孫平賀

(1.有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實驗室，湖南 長沙 410083; 2.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410083; 3.美國亞利桑那州立大學(xué)，坦佩 85282)

0 引言

人類對火星的探測一直都是空間探測的熱點(diǎn)。1960年前蘇聯(lián)發(fā)射的首顆火星探測器拉開了這一科學(xué)過程的序幕，此后，美國、俄羅斯、歐洲、日本、印度和中國陸續(xù)實施了一系列的火星探測活動。由于火星是距離地球最近的類地行星，其是否存在水和生命，可否成為人類另外家園等問題是人類探測活動的最初動力。同時，行星地質(zhì)學(xué)家根據(jù)火星表面的影像分析資料，初步建立了其表面可能的地層分布情況[1-2]，如圖1所示，也進(jìn)一步推動了人類認(rèn)識火星的進(jìn)程。此外，近些年的探測活動同樣推動了材料、制造、通信等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。2018年5月，美國“好奇號”火星車探測結(jié)果顯示：火星上存在含硫的有機(jī)質(zhì)，同時甲烷濃度隨季節(jié)更迭呈現(xiàn)規(guī)律性變化[1]，而這重大發(fā)現(xiàn)是依賴于其鉆探樣品自動分析結(jié)果，因此，取樣鉆探是火星探測中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

圖1 火星表面可能的地層分布

“好奇號”火星車于2012年8月著陸，2013年2月實施首次取樣鉆探，并成功完成直徑為16 mm、深度為64 mm的鉆孔作業(yè)。著陸6年來，其先后完成了16次取樣鉆探(截至2018年5月20日)[3]，為科學(xué)家認(rèn)識火星提供了直接依據(jù)，如圖2所示。美國國家航空航天局(NASA)火星探測中心公開的資料顯示，科研人員花費(fèi)了十余年對火星鉆探取樣技術(shù)展開研究[4-6]，主要關(guān)注的是兩大難點(diǎn)：其一是火星不確定的環(huán)境因素；其二是取樣鉆探的動力技術(shù)問題。尤其是針對火星樣品的取樣工藝問題[7-8]?？蒲腥藛T認(rèn)為獲取巖屑的全面鉆探工藝對動力的要求要超過取心鉆探工藝，且在不具備流體鉆井液的條件下，巖屑的有效排除同樣是技術(shù)難點(diǎn)，因此，最終確定了取心鉆探工藝技術(shù)。由于“好奇號”火星鉆探是不同于傳統(tǒng)鉆探的智能、集成、輕量系統(tǒng)，加之國外對核心技術(shù)的保密，本文依據(jù)現(xiàn)有技術(shù)資料，著重介紹了取樣技術(shù)的系統(tǒng)組成，有望對國內(nèi)相關(guān)研究提供參考。

圖2 “好奇號”火星鉆孔概況

1 鉆探要求與系統(tǒng)組成

火星表面的環(huán)境和人類對其認(rèn)知程度的限制，使“好奇號”火星車取樣鉆探設(shè)計難度較大，不確定的因素成為潛在的運(yùn)行風(fēng)險。依據(jù)行星地質(zhì)學(xué)家已掌握的基本環(huán)境、溫度、地質(zhì)因素，取樣鉆探系統(tǒng)在設(shè)計中需要滿足如下要求[1]。

(1)長壽命運(yùn)行要求。地球取樣鉆探的長壽命一般以累積進(jìn)尺深度作為衡量指標(biāo)，“好奇號”鉆探長壽命的定義為：能夠至少獲取到火星表面81個不同地點(diǎn)的巖屑樣品。由于目前樣品是采用自動分析系統(tǒng)完成預(yù)定科學(xué)目標(biāo)，因此需要系統(tǒng)能夠?qū)Σ煌瑯悠愤M(jìn)行有效區(qū)分，重點(diǎn)是保證取樣前系統(tǒng)的清潔度，避免巖屑交叉混淆。另外，為了確保在無水環(huán)境下的干鉆順利進(jìn)行，選取沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝來提高鉆頭的壽命，并要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動換鉆頭1次，以確保在不確定巖層的取樣鉆探質(zhì)量。

(2)高效密封和極端條件下的系統(tǒng)穩(wěn)定要求?；鹦潜砻娴姆蹓m較大，而鉆探系統(tǒng)又是依賴于各機(jī)械組件的力學(xué)傳遞實現(xiàn)取樣目標(biāo)的，因此，需要對這些組件進(jìn)行高效密封，防止粉塵侵入后造成機(jī)械故障。同時，不少取樣地點(diǎn)都是位于崎嶇不平的坡地中，最大坡度為20°，火星車極易發(fā)生滑移，造成鉆頭卡鉆，進(jìn)而形成鎖死狀態(tài)。因此，要求鉆頭直徑應(yīng)足夠大，在一定深度條件下，保證巖屑采集的體積。機(jī)械部分的設(shè)計應(yīng)考慮復(fù)雜地形產(chǎn)生的極限荷載。

(3)相對獨(dú)立的模塊設(shè)計要求。取樣鉆探系統(tǒng)是高度集成的智能系統(tǒng)，但在設(shè)計上需要各自保持獨(dú)立。模塊設(shè)計目的是確保在極端條件下，某個機(jī)構(gòu)的力學(xué)、機(jī)械或者電子故障不會影響到其他機(jī)構(gòu)。比如對于鉆頭部分，一旦發(fā)生卡鉆，可通過系統(tǒng)的強(qiáng)力起拔而將鉆頭拉斷后放棄，更換新鉆頭后可重新作業(yè)。由于受到體積的限制，在室內(nèi)測試中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)40%的極端情況下，單純依賴系統(tǒng)的強(qiáng)力起拔無法實現(xiàn)拉斷鉆頭，而利用沖擊機(jī)構(gòu)的輔助作用，可大大減少極限起拔力。

根據(jù)上述設(shè)計要求，技術(shù)人員歷經(jīng)4年及12次室內(nèi)聯(lián)動測試，完成了取樣鉆探系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖3所示。鉆探系統(tǒng)同巖屑運(yùn)移系統(tǒng)、巖屑處理分析系統(tǒng)、控制儀器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)等高度模塊化集成為一體，再通過機(jī)械臂搭載于“好奇號”火星車的前部。在實際取樣鉆探中，依靠機(jī)械臂的移動、轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對取樣地點(diǎn)的精準(zhǔn)定位。取樣鉆探系統(tǒng)由8個子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)、輔助結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、壓力和回轉(zhuǎn)傳遞系統(tǒng)、封閉保護(hù)殼(穩(wěn)定器)系統(tǒng)、鉆頭系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)、主動軸系統(tǒng)和沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)[9-10]，如圖4所示。

圖3取樣鉆探系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2 鉆頭系統(tǒng)

作為旋轉(zhuǎn)扭矩和沖擊荷載的承載體，鉆頭系統(tǒng)是獲取火星表面樣品的關(guān)鍵。鉆頭直徑為16 mm，表面加工成螺旋深槽，便于鉆屑的運(yùn)移。鉆頭體的外部是鉆屑收集鋼管，也是巖屑進(jìn)入巖屑倉的唯一通道，如圖5所示。為了提高鉆進(jìn)過程的穩(wěn)定性，巖屑收集管具有較大的壁厚，同時在底部設(shè)有4個凹槽，用于換鉆前固定鉆頭體。鉆頭體上部同嵌在殼體的軸承相連，而殼體又通過2個鈦膜片連接到巖屑收集管的上部。作為唯一固定鉆頭的軸承，其密封性至關(guān)重要，設(shè)計中采用彈簧加壓密封和集成外罩保護(hù)，以提高其工作穩(wěn)定性。巖屑倉位于鉆頭體上部的腔體中，由前、后兩部分倉體組成，兩個倉體通過單通道相連，在通道對面設(shè)有巖屑出口，是獲取到的樣品進(jìn)入巖屑運(yùn)移系統(tǒng)的起始端。在巖屑倉上部均勻分布8個卡孔，用于鉆頭系統(tǒng)同轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)相連接，實現(xiàn)扭矩和沖擊荷載的傳遞。

圖4取樣鉆探系統(tǒng)組成

圖5 取樣鉆頭部分組成

3 轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)

同傳統(tǒng)的鉆進(jìn)設(shè)備一樣，轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)主要為鉆頭提供扭矩，并實現(xiàn)鉆頭體的鎖緊與釋放，如圖6所示。該系統(tǒng)主要由電換向齒輪電動機(jī)驅(qū)動，電動機(jī)通過齒輪傳動裝置驅(qū)動主軸。輸出軸由機(jī)頭軸承和后部嵌入式軸承作為支撐，最大平均接觸應(yīng)力保持較低狀態(tài)，以防止?jié)櫥徒到馐?。安裝在軸上的是耐久性較好的扭矩聯(lián)軸器，用于鉆頭和主軸之間的軸向、徑向和角度運(yùn)動。鉆頭的卡盤機(jī)構(gòu)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)鉆頭的鎖緊和釋放，還可以進(jìn)行鉆頭的自動更換。該機(jī)構(gòu)由8個不銹鋼球組成，通過旋轉(zhuǎn)凸輪徑向推出。凸輪由換向制動器進(jìn)行控制，包括電動換向減速電機(jī)、齒輪組和諧波傳動裝置。

圖6 轉(zhuǎn)盤驅(qū)動系統(tǒng)組成

轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)具有高效的密封和耐久性能，不受火星空氣中的塵埃顆粒和鉆進(jìn)產(chǎn)生的巖屑顆粒影響，同時，其極限荷載通過室內(nèi)測試結(jié)果進(jìn)行設(shè)定，確保在卡鉆時能夠及時釋放被表面卡住的鉆頭，實現(xiàn)對整體系統(tǒng)的自動保護(hù)。潤滑系統(tǒng)中采用了改進(jìn)后的Lub-Lock4306型號干潤滑劑，可有效降低極端條件下結(jié)構(gòu)的機(jī)械磨損。

4 沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)

沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對較為簡單，主要由重錘、彈簧和殼體等組成，如圖7所示。重錘的質(zhì)量為400 g，沖擊的頻率為30 Hz，可變沖擊能量為0.05～0.8 J。彈簧具有較高的熱膨脹系數(shù)，能夠適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部的連接。殼體部分開有凹槽，用以嵌入彈簧組，以保證內(nèi)部組件徑向尺寸的變化。同時，在殼體內(nèi)部設(shè)有三個導(dǎo)軌，其陽極氧化表面進(jìn)行了拋光處理，并由智能電子組件實現(xiàn)自動控制。整個沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)由位于美國加州的BEI Kimco公司(http://www.beikimco.com)研發(fā)，并展開了聯(lián)動測試。

圖7 沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)組成

5 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和穩(wěn)定外殼系統(tǒng)

回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和穩(wěn)定外殼系統(tǒng)主要是將上部的壓力傳遞給鉆頭，實現(xiàn)軸向運(yùn)動過程。其主要由三部分組成：連接軸承、外殼體和回轉(zhuǎn)主軸，如圖8、圖9所示。在取樣鉆進(jìn)中，回轉(zhuǎn)主軸可提供恒定的120 N鉆進(jìn)壓力；在完成取樣后，還可提供回拉力進(jìn)行提鉆作業(yè)。通過連接軸承，外殼體同轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)相連接，同時，殼體外部的自加力緊固裝置和支撐機(jī)構(gòu)可對內(nèi)部元器件進(jìn)行有效封裝，以減少外部粉塵對系統(tǒng)穩(wěn)定性的干擾?；剞D(zhuǎn)主軸由6對滾動軸承組進(jìn)行固定，不同軸承的極限負(fù)載有所不同，以保證在特殊情況下能夠有效釋放或拉斷主軸，起到系統(tǒng)保護(hù)作用。同時，為了準(zhǔn)確獲取壓力的大小，在殼體內(nèi)部設(shè)有多個壓力傳感器，并由波形彈簧進(jìn)行保護(hù)。室內(nèi)±70 ℃條件下的測試結(jié)果顯示，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，說明其在火星溫度條件下可提供有效的軸向壓力傳遞。

圖8 回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)系統(tǒng)組成

圖9 密封保護(hù)殼系統(tǒng)組成

6 接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)

接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)包括鉆進(jìn)穩(wěn)定裝置和鉆頭穩(wěn)定裝置，如圖10所示。在取樣鉆探中，該系統(tǒng)不僅對鉆進(jìn)過程提供空間穩(wěn)定性保護(hù)，也是為鉆頭提供開始鉆進(jìn)命令的標(biāo)志。當(dāng)鉆進(jìn)穩(wěn)定裝置的兩個鉸接式觸端觸及火星表面時，系統(tǒng)能夠根據(jù)中心目標(biāo)點(diǎn)的位置對裝置進(jìn)行微調(diào)，以確保鉆頭中心同目標(biāo)點(diǎn)相重合。一旦確定好空間位置(兩個觸端需同時接觸火星表面)，系統(tǒng)通過鎖緊裝置實現(xiàn)機(jī)械臂的三個平移自由度和一個回轉(zhuǎn)自由度的鎖定，確保整個鉆進(jìn)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后開始取樣鉆進(jìn)。機(jī)械臂的鎖定是根據(jù)接觸系統(tǒng)的觸發(fā)力大小確定的，系統(tǒng)的設(shè)定值為40 N，可通過彈簧和密封元件的調(diào)整實現(xiàn)觸發(fā)和復(fù)位的雙過程。

圖10 接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)及極端條件室內(nèi)測試(10 kN，-70 ℃)

取樣鉆進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)過室內(nèi)溫度(±70 ℃)、力學(xué)(10 kN)、氣壓(高、中、低)等多種變化環(huán)境的測試后，又相繼開展了同巖屑運(yùn)移、處理分析等系統(tǒng)的聯(lián)動測試，驗證其可靠性后進(jìn)行了裝載，為“好奇號”的火星探測提供了最為直接的科學(xué)手段。

7 結(jié)論

本文根據(jù)NASA的公開資料，分別從火星探測意義、“好奇號”火星車取樣鉆探概況、取樣鉆探要求和取樣系統(tǒng)組成情況進(jìn)行了論述，主要結(jié)論如下：

(1)火星表面不確定環(huán)境因素和取樣鉆探動力技術(shù)問題是系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)考慮的主要技術(shù)因素，取樣鉆探工藝較全面鉆探對動力要求低；

(2)取樣鉆探系統(tǒng)應(yīng)圍繞智能化、模塊化、輕量化展開，從系統(tǒng)組成上可劃分為接觸式穩(wěn)定系統(tǒng)、輔助結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、壓力和回轉(zhuǎn)傳遞系統(tǒng)、封閉保護(hù)殼(穩(wěn)定器)系統(tǒng)、鉆頭系統(tǒng)、轉(zhuǎn)盤系統(tǒng)、主動軸系統(tǒng)和沖擊鉆進(jìn)系統(tǒng)；

(3)取樣鉆探系統(tǒng)技術(shù)原理同傳統(tǒng)取心鉆探既有類似之處，也有自身特殊要求，特別是接口設(shè)計、樣品的收集、多因素影響下的密封和穩(wěn)定性等需要綜合多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)完成；

(4)由于對火星的取樣鉆探是人類的首次嘗試，實施中出現(xiàn)技術(shù)問題無法避免，如：2016年底-2018年中旬，“好奇號“由于技術(shù)問題(未詳細(xì)公開)一度處于停滯狀態(tài)，加之相關(guān)技術(shù)資料的保密性，火星取樣鉆探的研究工作亟待加緊實施，也是進(jìn)一步認(rèn)識火星的關(guān)鍵基礎(chǔ)。