，并由搭载的科学仪器进行原位分析[5]。

嫦娥五号任务是我国第1次地外天体采样任务，采用中空钻具和无滑差软袋取芯的方案[6-7]，在月面作业中对月表以下深达1 m的月壤实现了连续采样，获得了具有良好层序保持性的连续月壤剖面样品[8]。但是，嫦娥五号钻具的取芯机构方案是为干燥月壤对象和采样返回目标设计的，不适合于原位分析任务中的含冰月壤采样。俄罗斯计划中的月球-25(Luna-25)任务拟采用铲挖的方式获取含冰月壤样品；月球-27(Luna-27)原计划搭载ESA研制的钻具，使用钻头处可开合的容腔实现含冰月壤采样；美国毒蛇号(VIPER)月球车任务在传统螺旋钻杆的基础上将钻杆最前端的螺旋槽加深来容纳月壤样品。文献[9]对上述多种含冰月壤钻取采样方案进行了比较分析，认为使用具有深槽螺旋结构的钻具进行钻孔和采样是比较适合我国月球极区含冰月壤采样探测需求的实施方案。

本文将从含冰月壤采样分析技术特点和永久阴影坑月壤环境条件分析出发，对深槽螺旋钻采样方法的能力要求进行分解，基于回转切削和螺旋输送的机-土作用基本理论对深槽螺旋钻具的关键结构参数和规程参数开展识别和分析，进行采样方案的正向设计。构建模拟月壤试验环境，对设计方案的钻进能力和采样能力进行测试，从而对采样方案的可行性进行验证。

1 采样方案设计需求分析

1.1 含冰月壤采样难点分析

月球上的水冰赋存在月球极区的永久阴影坑中，含冰月壤采样钻具需要由探测器平台搭载进入永久阴影坑内开展钻取采样作业，根据永久阴影坑内环境条件和含冰月壤采样分析技术特点，实现含冰月壤的采样作业存在以下难点。

(1)作业时间约束强。永久阴影坑内无光照，没有太阳能作为持续能源供应，无法维持长时间的坑内连续作业，因此对于在坑内的含冰月壤钻取采样作业提出了较强的时间约束。提高钻具的采样作业执行速度，特别是对含冰月壤冻土的钻孔进给速度，是保证采样任务顺利完成的关键。

(2)月壤冻土机械强度高。月球永久阴影坑内环境温度极低[10]，水冰可能与月壤颗粒以冷冻胶结形式存在，形成整体具有较高机械强度的月壤冻土，增大了钻具钻孔破碎月壤冻土获取样品的难度[11]。

(3)样品原位分析仪器对样品粒径和质量存在要求。通过钻孔取样获得的含冰月壤样品需要转移至分析仪器进行原位分析，仪器需求的样品形态通常是细粒径的碎屑形态，且有质量下限要求[12]，因此要求采样钻具能够对获取的月壤冻土样品进行充分破碎，同时能够一次性获取较多质量的样品。

(4)水冰分布具有随机性。已有的月球水冰探测结果基于遥感方法获得，空间分辨率差，难以在含冰月壤采样探测需求的尺度上给出水冰赋存区域精确定位；水冰在永久阴影坑内可能以表面霜冻层、地下埋藏水冰等形式赋存[13]，可能在局部区域内呈现随机分布的情况，增大了钻孔取样找到水冰的难度。

1.2 采样能力要求分析

根据含冰月壤采样作业的难点分析，采样方案设计应满足以下能力要求。

(1)月壤冻土高效钻进能力。作业时间约束强、钻孔载荷有限，且月壤冻土机械强度高，要求钻具能够以较高的进给速度实现月壤冻土的钻孔破碎。

(2)重复使用多点采样能力。永久阴影坑内水冰的赋存分布不明确，可能具有随机性，因此要求采样方案具有多次重复使用能力，从而允许在坑内多个采样探测位置进行多次钻孔和采样，获得较多样品，提高找到水冰的概率。

(3)获取碎屑形态样品能力。钻具获取的月壤样品需要为碎屑形态，而中空取芯方案因为会在穿透月壤冻土时保留整块的硬质土芯作为样品而不适合采用，需要采用全面钻头在钻进过程中对整个钻孔截面的月壤冻土进行破碎，然后捕获碎屑形态的月壤样品。

2 采样方案设计

采样方案的设计需要满足获取碎屑形态样品和多次使用的要求，同时还需要提高对冻土的钻进能力、保证单次采样获取月壤样品的质量。

2.1 深槽螺旋钻采样方案

根据分解出的采样方案能力要求，提出了采用小直径钻具以回转冲击钻进方式实现月壤冻土高效钻孔、使用具有深槽螺旋结构的钻杆(以下称为“深槽螺旋钻”)进行月壤采样的方案，如图1所示。回转冲击钻进的原理如图1(a)所示，回转电机带动钻杆旋转切削，转速为nd；冲击电机带动冲击凸轮旋转，凸轮推动作为冲锤的凸轮从动件压缩冲击弹簧储能，越过释放点后将弹簧势能转化为冲锤的动能敲击钻杆，实现对钻具一定冲击功W和频率可调的冲击作用，叠在加钻头原有的钻压力Fpen上对高机械强度的月壤冻土实现辅助破碎。

深槽螺旋钻的前端钻杆是为容纳月壤样品专门设计的，相对于钻杆外径而言，具有较深的螺旋槽，以增加月壤样品的容积，同时具有较小的螺旋升角，以减缓月壤在螺旋槽中的输送速度。采用全面型钻头设计，在钻进过程中将钻孔路径上的月壤冻土破碎为细颗粒碎屑形态，产生的月壤碎屑进入深螺旋槽内被捕获成为月壤样品，满足了样品形态要求，多余的月壤沿后端螺旋排除；将螺旋槽内的月壤清扫或倾倒清除后可以多次重复使用，能够满足月球极区多点取样分析的要求。深槽螺旋钻的取样过程包括如图1(b)所示的4个阶段。①钻进阶段：钻具从月壤表面开始钻孔，转速为nd，进给速度为vp，直到钻头到达需要开始取样的目标深度；②取样阶段：在钻头到达目标地层后(如含水冰的月壤层)，钻具继续钻进，钻头新破碎产生的月壤样品填充到钻杆前端深螺旋槽，达到在采样地层中所需的采样长度Ls后停止；③提钻阶段：钻具停止钻取并向上提出钻孔；④刷样阶段：使用刷样机构配合钻具的回转和进给运动，获取填充在螺旋槽中的月壤样品。

2.2 钻进能力分析

对深槽螺旋钻的钻进能力进行设计分析，提高其在月壤冻土中钻进能力的主要方法包括减小钻头直径和增加冲击辅助。

在高强度的月壤冻土中钻进时，钻头切削刃在有限的钻压力下难以压入冻土，造成钻头打滑而无法进行有效切削。虽然通过改进钻头切削刃的材料性能、优化钻头结构尺寸等方面可以在一定程度上提高钻头的钻进效能，但决定钻头钻进速度的核心因素是单位钻孔面积上能够获得的钻压力。在有限的钻孔作业载荷下，减小钻具的直径可以增大切削刃接触冻土的压强，提高钻进速度。建立如图2所示的钻进速度预测模型，分析钻头直径对钻进速度的影响，将钻头的切削刃取一小段直线微元，将回转切削运动展开简化为小尺度的直线切削运动组合，以正交切削假设建立切削负载模型。假设月壤冻土的切削破坏符合莫尔-库伦强度准则，沿图2(b)中所示剪断面破坏。其中：hc为切削刃的切削深度；R为钻头直径；fR为切削刃微元的切削阻力；fcut和fpen分别为fR在水平和竖直方向的分力；γ为切削刃前角；λ为月壤冻土的剪切破碎角；φs为月壤冻土的内摩擦角；φc为月壤冻土与钻头切削刃之间的摩擦角；Fs为剪断面上由正应力和内摩擦力引起的合力；Fτ为剪断面上破坏冻土内聚力所需要的剪切力。

图2 钻进速度预测模型Fig.2 Prediction model of feed rate

对月壤冻土切屑块做受力平衡分析，可推导出单位切削刀宽度的2个切削分力分别为

(1)

式中：c为月壤冻土的内聚力。

按最小能量原理，λ应该使破碎时的切削合力最小[14]，因此有λ=(π/2-φs-φc+r)/2。将式(1)沿钻头半径方向积分，即可得到钻头所需的切削扭矩Mcut和钻压力Fpen分别为

(2)

计算140 N钻压力、120 r/min钻头转速条件下，4.0%含水率月壤冻土和8.5%含水率月壤冻土的理论钻进速度与钻头直径之间的关系，结果如图3所示，钻进速度随钻头直径的减小而显著增加。要求钻具在钻进8.5%含水率冻土时，钻进速度不小于10 mm/min，则钻头的直径应该小于25 mm；但是，钻具直径过小时，细长钻杆的抗弯刚度和抗失稳载荷也迅速降低，因此钻具直径也不能过小。经校核计算，钻具的直径设计为20 mm。

图3 理论钻进速度与钻头直径关系Fig.3 Theoretically predicted feed rate in relation to drill diameter

另外，对钻杆进行冲击，传递到切削刃的瞬时冲击力也能够实现对冻土的有效破碎，从而提高钻进速度。决定钻头对冻土冲击破碎能力的关键参数是驱动机构在单次冲击中能够提供的冲击功，涉及到冲锤与钻杆的碰撞过程、应力波在钻杆中的传递过程和钻头切削刃对冻土的冲击过程。采用动力学仿真方法，对钻具冲击冻土的耦合过程进行仿真计算(如图4所示)，结果表明：在冲锤获得2 J动能条件下，月壤冻土中受冲击产生的最大主应力可达68 MPa。经单轴抗压强度测试，含水率8.5%、相对密实度99%工况的含水模拟月壤冻土的单轴抗压强度为35～40 MPa。因此，2 J冲击功足够实现高机械强度冻土的破碎，加快钻进速度。

图4 冻土冲击应力动力学仿真Fig.4 Dynamic simulation of impact stress in regolith

2.3 采样能力分析

深槽螺旋钻的采样能力设计主要考虑使月壤样品在螺旋槽中达到一定填充密度和质量，对钻杆前端深螺旋槽的结构尺寸和采样阶段的钻进规程参数进行分析和设计。

深槽螺旋钻杆的结构尺寸如图5(a)所示，涉及的尺寸参数较多，但可以划分为径向和轴向2个尺寸链。在钻杆外径ro确定的情况下，螺旋槽深度df确定了径向尺寸链；对于轴向尺寸链，l为导程，螺旋翼厚度h通常考虑结构强度需求确定(取1.5～2.0 mm)，因此螺旋槽宽度wf是待确定的轴向尺寸链参数。假设采样过程中月壤样品能够充满螺旋槽，沿螺旋槽的螺旋上升方向取圆心角为ε的月壤微元，进行受力分析，如图5(b)所示。其中：α为螺旋槽的螺旋升角；ri为螺旋槽内径，ri=ro-df；β为月壤微元的排屑角，由输送流量决定；m为月壤微元的质量；g为重力加速度；ω为钻头旋转角速度；Fr为惯性离心力；月壤微元内、外、上、下侧面的法向力分别为Fin,Fout,Ftop,Fbot。

图5 钻杆螺旋槽中月壤输送模型Fig.5 Model of lunar regolith conveying in auger flutes

由于期望获得较多质量的月壤样品，假设月壤微元在螺旋槽中为挤密状态，存在各项同性的均匀内应力σ，则月壤微元内、外、上、下4个侧面的摩擦力分别为

(3)

式中：μs为月壤的内摩擦系数；μc为月壤与钻杆螺旋槽间的滑动摩擦系数；螺旋槽中径r=ro-1/2df；Sin,Sout,Stop,Sbot分别为月壤微元内、外、上、下4个侧面的面积。

假设月壤在螺旋槽中稳态输送，前后侧面由内应力引起的推力Ffrt和阻力Fbk相等，月壤微元完全由外侧面钻孔壁的摩擦力推动进行稳态输送，则月壤微元在沿螺旋槽方向上受力平衡，即

mgsinα+fin+ftop+fbot=foutcos(α+β)

(4)

可以解得螺旋槽内月壤密度与内应力之间应满足的函数关系为

(5)

螺旋槽中月壤的密度还应该符合月壤的压缩应力-密度本构关系[15]，从而可以根据式(5)计算螺旋槽内月壤密度与钻杆螺旋槽结构参数和规程参数间的关系。分别计算地球与月球不同重力场条件下，螺旋槽宽度尺寸变化和螺旋槽深度尺寸变化对填充月壤样品密度、质量的影响，结果如图6所示。根据理论分析结果，在螺旋槽深度df不变时，虽然采样密度和采样质量随螺旋槽宽度wf增大而减小，但总体而言影响较小。与之相比，螺旋槽深度对采样密度的影响较大，螺旋槽深度的增加使得钻杆螺旋槽的排屑截面积增大，月壤排屑速度减慢，排屑压力增加，从而增大了螺旋槽内的月壤密度；螺旋槽深度的增加同时增大了螺旋槽的容积，导致获得的样品质量进一步增大，但过大的螺旋槽深度会导致钻杆内径过小，削弱钻杆强度。要求单次采样获得的样品量至少为5 g，则取螺旋槽深度为4.5 mm、螺旋槽宽度为7.5 mm时可以满足要求。

确定螺旋槽结构后，进一步对取样时钻头的转速和进给速度2个规程参数对采样效果的影响进行计算，结果如图7所示。根据计算结果，钻头转速是影响采样量的主要因素。当转速增加到超过一个临界值后，螺旋槽中月壤的惯性离心力已经增大到可与钻孔壁之间产生足够的驱动摩擦力，驱动月壤沿螺旋槽输送，此时月壤内应力消失，无法在螺旋槽中挤压密实，月壤样品的密度迅速降低，无法保证获取样品的质量。临界转速与重力场环境相关，在月面重力环境下约为130 r/min，因此为保证采集月壤样品的质量，月面采样作业时，转速上限不应超过130 r/min。在钻头转速一定时，采样量对进给速度的变化不敏感。因此，在钻进高机械强度的月壤冻土时，即使进给速度降低，只要控制好转速不超过临界转速，对采样效果的影响就不大。

图7 钻进规程参数对采样效果的影响Fig.7 Impact of operational parameters on sampling performance

3 采样方案设计验证

根据设计分析，确定了采样方案的关键参数，汇总如表1所示。钻杆和钻头基体采用不锈钢加工制造，钻头切削刃选用硬质合金磨制并焊接到钻头基体上。制备了模拟月壤样本，分别对采样设计方案的钻进效能和采样效能进行测试。

表1 采样方案关键参数汇总Table 1 Summary of key parameters of sampling scheme

3.1 钻进能力验证

对于采样方案的钻进能力验证，需要在地面制备能够模拟月球极区中月壤冻土强度的模拟物材料，称为模拟月壤冻土。使用CUG-1A模拟月壤[16]，选用其中粒径小于1 mm的部分，在烘箱中以105 ℃烘干8 h，除去模拟月壤原料中的天然水分。制备模拟样本的主要过程包括：①水分配置：按设定的含水率指标向烘干的模拟月壤中定量加入去离子水，充分混合均匀后密封静置保存一昼夜，使水分在毛细力作用下自由迁移扩散均匀；②密度控制：随后使用压力机对含水模拟月壤进行压制，使模拟月壤原料的相对密实度达到95%以上；③温度控制：为防止直接使用液氮冷媒对模拟月壤冻土样本制冷时样本在迅速降温中冻裂，采用三级梯度冷冻方法，分别用-30 ℃冰箱、-80 ℃冰箱和液氮浴对试样进行慢速梯度制冷，允许样本内应力在冷冻过程中缓慢释放。样本冷冻过程中对温度进行实时监测，直到样本温度低于-180 ℃时开始钻进试验。采样钻具模拟月壤冻土钻进试验如图8所示。

图8 模拟月壤冻土钻进能力验证试验Fig.8 Verification test for drilling capability with icy lunar regolith simulation

在4.0%和8.5%含水率冻土样本中，采用不同的规程参数组合进行钻进能力试验，结果汇总如表2所示。

表2 钻进能力测试结果Table 2 Test results of drilling capability

对于4.0%含水率的模拟月壤冻土样本，在120 r/min转速、140 N钻压力条件下实现的平均进给速度为45.8 mm/min，与理论预测结果较为接近。考虑降低钻具转速进行钻进时有利于增加月壤样品在螺旋槽中的填充密度，从而增加采样质量；转速的降低同时也降低了钻头在穿透冻土过程中向钻孔内输入的功率，有利于减少对含冰月壤样品的热扰动，因此将转速降低到60 r/min时进行了钻进能力测试。采用60 r/min转速、140 N钻压力条件时，平均钻进速度降低到12.4 mm/min，已经接近10 mm/min的最低钻进速度要求。提高钻压力或者启动冲击，可以有效提高钻进速度，钻压力提高到190 N时，钻进速度增加到30.5 mm/min；不增大钻压力而启动冲击钻进时，在5 Hz和10 Hz冲击频率下分别达到了24.0 mm/min和30 mm/min的平均钻进速度，相比未启动冲击的工况大幅提高了钻进速度。

含水率为8.5%的模拟月壤冻土样本具有远高于4.0%冻土样本的机械强度，常规的回转钻进模式在额定参数下难以完成钻进，在钻压力140 N、转速提高到200 r/min时，平均钻进速度仅达到4.7 mm/min，与理论预测结果产生了较大的偏差。将钻压力提高到190 N并开启10 Hz冲击辅助的情况下，钻进速度增加到13.2 mm/min，满足了最低钻进速度的要求。

钻进能力验证试验结果表明：采样方案设计能够满足不同含水率冻土工况下的钻进速度要求，采用的减小钻头直径及增加冲击功能的方法能够有效提高钻具在月壤冻土中的钻进速度。

3.2 采样能力验证

对钻具采样能力的验证采用干燥的CUG-1A模拟月壤开展，与钻具钻进能力的验证试验解耦进行。模拟月壤在螺旋槽中的输送特性与其流动性有关，表征颗粒材料流动性的最常用参数是自然堆积角[17]。试验时测量了干燥模拟月壤和破碎的低温含冰模拟月壤的自然堆积角，当模拟月壤的含冰率分别为0.0%，3.0%，5.0%时，平均自然堆积角分别为47.3°，47.8°，48.9°。因此，含冰率的变化对模拟月壤的流动性影响不大，采用干燥模拟月壤代替冻土样本开展采样能力试验是可行的。

采样能力验证试验如图9所示。干燥模拟月壤的机械强度低，能够允许钻具在较大范围内调整钻进规程参数，从而评估不同钻进规程参数对采样效果的影响。钻具的回转和进给运动均采用速度闭环控制，以恒定转速和进给速度在模拟月壤中钻进100 mm后提钻，测量螺旋槽内填充样品的质量和密度来评估钻具的采样能力。

图9 钻具采样能力验证试验Fig.9 Verification test for sampling capability of drilling tool

以恒定进给速度vp(50 mm/min)和不同的钻具回转速度对99%相对密实度的干燥模拟月壤进行多次钻进采样试验，结果如图10所示。试验结果与理论预测结果符合性较好，验证了采样方案设计分析的正确性。试验结果也验证了理论预测模型的正确性，因此可以通过理论计算获得月面重力环境下采样效果的可信预测值。在与4.0%含水率冻土钻进工况相接近的120 r/min转速、50 mm/min进给速度工况下，测量得到的采样质量为7～8 g。根据理论预测结果，使用相同钻进规程工况在月面重力条件下，能够获得的月壤样品质量预计在6 g左右，能够满足最小采样量的要求。

图10 进给速度50 mm/min的采样效果Fig.10 Sampling performance with a feed rate of 50 mm/min

根据钻进能力试验和采样能力试验结果，深槽螺旋钻采样方案设计能够满足钻进能力和采样能力的指标要求，方案设计的可行性得到了验证。

4 结束语

面向我国探月工程四期中含冰月壤采样与原位分析的探测需求和永久阴影区环境条件，总结出了对采样方案的能力要求，提出了使用深槽螺旋钻进行月壤钻孔采样的新方案。对于采样方案的钻进能力提升和采样能力保证需求，从机-土作用理论出发开展了关键参数的正向设计分析，通过试验验证了方案设计的可行性，研究成果可为我国开展月球极区含冰月壤采样探测提供可选方案。考虑钻具需要在月球极区永久阴影区的深低温环境中工作，未来将继续开展钻具材料选择优化、制造工艺改进等方面的研究，以提高钻具的低温适应性。