姜生元,沈毅,吳湘,鄧宗全,賴小明,張家強(qiáng),梁魯,周琴

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,哈爾濱150001;2.北京衛(wèi)星制造廠,北京100190;3.北京空間技術(shù)研制試驗中心,北京100190;4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083)

月面廣義資源探測及其原位利用技術(shù)構(gòu)想

姜生元1,沈毅1,吳湘1,鄧宗全1,賴小明2,張家強(qiáng)2,梁魯3,周琴4

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室,哈爾濱150001;2.北京衛(wèi)星制造廠,北京100190;3.北京空間技術(shù)研制試驗中心,北京100190;4.中國地質(zhì)大學(xué)(北京),北京100083)

以載人登月場景下的月面資源精細(xì)化利用為目標(biāo),概述了月面資源探測與原位利用技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。針對未來載人登月探測任務(wù)規(guī)劃以及確定預(yù)先研究目標(biāo)的實際需求,提出了月面環(huán)境資源的廣義分類和精細(xì)化利用思想,并以載人登月場景下的“人-器-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng)為研究對象,細(xì)化了可在軌利用的資源、需帶回地球的樣本資源和人機(jī)廢棄物資源等三類資源的拓?fù)浣M成。本著繼承與創(chuàng)新兼顧、前瞻性與實用性包容的概念研究理念,重點闡述了宇航員人因主導(dǎo)的礦物資源勘查、月面環(huán)境條件的資源化利用、多態(tài)樣本的采集、人機(jī)廢棄物的循環(huán)利用等月面廣義資源的探測與原位利用技術(shù)途徑。

人機(jī)聯(lián)合;月面廣義資源;探測;原位利用;技術(shù)途徑

0 引 言

自1969年首次成功載人登月以來,人類已先后6次將12名宇航員和載人月球車送上月球,開展了一系列科學(xué)考察與采樣返回任務(wù)。期間,各航天大國紛紛開展了載人登月和月球基地建設(shè)等方面的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究以及人機(jī)聯(lián)合探測模式規(guī)劃等研究工作。最近,針對月球、火星等地外天體的載人探測成為深空探測領(lǐng)域的熱點話題之一[12]。從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)承受能力兩個角度來分析,以月球為目的的載人探測活動更具有實現(xiàn)的可能。

隨著人類對地外天體認(rèn)識的深入以及科技水平的發(fā)展,21世紀(jì)載人登月探測活動的科學(xué)和技術(shù)內(nèi)涵相比于40年前的Apollo時代已經(jīng)具有顯著差異。從20世紀(jì)80年代開始,國際上出現(xiàn)了月球資源原位探測與利用的研究熱潮,典型代表是美國NASA提出并實施的ISRU(in-situ resource utilization)計劃[3]。縱觀1969年以來各國的載人登月探測計劃和預(yù)先研究成果,已經(jīng)明確彰顯了人類進(jìn)一步深化對月球?qū)嵉乜辈旌驮旅尜Y源原位利用方面的理性思考和探索追求。可以預(yù)見,本世紀(jì)的載人登月探測活動,將越來越重視科學(xué)目標(biāo)的牽引,越來越重視資源的現(xiàn)場勘察和原位利用。

本文調(diào)研分析了國內(nèi)外月面資源探測與辨識、月面人機(jī)聯(lián)合探測模式及實施方案、月球特殊環(huán)境條件的資源化利用、月面礦物資源的轉(zhuǎn)化與利用、月球樣本的采集與分析、月面人機(jī)廢棄物的資源化處理等方面的信息資料,力圖梳理出載人登月模式下人機(jī)聯(lián)合資源探測、資源原位利用方面的關(guān)鍵技術(shù)和實施途徑,為未來載人登月科學(xué)目標(biāo)制定、任務(wù)模式規(guī)劃和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供借鑒和參考。

1 月面資源探測與利用技術(shù)綜述

1.1 探測手段概述

月球資源的探測與評估手段和技術(shù)方法,可分為地基觀測、星載遙感、實地勘察三種類別。地基觀測是月球資源探測的原始階段,為人類認(rèn)識月球提供了初步的、感官的、定性的表面形貌數(shù)據(jù);星載遙感技術(shù),利用衛(wèi)星搭載光譜、射線或雷達(dá)等探測儀器,可完成月面地形地貌,以及月壤、月巖、月塵等礦物的種類、成分及豐度的數(shù)據(jù)探測,利用這些探測數(shù)據(jù)可深化對月球資源的科學(xué)認(rèn)識,標(biāo)志性成果有月表地質(zhì)填圖、月表環(huán)境建模與分析等;實地勘察是月球資源探測最直接、最精確的探測手段,具有三種實施途徑,一是探測器著陸探測,二是無人自主采樣返回探測,三是載人登月人機(jī)聯(lián)合探測[4-6]。

1.2 前蘇聯(lián)的無人自主采樣探測

針對月球的實地勘察探測活動,前蘇聯(lián)成功完成了5次探測任務(wù),共有3次無人自主采樣返回以及2次月球車巡視勘察。

1970-1976年間,前蘇聯(lián)成功發(fā)射了Luna16、Luna20、Luna24無人自主鉆取采樣探測器,通過鉆取的方式成功從月球采回月壤剖面樣本共計約320 g。通過鉆取過程中的鉆進(jìn)負(fù)載反饋參數(shù),預(yù)估反演了著陸區(qū)月壤剖面的原位月壤的物理構(gòu)成和力學(xué)參數(shù)。通過返回樣品的科學(xué)分析,深化了人類對月球物質(zhì)成分、礦物類型的科學(xué)認(rèn)識。

1970年,成功發(fā)射的“月行者1號”無人月球車,在月面工作了320多天,總行程10 540 m,考察面積達(dá)9萬km2,在500多個月面點上進(jìn)行了土壤物理特性的科學(xué)探測,在25個點上進(jìn)行了土壤的化學(xué)成分分析,拍攝了2萬多張月面照片。1973年成功發(fā)射的“月行者2號”無人月球車,在月面工作了5個多月,總計巡游了37 m,行程上超過了在火星巡游了10年的“機(jī)遇號”一大截,在總里程方面至今仍居于地外天體巡視探測長跑成績之首。

前蘇聯(lián)的月面無人采樣探測成果,為人類認(rèn)知月壤縱深剖面信息、月壤廣域分布信息奠定了初步基礎(chǔ)[7]。

1.3 美國的月面人機(jī)聯(lián)合勘察

1969-1972年,美國成功實施了6次載人登月活動,先后把12名宇航員送上月球,采集并帶回了約380 kg月球樣本。Apollo14搭載了人力輪式車,Apollo15、Apollo16和Apollo17都搭載了電動載人月球車,由于月球車的作用,擴(kuò)展了宇航員在月面上的活動范圍、拓展了任務(wù)模式。由于Apollo載人登月任務(wù)的成功實施,探測器、月球車、宇航員、科學(xué)探測儀器、手持式采樣作業(yè)機(jī)具等組成了載人登月模式下典型的“人-器-機(jī)-環(huán)境”系統(tǒng),形成了月面人機(jī)聯(lián)合探測概念的雛形,為以后的載人探月規(guī)劃和預(yù)先研究提供了第一手參考和比對案例。

由于有了宇航員的現(xiàn)場決策,Apollo的月面探測活動比較豐富多樣。由宇航員手持或由月球車運(yùn)載,在目標(biāo)點布置了無源地震儀、激光測距反光鏡、剖面溫度測試儀等科學(xué)探測儀器,相比于無人自主探測,能夠開展的科學(xué)實驗更為豐富。

Apollo任務(wù)的重要目標(biāo)是甄選并采集月面上的各類礦物資源樣本。利用錘子、耙子、鉗子、鏟子、篩網(wǎng)、貫入取芯管、取芯鉆機(jī)等手動或電動工具,采集了月塵、月壤、月巖和月壤剖面樣本,并密封封裝于特制樣品收集容器中。相比于前蘇聯(lián)的無人鉆取采樣,美國宇航員獲取的樣本類型和形態(tài)更為多樣、樣本采集前后的環(huán)境支持信息獲取更為充分,為返回地球后開展詳實的科學(xué)分析奠定了基礎(chǔ)。

總結(jié)美國的載人登月任務(wù),最具有標(biāo)志性的成果是成功開展了月面資源的人機(jī)聯(lián)合探測和樣本采集。限于當(dāng)時的技術(shù)水平,Apollo系列任務(wù)尚沒有開展月面資源的原位利用[8]。

1.4 美國的人機(jī)聯(lián)合探測概念及ISRU計劃

NASA為了重返月球和載人登陸火星計劃,21世紀(jì)初開啟了人機(jī)聯(lián)合探測模式及實施方案規(guī)劃,啟動了“人與機(jī)器人系統(tǒng)”(human robotic systems,HRS),研究了短期、中期和長期多種任務(wù)規(guī)模的人機(jī)聯(lián)合探測模式,并研制了獨(dú)具特色的載人月球車和月面移動作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。針對月球基地建設(shè)任務(wù),對月面資源的探測與采集、設(shè)備在軌檢測與維護(hù),進(jìn)行了地面試驗驗證。在HRS項目中,已經(jīng)前瞻性地重點體現(xiàn)了月面資源的原位利用和生保物資的循環(huán)利用技術(shù)的實現(xiàn)途徑。

從20世紀(jì)80年代開始,美國NASA提出并系統(tǒng)實施了ISRU(in-situ resource utilization)計劃的整體構(gòu)想。先后與加拿大、德國、歐空局等合作,以火山渣為原料制備出了氧氣、氫氣和水等物資,獲得了對未來載人航天具有重大借鑒意義的標(biāo)志性研究成果。

2008年,美國設(shè)計了第一臺可演示驗證的ISRU樣機(jī),進(jìn)行了月壤開采、氧氣制備、資源儲存等地面演示,使用氫氣還原火山灰實現(xiàn)了水的制備,制備出1 000mL水,效率約為1%～2%。2010年,美國進(jìn)行了第2次ISRU地面演示實驗,使用了大量的科學(xué)儀器,包括地面探測雷達(dá)、磁強(qiáng)計、X射線熒光光譜儀、多光譜成像儀、揮發(fā)物分析設(shè)備、質(zhì)譜儀等,并且將太陽能應(yīng)用于碳熱還原反應(yīng),實現(xiàn)了水及氧氣的制備,制備出氧氣28 g,效率約為9%。第3次試驗驗證增加了國際合作,加拿大航天局(Canada space agency,CSA)提供了火山灰的挖掘傳輸設(shè)備,光纖集熱器、燃料電池等。通過碳熱還原將氧氣的制備效率提升到9.5%～10%;此次收集水量約為31.5 g,制備儲存氫氣400 g,氧氣236 g,并完成17次液氧和甲烷推進(jìn)器的點火試驗。此外,還利用火山渣為原料,3D打印出了建筑材料,為月球基地現(xiàn)場建造提供了有效途徑。

可以說美國啟動的ISRU計劃,開啟了月球資源原位利用技術(shù)的先河,獲得的成果鼓舞人心。在此之后,很多國家陸續(xù)啟動了月面資源原位利用技術(shù)探索研究[912]。

1.5 國內(nèi)概況

按照我國的探月工程實施規(guī)劃,正在實施“繞”“落”“回”無人自主探月階段。截止目前,我國通過“嫦娥1號”“嫦娥2號”“嫦娥3號”月球探測器,已經(jīng)獲得了分辨率較高的月球表面環(huán)境、地貌、地形、地質(zhì)構(gòu)造信息,為下一階段的月球局部資源地質(zhì)勘查、資源品位與分布研究奠定了基礎(chǔ)。

為了進(jìn)一步推進(jìn)并落實“探”“登”“駐”三大步載人登月和長期駐月計劃,我國已經(jīng)啟動了載人登月、月球基地和月球無人科研站的立項論證工作,很多研究機(jī)構(gòu)也啟動了相關(guān)預(yù)先研究工作[13]。

針對月球資源探測和原位利用,我國目前的研究多數(shù)體現(xiàn)為概念層面的成果和方案層面的論證報告。與美國、俄羅斯和歐空局等發(fā)達(dá)國家相比,我國起步較晚,技術(shù)差距較大。為實現(xiàn)跨越式發(fā)展,需要認(rèn)真研究國外技術(shù)發(fā)展趨勢,并秉持繼承性與創(chuàng)新性兼顧的原則,適時制定中國的長遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃,及時按照理性科學(xué)探測目標(biāo)驅(qū)動原則開展預(yù)先研究工作。

2 廣義月面資源及其精細(xì)化利用

回顧人類首次登月至今的實際型號任務(wù)、實施計劃和預(yù)先研究案例,可以得到如下啟示:

1)人機(jī)聯(lián)合探測模式,可以開展更有針對性、靈活性、更有科學(xué)價值的月面探測活動。從這個角度分析,完全應(yīng)用機(jī)器人任務(wù)模式,不可能替代載人登月模式;

2)未來的載人登月探測活動,任務(wù)規(guī)模將越來越大、任務(wù)周期將越來越長。生保物資的在軌循環(huán)利用、人機(jī)廢棄物的循環(huán)利用、礦物資源的就地轉(zhuǎn)化利用等都將成為未來載人登月活動的迫切補(bǔ)給需求。為此,本文橫向聯(lián)想載人登月、環(huán)地軌道載人飛船和深空探測的補(bǔ)給需求和關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向,提出“廣義月面資源”概念,并以此為線索梳理出了載人登月模式下,廣義月面資源的拓?fù)浞诸?如圖1所示。

圖1 廣義月面資源拓?fù)浞诸愂疽鈭DFig.1 Classification of the lunar surface generalized resources

所提出的廣義月面資源由三種類別組成:

1)可原位利用的月面資源,又可細(xì)分為月面環(huán)境資源和淺表層礦物資源兩個子類;

2)需帶回地球的樣本資源,細(xì)分為物質(zhì)形態(tài)樣本和數(shù)據(jù)形態(tài)樣本兩個子類;

3)人機(jī)活動廢棄物資源,細(xì)分為人員廢棄物和設(shè)備廢棄物兩個子類。這種廣義資源概念繼承并拓展了載人登月采樣返回任務(wù)模式,繼承并移植了載人飛船的生保物資循環(huán)利用技術(shù)和在軌制造技術(shù)。

這種廣義資源概念把月面環(huán)境資源(太陽能、低重力、高真空等)和狹義的月面礦物資源作為同等重要程度來對待,便于拓展視野、開闊載人登月月面資源探測與原位利用規(guī)劃的思路,是后續(xù)關(guān)鍵技術(shù)梳理、技術(shù)實施途徑研究的靈魂和主線[14-16]。

3 人機(jī)聯(lián)合探測與原位利用研究構(gòu)想

站在為我國未來的載人登月科學(xué)目標(biāo)論證、任務(wù)模式規(guī)劃以及相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供有益參考的角度,前述提及的廣義月面資源概念為指導(dǎo)思路,本著前瞻性與繼承性相結(jié)合、國家戰(zhàn)略與人類需求相結(jié)合的原則,對人機(jī)聯(lián)合月面資源的探測手段與方法,以及月面廣義資源的精細(xì)化利用技術(shù)途徑進(jìn)行了系統(tǒng)梳理和概括,提出了以下5個方面的戰(zhàn)略研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)構(gòu)想。

3.1 廣義月面資源探測、采集、轉(zhuǎn)化利用方法

1)關(guān)于月面礦產(chǎn)資源探測技術(shù)

主要是針對淺表層礦物資源和隕石資源探測方法,主要從兩個角度開展:一是空間遙測探測方法,調(diào)研NASA、ESA、俄羅斯宇航局等國際主要研究機(jī)構(gòu)對地外星體遙測所采用的設(shè)備(如高頻雷達(dá)探測儀、多光譜成像儀器等)及其所使用的探測方法、探測對象、探測效果等開展系統(tǒng)調(diào)研分析工作;二是著陸探測方法(比如礦石、隕石、月壤等),圍繞宇航員感官探測(如顏色對比,敲擊判斷硬度等)和有效載荷的數(shù)據(jù)探測(如“嫦娥3號”探地雷達(dá)、月球車的土壤特性探測儀器、質(zhì)譜儀等)2種實現(xiàn)途徑,調(diào)研國際深空探測中已經(jīng)采用的方法,并注意結(jié)合地質(zhì)學(xué)探測方法的移植應(yīng)用[1718]。

2)關(guān)于月面資源的采集、轉(zhuǎn)運(yùn)、存儲技術(shù)

在月面上需要采集、轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲的月面資源主要是指月巖、月壤和月塵等,圍繞目前國際上針對堅硬固體類材料(比如月巖)、可變形材料(月壤)以及氣態(tài)材料(月塵)采用的設(shè)備及技術(shù)方法,結(jié)合中國人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)背景需求,從協(xié)助宇航員采樣和自動采樣等多個角度,重點關(guān)注月面資源取樣效果、轉(zhuǎn)運(yùn)效率及存儲密封性等關(guān)鍵性能,開展國際信息的調(diào)研與分析工作。

3)關(guān)于月面資源的就地轉(zhuǎn)化與利用技術(shù)

主要從月面環(huán)境資源轉(zhuǎn)化利用、月面能源及生保資源制備、月面建筑及結(jié)構(gòu)材料制備、月面人機(jī)廢棄物再利用4條線索開展調(diào)研與分析。關(guān)于月面環(huán)境資源,主要關(guān)注月面的超高真空條件、太陽風(fēng)和空間粒子輻照條件、月面地質(zhì)條件的轉(zhuǎn)化利用技術(shù);關(guān)于月面生保資源制備,重點關(guān)注宇航員月面活動及生存所需要的水、氧氣物資,如何從月面現(xiàn)有資源中轉(zhuǎn)化生成;關(guān)于月面建筑及結(jié)構(gòu)材料制備,重點關(guān)注月壤和月巖原材料如何通過熱、激光等能量或者從地面攜帶的少量輔助材料聯(lián)合作用,轉(zhuǎn)化生成可供人機(jī)聯(lián)合探測任務(wù)需求的金屬材料、建筑材料等;關(guān)于月面人機(jī)廢棄物再利用,重點關(guān)注月面人機(jī)聯(lián)合探測活動中產(chǎn)生的宇航員人體排泄物、食品容器廢棄物、月面探測設(shè)備廢棄物包括機(jī)械零部件的再加工與再利用,機(jī)械設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)部件的再利用(軸承、電機(jī)、減速器、緊固件等)、設(shè)備工作介質(zhì)再利用(如推進(jìn)劑殘留物、潤滑油等消耗性物資);調(diào)研分析空間站、美國載人登月等工程相關(guān)任務(wù)中采用的人機(jī)廢棄物處理方法[19]。

3.2 月面礦物資源的感官辨識、采集與轉(zhuǎn)化利用方法

借鑒美國月面資源原位利用技術(shù)發(fā)展規(guī)劃,開展月面礦產(chǎn)資源原位探測與辨識、月面礦產(chǎn)資源開采、運(yùn)輸及資源原位利用技術(shù)研究,全面分析月面資源及其原位利用技術(shù),就月面原位制備水、氧氣等生保消耗材料,鈦、鐵等金屬材料以及建筑材料的原位制備途徑[2022],形成如下構(gòu)想:

1)月面礦產(chǎn)資源感官主導(dǎo)辨識方法研究

針對月面礦產(chǎn)資源的原位探測和辨識,充分調(diào)研國內(nèi)外月面及地質(zhì)資源的探測辨識技術(shù),綜合利用紫外、可見、紅外等光譜識別技術(shù),結(jié)合X射線、γ射線、中子計、質(zhì)譜儀、色譜分析儀等技術(shù)手段,在有人參與的月面活動中,充分發(fā)揮宇航員主觀智能識別作用,對月面礦產(chǎn)資源種類及其成分進(jìn)行辨識。同時,利用月面活動過程中月球車的巡視探測功能對月面特定區(qū)域存在的礦產(chǎn)資源情況進(jìn)行精細(xì)化的探測和辨識,對其成分、品位及豐度進(jìn)行綜合分析,明確礦產(chǎn)資源的橫向及深度分布信息[2324]。

2)月面資源的采集技術(shù)研究

資源開采是資源利用的基礎(chǔ),充分利用現(xiàn)有地面資源的采集開采技術(shù),結(jié)合月面特有環(huán)境特性分析,將月面月球車及機(jī)器人等作為月面資源采集的主要手段。前期探測結(jié)果證明:月面存在大量的玄武巖,其主要成分為鈦鐵礦,含有豐富的鐵、鈦、氧等資源,可以作為氧氣、水、金屬材料制備的原材料。鈦鐵礦屬于順磁性材料,通過月面“人-機(jī)”粉碎及磁性篩選,可以實現(xiàn)高品位鈦鐵礦資源的采集,同時鈦鐵礦中含有的其他金屬及其非金屬成分也可以通過碳熱還原、熔巖電解等手段進(jìn)行氧氣、金屬及非金屬等資源的制備[25-26]。

3)月面原位水、氧氣及金屬材料的綜合利用技術(shù)

我國月面資源原位發(fā)展利用技術(shù),可以充分借鑒NASA、ESA在月面資源原位利用技術(shù)研究成果,將氫氣還原、碳熱還原及熔巖電解等作為月面氧氣及金屬制備的備選技術(shù)方案,同時與高溫裂解、硫酸還原等技術(shù)進(jìn)行可行性及經(jīng)濟(jì)性比較,論證相關(guān)方案的技術(shù)成熟度[27]。

4)以月壤為原料的建筑材料制備技術(shù)

借鑒Apollo采樣分析及NASA相關(guān)機(jī)構(gòu)對模擬月壤的研究成果,月球表面月塵和月壤主要由納米至微米尺度的各類型礦石顆粒組成,由于月塵及月壤的顆粒較小,因此在微波及激光束作用下,可以將月球表面月塵、月壤燒結(jié)形成固體塊材以供月面建筑使用。同時借鑒地面混凝粘結(jié)技術(shù)以及模擬月壤的硫基混凝、水基混凝及樹脂基固化等相關(guān)技術(shù),可以實現(xiàn)在月球表面使用月壤原位制備建筑結(jié)構(gòu)材料[2830]。

3.3 關(guān)于月面環(huán)境條件的資源化利用方法研究

本部分的研究可從2個層面開展:一是可開展月面可利用環(huán)境資源本身特性及其對人類活動的影響研究,研究對象是資源本身,研究的主要環(huán)境資源包括太陽輻射、低重力環(huán)境、高真空環(huán)境、宇宙射線輻射及地質(zhì)特征,這方面研究需廣泛搜集國內(nèi)外研究文獻(xiàn),重點關(guān)注人類已有月面探測活動成果的集成和移植應(yīng)用;二是可針對月面環(huán)境資源的應(yīng)用領(lǐng)域與途徑、利用技術(shù)與方案、利用可行性等方面的研究工作,以利用方法為研究對象。主要利用領(lǐng)域包括月球能源制備、月面深空科學(xué)研究及月面空間試驗等方面。月面環(huán)境條件的資源化利用相關(guān)技術(shù)需要以目前已開展的地球軌道空間環(huán)境資源化利用技術(shù)為基礎(chǔ),是軌道空間環(huán)境資源化利用技術(shù)的拓展和延伸,很大程度上需要借鑒目前已完成和正在進(jìn)行的軌道項目經(jīng)驗,包括空間站微重力科學(xué)試驗項目、生命科學(xué)試驗項目、空間太陽能電站規(guī)劃、空間天文望遠(yuǎn)鏡項目等[3134]。

1)月球能源提取與轉(zhuǎn)化技術(shù)

在月球能源制備方面,一方面需要調(diào)研人類已有的月面太陽能利用方法(蘇聯(lián)的月球車及中國的“玉兔號”都有在月面使用太陽能提供能源的經(jīng)驗),另外應(yīng)重點研究月面太陽能電站建設(shè)的可行性。通過搜集國內(nèi)外對空間太陽能電站及月面太陽能電站的設(shè)計方案,分析總結(jié)出月面太陽能電站的構(gòu)造、能量轉(zhuǎn)化方法、能量傳輸方式等關(guān)鍵信息,并結(jié)合我國實際情況,提出月面太陽能電站可行性建設(shè)方案。研究將涉及月面太陽能電站基材制備技術(shù)、月面太陽能電站系統(tǒng)設(shè)計與仿真試驗技術(shù)、月面超大型結(jié)構(gòu)模塊化輕量與控制技術(shù)、月面超大功率高效發(fā)電與電力管理技術(shù)、月面超大型系統(tǒng)在軌制造、組裝與維護(hù)技術(shù)、月面超大功率高效無線能量轉(zhuǎn)化與傳輸技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。除電能外,還可開展將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的技術(shù)途徑研究,為現(xiàn)場建筑物結(jié)構(gòu)的燒結(jié)提供能源。

2)月基深空探測站技術(shù)

利用月面環(huán)境資源進(jìn)行月面天文觀測具有可行性,可調(diào)研哈勃望遠(yuǎn)鏡、韋伯望遠(yuǎn)鏡及我國天宮光學(xué)艙等空間觀測設(shè)備的有關(guān)技術(shù),結(jié)合地基天文觀測站的設(shè)計經(jīng)驗,針對月面環(huán)境特點提出月基天文觀測站的建設(shè)方案。研究將會涉及月面天文望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計建造、有效載荷研制、控制中心建設(shè)及設(shè)備安全防護(hù)等方面的前瞻性技術(shù)問題。此外,利用月球的特殊環(huán)境條件也可嘗試?yán)迷旅娴椭亓Νh(huán)境建設(shè)深空探測發(fā)射站的可行性。需要調(diào)研月面發(fā)射場所的建設(shè)、月面發(fā)射技術(shù)及地月間物資轉(zhuǎn)移技術(shù)等方面信息,提出月面中繼發(fā)射站建設(shè)的可行性方案。

3)月面空間科學(xué)實驗技術(shù)

調(diào)研目前已開展的空間科學(xué)實驗成果,總結(jié)空間材料制備、生物制品制備技術(shù)現(xiàn)狀,結(jié)合月面特有環(huán)境條件,分析在月面建設(shè)材料科學(xué)、生物科學(xué)、物理科學(xué)等方面科學(xué)實驗室的可行性。研究包括低重力/高真空條件下泡沫材料、金屬與合金材料、疫苗藥物等產(chǎn)品的制造方法,以及在月面開展太陽物理學(xué)、天體物理學(xué)、重力波物理學(xué)、中微子物理等研究的技術(shù)途徑。

3.4 關(guān)于人機(jī)廢棄物的資源化利用方法研究

參照載人飛船人體排泄物的循環(huán)利用技術(shù)以及空間在軌制造技術(shù),以長周期月面人機(jī)聯(lián)合探測的生保物資需求供給為核心目標(biāo),深化開展人體排泄物和設(shè)備廢棄物的循環(huán)利用技術(shù)研究。針對氣體、液體、固體三種形態(tài)的人體排泄物,可按3種可行的技術(shù)途徑開展研究。

1)氣態(tài)廢棄物的再生循環(huán)利用技術(shù)

氣態(tài)廢棄物的資源化利用技術(shù)路線如圖2所示。從CO2、水蒸氣、有害氣體的收集存儲為起點,可重點研究CO2的吸附/分離再利用方法,水蒸氣的冷凝方法(冷凝后用于液體廢棄物資源化處理循環(huán)),有害氣體的去除方法等關(guān)鍵技術(shù),提出分離后CO2的2個循環(huán)模式,并通過后期的氣體成分檢測階段修正前期處理及利用方法,做到物盡其用[35]。

2)液態(tài)廢棄物的再生循環(huán)利用技術(shù)

液態(tài)廢棄物資源化利用技術(shù)路線如圖3所示。以冷凝水、尿液、衛(wèi)生用水、處理其他廢棄物過程化學(xué)反應(yīng)生成的水和蒸汽等收集存儲為起點,提出研究廢液分批處理和持續(xù)循環(huán)處理2種處理方案,不同廢液使用不同處理方法,處理后使用途徑也不同,可參考但不限于如下循環(huán)模式:如冷凝水處理后作為飲用水,化學(xué)反應(yīng)生成水與尿液處理后用于電解制氧,衛(wèi)生用水處理后仍做衛(wèi)生用水等,經(jīng)水資源質(zhì)量檢測后修正廢水處理方法,調(diào)整循環(huán)模式,最大限度的節(jié)約與優(yōu)化配置水資源[3640]。

圖2 氣態(tài)廢棄物資源化利用技術(shù)實施路線圖Fig.2 Technical scheme of gaseous waste utilization

圖3 液體廢棄物資源化利用技術(shù)路線圖Fig.3 Technical scheme of liquid waste utilization

3)固態(tài)廢棄物的再生循環(huán)利用技術(shù):將功能性報廢設(shè)備組成單元的資源化處理歸于固體廢棄物資源化利用技術(shù)路線如圖4所示。以食品殘渣、糞便、食品藥品醫(yī)療器械包裝、功能性報廢設(shè)備組成單元收集存儲方式為起點,研究有機(jī)物干燥及分解、非金屬包裝壓縮及在軌制造、金屬包裝材料提純及再加工,功能性報廢設(shè)備組成單元處理及復(fù)用方法,提出不同材料的不同循環(huán)模式,以及質(zhì)量驗證修正處理方法及循環(huán)模式。

上述廢棄物資源化利用技術(shù)路線特點是從廢棄物的收集、存儲出發(fā),研究廢棄物資源化處理方法,規(guī)劃處理后的資源循環(huán)模式,并通過質(zhì)量驗證反饋情況調(diào)整廢棄物的處理方法和循環(huán)模式,以期最大限度將廢棄資源轉(zhuǎn)化為可用資源[41-42]。

圖4 固態(tài)廢棄物資源化利用技術(shù)路線圖Fig.4 Technical scheme of solid waste utilization

3.5 關(guān)于多態(tài)樣本的采集與分析方法研究

針對月表空間內(nèi)的粒子及粉塵、表層樣本、地質(zhì)剖面樣本及其數(shù)據(jù)探測需求,開展月球樣本采集方式與組配方案研究。利用樣本采集工具以及月球車等輔助工具,對月球?qū)嶓w形態(tài)的樣本進(jìn)行采集、存儲和密封封裝。針對數(shù)據(jù)形態(tài)的樣本,利用潛入器等科學(xué)探測儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)樣本采集,通過在線辨識技術(shù),將所采集的科學(xué)數(shù)據(jù)傳回地球。利用地面分析技術(shù),對所獲得的月球樣本進(jìn)行科學(xué)研究。

1)月球多態(tài)樣本的采集技術(shù)

針對月表以上空間樣本(粒子、大氣、塵埃)、表層樣本(巖石、隕石、月壤)、次表層樣本(巖芯、月壤剖面)等多種狀態(tài)的月球樣本,開展樣本對象的物理力學(xué)特性研究,采樣機(jī)具與采樣對象相互作用力學(xué)建模與仿真研究,采樣機(jī)具方案設(shè)計、采樣行為及效果模擬等基礎(chǔ)性研究工作,突破相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),形成宇航員操控用采樣機(jī)具組件的設(shè)計方法體系,為未來的載人登月采樣機(jī)具組配提供基礎(chǔ)依據(jù)[4344]。

2)月球多態(tài)樣本的封裝存儲技術(shù)

月球樣本封裝存儲的目的,是盡量保持多態(tài)樣本的原位物理形態(tài)、化學(xué)特性和原始地質(zhì)學(xué)信息,可能涉及的關(guān)鍵技術(shù)有密封封裝技術(shù)和原始地質(zhì)學(xué)信息的采集技術(shù)2個方面。關(guān)于密封封裝技術(shù),可以參考借鑒美國Apollo、前蘇聯(lián)的Luna和中國的“嫦娥5號”的軟金屬塑性密封、焊接密封等可行技術(shù),同時也可以嘗試探索其他方式的先進(jìn)密封技術(shù)。關(guān)于樣本原始地質(zhì)學(xué)信息,主要是指樣本原始位置周圍礦物的相對位置、周圍礦物類型和形態(tài)、與周圍礦物的契合關(guān)系等信息,一般可通過照片視頻、樣品采集力等數(shù)據(jù)信息來保留[4548]。

3)月球多態(tài)樣本的地面分析技術(shù)

借鑒美國Apollo和前蘇聯(lián)Luna月球樣本的處理技術(shù),一般需要經(jīng)分樣、存儲和分析等步驟。各操作步驟都需要有相關(guān)的環(huán)境條件和操控機(jī)具、檢測儀器方面的關(guān)鍵技術(shù)保障。國內(nèi)不同學(xué)科的專家可以有針對性地選題,并在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上開展創(chuàng)新性研究。值得一提的是,利用返回的模擬月壤,可以開展模擬月壤制備規(guī)范的反推式研究,以逐漸完善我國地外天體采樣探測試驗樣本制備規(guī)范的科學(xué)性和實效性[49]。

4 載人登月模式下的采樣探測任務(wù)展望

4.1 采樣探測技術(shù)發(fā)展趨勢

美國和前蘇聯(lián)已經(jīng)在40年前完成月面采樣返回任務(wù),總計采集了380 kg月壤樣品。我國的“嫦娥5號”,也將于2017年前后發(fā)射,利用鉆取、表取兩種采樣形式獲取約2 kg的月壤樣品。進(jìn)一步結(jié)合美國、歐空局和日本針對小行星、火星的采樣計劃,從技術(shù)資料中可以明顯看出,針對月球的采樣探測具有以下發(fā)展趨勢:

1)樣品形態(tài)的多樣化

樣品形態(tài)不僅僅涵蓋狹義的月壤或月巖,還需要兼顧月表大氣、塵埃、粒子,以及月壤縱深剖面樣本、廣域關(guān)聯(lián)樣本的采樣。

2)采樣方式的多樣化

采樣方式不僅僅局限于傳統(tǒng)的鉆取采樣和表層樣本采樣,還出現(xiàn)了飛行侵徹式采樣、機(jī)械作動式潛入采樣、溫爆式巖石采樣、沖擊破碎式采樣等多種方式。

3)采樣工具的載荷化

未來的采樣工具,其功能不僅僅限于單一的樣品采集工具,航天發(fā)達(dá)國家已經(jīng)高度關(guān)注并實施了采樣機(jī)具的探測功能。在采樣機(jī)具上合理布置環(huán)境感知、作業(yè)運(yùn)動和負(fù)載感知、作業(yè)效能感知等傳感器,可以獲取采樣過程的多維度探測信息。

4)采樣過程的數(shù)據(jù)化

近期在國際上出現(xiàn)了采樣對象辨識、采樣對象原位狀態(tài)下物理力學(xué)參數(shù)反演的研究熱潮,這說明人類對地外天體樣品的采集需求逐漸地趨于理性,數(shù)據(jù)形態(tài)的樣本采集也已成為科學(xué)家高度關(guān)注的探測成果,在一定意義上說,物質(zhì)形態(tài)的樣本和數(shù)據(jù)形態(tài)的樣本相輔相成,對于深化地外天體的物質(zhì)構(gòu)成認(rèn)識,具有更為重要的科學(xué)價值。

4.2 人機(jī)聯(lián)合采樣技術(shù)展望

依據(jù)作者掌握的國內(nèi)外信息以及從事深空采樣探測的研究經(jīng)驗,針對我國未來擬實施的載人登月探測任務(wù)模式,提出以下幾項具有顯示度的采樣方式,供同行參考。

1)器基深孔鉆探取芯技術(shù)

在著陸艙上搭載一個可由宇航員操控的多桿組接式深孔鉆取采樣裝置,實現(xiàn)10 m以上量級的鉆進(jìn)取芯。利用載人著陸艙的重力,可以提供較大的鉆壓力,宇航員現(xiàn)場參與操控,采樣作業(yè)更安全,成功率更高;借鑒“嫦娥5號”的無滑差軟袋取芯技術(shù),可采集到10 m以上量級保持層序信息的月壤剖面樣本,甚至可能會鉆探至月球基巖,目前人類尚未實施過這種深度的連續(xù)采樣,對人類充分認(rèn)識月壤和月球基巖有重要意義。器基宇航員操控深孔鉆進(jìn)技術(shù)、大尺度連續(xù)樣本取芯技術(shù)、月壤厚度地質(zhì)學(xué)勘察技術(shù),是值得關(guān)注的預(yù)先研究和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方向。

2)斷崖層序樣本采集技術(shù)

參照地質(zhì)勘探領(lǐng)域地質(zhì)斷層的科考任務(wù),宇航員可行走至具有大尺度斷崖區(qū)域,利用人工離散點采樣、電動機(jī)具連續(xù)采樣以及現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集等方式,采回保持原始層序信息的斷崖樣本和地質(zhì)學(xué)數(shù)據(jù)。這種任務(wù),在歷次載人登月任務(wù)以及探月規(guī)劃中都沒有嘗試,具有重要的科學(xué)意義和顯示度。值得開展的關(guān)鍵技術(shù)預(yù)先研究方向有:斷崖層序樣本的宇航員人工原位勘察與甄選技術(shù)、斷崖攀升或懸降人工操控采樣技術(shù)、斷崖樣本的全息數(shù)據(jù)采集技術(shù)等。

3)無鉆桿連續(xù)取芯技術(shù)

針對載人登月的長周期作業(yè)模式,可利用創(chuàng)新應(yīng)用蠕動掘進(jìn)式潛入器、無滑差連續(xù)樣本取芯等采樣技術(shù),實現(xiàn)幾十米量級以上的連續(xù)取芯。這種采樣方式,采樣機(jī)具的尺度小、采樣作業(yè)功耗需求低,取芯采樣尺度不受探測器尺度制約,相比于多桿組接式鉆進(jìn)采樣方式具有特殊優(yōu)勢。

4)可穿戴集成一體化采樣技術(shù)

宇航員在月面上開展勘察采樣,受到宇航服的約束,能夠攜帶的采樣機(jī)具和探測設(shè)備有限、活動范圍有限、采樣作業(yè)能力受限。為此,開展可穿戴集成一體化采樣裝備的預(yù)先研究工作具有重要的實用價值,可在穿戴式目標(biāo)辨識導(dǎo)航技術(shù)、多功能一體化采樣作業(yè)手套、多功能一體化樣本收集包等方面開展創(chuàng)新研究與地面驗證。

5)縱深&廣域分布式關(guān)聯(lián)采樣技術(shù)

充分結(jié)合載人登月模式下的“宇航員+著陸艙+月球車+探測儀器+操控作業(yè)機(jī)具”系統(tǒng)級任務(wù)模式的特點,克服先行案例中樣本關(guān)聯(lián)度低、縱深度不夠、廣域性不夠的缺點,從月面資源深度探測的科學(xué)目標(biāo)需求出發(fā),開展縱深&廣域分布式關(guān)聯(lián)采樣系列關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究工作?？煞纸鈱嵤┤缈v深&廣域分布式關(guān)聯(lián)采樣任務(wù)模式規(guī)劃與評估技術(shù)、廣域樣本關(guān)聯(lián)度評估與甄選技術(shù)、縱深式采樣作業(yè)技術(shù)、廣域分布式采樣技術(shù)、廣域全息數(shù)據(jù)采樣技術(shù)等基礎(chǔ)性研究工作。

5 結(jié)束語

本文對美國和前蘇聯(lián)等國家的月面資源探測與原位利用技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研分析與綜述,結(jié)合當(dāng)前世界各國高度關(guān)注的載人登月中長期探測模式資源需求,提出了廣義月面資源分類及其精細(xì)化利用的研究思路,人機(jī)聯(lián)合探測模式下的廣義月面資源探測辨識、采集轉(zhuǎn)運(yùn)、就地轉(zhuǎn)化和利用等關(guān)鍵技術(shù)的研究構(gòu)想。此外,依據(jù)世界各國地外天體無人自主采樣技術(shù)以及載人登月采樣技術(shù)的已有成果、任務(wù)規(guī)劃和預(yù)先研究進(jìn)展,概括出了人類針對地外天體采樣探測的發(fā)展趨勢,即樣品形態(tài)的多樣化、采樣方式的多樣化、采樣機(jī)具的載荷化以及采樣過程的數(shù)據(jù)化。以此為依據(jù),針對我國未來的載人登月任務(wù),提出了器基深孔鉆取、斷崖層序樣品采集、無鉆桿連續(xù)取芯、可穿戴集成一體化采樣探測、廣域縱深關(guān)聯(lián)性采樣等獨(dú)創(chuàng)性研究方向的目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)實施途徑。本文所提出的研究思路和研究構(gòu)想,可為深空探測領(lǐng)域同行開展關(guān)鍵技術(shù)研究以及國家層面的載人登月任務(wù)規(guī)劃,提供參考和借鑒。

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通信地址:哈爾濱工業(yè)大學(xué)科學(xué)園2F棟403室(3037信箱)(150080)

電話:13796621169

E-mail:jiangshy_2002@163.com

Technical Schemes of Investigation and In-Situ Utilization for Lunar Surface Generalized Resources

JIANG Shengyuan1,SHEN Yi1,WU Xiang1,DENG Zongquan1,LAI Xiaoming2,ZHANG Jiaqiang2,LIANG Lu3,ZHOU Qin4
(1.State Key Laboratory of Robotics and System,Harbin 150001,China;2.Beijing Spacecraft Manufacture Factory,Beijing 100190,China;3.Beijing Space Technology Manufacture and Test Center,Beijing 100094,China;4.China University of Geosciences,Beijing 100083,China)

For the goal of refined utilization of lunar surface resources with human assistance,this paper outlined the present situation of the development of lunar surface exploration and in-situ resource utilization technology.For actual requirements of China’s future manned lunar exploration mission and advance research,it presents a generalized classification for refined utilization of the lunar surface resources.In this classification,the human-robotenvironment system was treated as research object,and the lunar surface environment resources can be divided into three categories:resources be utilized on-orbit,sample resources need to bring back to the earth and waste produced by human and machines.Follow the research concept of balancing the inheritance and innovation,it focuses on technical schemes of investigation and in-situ utilization for lunar surface generalized resources,including the mineral resources investigation,resources utilization on the lunar surface environment condition,collections of polymorphic samples and the recycling of the wastes produced by human and machines.

human-robot combination;lunar surface generalized resources;investigation;in-situ utilization;technical means

V19

A

2095-7777(2015)04-0291-11

10.15982/j.issn.2095-7777.2015.04.001

姜生元(1969—),男,教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向:深空采樣探測技術(shù)、宇航空間機(jī)構(gòu)及控制技術(shù)。

[責(zé)任編輯:楊曉燕]

2015-10-01

2015-11-08

國家自然科學(xué)基金項目(5157512);載人航天領(lǐng)域預(yù)先研究項目(050102)