楊曉峰 黃彥如 龐勇

(1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)(2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094)

火星是太陽(yáng)系八大行星之一，屬于類地行星。火星與地球頗為相似，火星的自轉(zhuǎn)速度與地球幾乎相等，有四季交替的氣候變化，火星大氣層中也存在臭氧層，可以吸收太陽(yáng)光中的紫外線，有高原、平原等地貌，某些地區(qū)甚至還有豐富的水資源存在，為火星創(chuàng)造了有利于生物生長(zhǎng)發(fā)育的條件[1-2]。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的天文觀測(cè)和空間探測(cè)，科學(xué)家推斷火星最有可能存在過(guò)生命或適宜生命繁衍[3]，也是最有可能供人類移居的星球。因此，火星探測(cè)研究將為在火星建立永久居住基地，擴(kuò)展人類生存疆域奠定基礎(chǔ)，對(duì)人類的未來(lái)生存和發(fā)展有著十分重大的意義。

鉆探取樣是火星探測(cè)的重要內(nèi)容，目前世界各航天強(qiáng)國(guó)對(duì)火星的探測(cè)取樣工作明顯加速，尤其美國(guó)洞察者號(hào)火星探測(cè)取樣器已經(jīng)于2018年登陸火星并開(kāi)始嘗試對(duì)火星地層進(jìn)行鉆探取樣，并計(jì)劃在2030年前后選擇合適地區(qū)實(shí)施載人火星登陸。中國(guó)計(jì)劃在2020年發(fā)射火星探測(cè)器，對(duì)火星進(jìn)行初步探測(cè)，并計(jì)劃在2030年前后實(shí)施火星取樣返回工作，獲取火星地層結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)[4]。但火星地質(zhì)條件復(fù)雜，尤其是硬巖地層鉆進(jìn)困難阻礙了火星地層探測(cè)的成效，開(kāi)發(fā)火星復(fù)雜環(huán)境下有效的硬巖鉆進(jìn)技術(shù)和取樣裝置勢(shì)在必行。

本文從火星采樣技術(shù)研究現(xiàn)狀出發(fā)，提出了原位利用火星豐富的二氧化碳資源開(kāi)發(fā)超臨界二氧化碳射流輔助破巖的技術(shù)構(gòu)想。圍繞火星復(fù)雜地層破巖這一主題，分析了超臨界二氧化碳射流輔助破巖的機(jī)理、可行性和應(yīng)用前景，介紹了超臨界二氧化碳火星采樣系統(tǒng)的基本組成，論述了超臨界二氧化碳射流輔助破巖的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，旨為火星鉆探采樣技術(shù)研究的深入推進(jìn)提供思路和研究參考。

1 火星采樣技術(shù)研究現(xiàn)狀

火星氣候和地質(zhì)環(huán)境條件極其復(fù)雜，尤其是堅(jiān)硬巖層分布廣泛，低氣壓、低重力、強(qiáng)輻射及晝夜溫差大等不利因素極大地增加了硬巖破碎難度[5]，如果沿用傳統(tǒng)方法破巖，就會(huì)在一定深度出現(xiàn)鉆進(jìn)受阻、停滯和鉆具破壞等情況。從20世紀(jì)50年代至今，世界多個(gè)國(guó)家對(duì)地外天體鉆進(jìn)取樣技術(shù)進(jìn)行了諸多探索,火星采樣技術(shù)也在不斷進(jìn)步。美國(guó)好奇號(hào)火星車的采樣系統(tǒng)主要由微型鉆機(jī)、取樣鏟、篩分機(jī)和計(jì)量器構(gòu)成，同巖屑運(yùn)移系統(tǒng)、巖屑處理分析系統(tǒng)等高度模塊化集成為一體，再通過(guò)機(jī)械臂搭載于好奇號(hào)火星車的前部[6-7]。在實(shí)際鉆探取樣中，依靠機(jī)械臂的移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)取樣地點(diǎn)的精準(zhǔn)定位，鉆進(jìn)過(guò)程的鉆壓力由機(jī)械臂壓縮鉆具與鉆機(jī)之間的儲(chǔ)能彈簧提供，并由機(jī)械臂對(duì)鉆進(jìn)深度進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，但好奇號(hào)取樣器只能鉆取松軟地層，而且鉆取深度較淺，取樣量偏小[8-9]。ESA用于火星探測(cè)的獵兔犬-2(Beagle-2)著陸器上安裝有钚回路試驗(yàn)反應(yīng)堆(PLUTO)末端采樣器，該采樣器同樣借助機(jī)械臂的作用，能夠在任意方向上潛入0.1～-1.5 m深的火星表面的松土層進(jìn)行多次采樣，但是單次采樣鉆屑質(zhì)量也僅能達(dá)到50 mg[10]。NASA發(fā)射的海盜號(hào)火星著陸器,采用機(jī)械臂末端安裝挖取式自動(dòng)采樣機(jī)構(gòu)進(jìn)行采樣，當(dāng)機(jī)械臂向后拖動(dòng)時(shí),位于采樣機(jī)構(gòu)前端的鏟可以將火星土壤翻松,以便鏟體能以較小的鏟入力完成采樣。該采樣機(jī)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，但僅適用于淺表層松軟土壤及小型巖石采樣[11]。NASA于2018年發(fā)射的洞察號(hào)火星探測(cè)器原計(jì)劃鉆到火星表面以下5 m的深度，以實(shí)現(xiàn)火星內(nèi)部的熱狀態(tài)考察[12]，但實(shí)際上，在洞察號(hào)鉆到50 cm的時(shí)候就停止了鉆進(jìn)，鉆頭也發(fā)生了15°的偏移，根本原因就是洞察號(hào)在鉆進(jìn)過(guò)程中遇到了堅(jiān)硬的巖石，無(wú)法有效破巖而導(dǎo)致鉆進(jìn)任務(wù)停滯，這一難題至今也沒(méi)得到完全有效的解決。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用理論建模和地面實(shí)驗(yàn)的方法研究復(fù)雜地層鉆進(jìn)取樣過(guò)程，分析影響取樣效果的關(guān)鍵因素，為優(yōu)化航天器取樣方法與裝置提供參考依據(jù)[13]。Nagaoka等人提出了一種新型正反向雙螺旋鉆進(jìn)方法，可有效抵消鉆具所受到的土體反作用力，提高鉆進(jìn)效率，但此鉆進(jìn)方法對(duì)硬件設(shè)備要求較高，目前仍在實(shí)驗(yàn)階段[14]。英國(guó)薩瑞大學(xué)借鑒木蜂產(chǎn)卵原理提出了一種雙向交錯(cuò)往復(fù)鉆進(jìn)方式，使得鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭前端可獲得更多的鉆壓力，能提高采樣效率，但此鉆進(jìn)方式對(duì)原位土體的破壞較大，所采集樣品被破碎成粉末后輸出，不能有效保持原樣[15-16]。NASA研發(fā)的超聲波沖擊式鉆探器(USDC)通過(guò)由高頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換成的低頻沖擊作用實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)的向下鉆進(jìn)，克服了傳統(tǒng)鉆探器難以在微重力環(huán)境下工作的難題[17-18]，但該取樣器對(duì)錨固穩(wěn)定要求較高，而且能耗較大，目前還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，有待于進(jìn)一步改進(jìn)[19]。

實(shí)踐中，超臨界二氧化碳(SC-CO2)射流作為一種高效無(wú)污染的輔助破巖新方法在地球油氣資源鉆采領(lǐng)域取得了良好效果[20]。利用SC-CO2射流破巖及壓裂能提高單井產(chǎn)量和油氣采收率，目前已成為國(guó)內(nèi)外非常規(guī)油氣藏開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也為新型高效破巖鉆進(jìn)技術(shù)提供了新的方法和方向?；鹦翘綔y(cè)中，利用火星大氣中豐富的二氧化碳資源，借鑒采用SC-CO2射流進(jìn)行高效破巖取樣，將有利于解決復(fù)雜地層采樣困難問(wèn)題。

2 SC-CO2射流火星輔助破巖的應(yīng)用

2.1 SC-CO2射流破巖機(jī)理

SC-CO2是CO2在超過(guò)臨界溫度31.1 ℃和臨界壓力7.38 MPa的條件下形成的一種特殊的超臨界狀態(tài)流體(見(jiàn)圖1)。CO2進(jìn)入超臨界態(tài)后，顯現(xiàn)出許多獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，具有液體的高密度，又具有氣體的低黏度和高擴(kuò)散系數(shù)，有良好的傳質(zhì)性能[21]。此外，SC-CO2的臨界條件易于達(dá)到，表面張力為零，不存在毛細(xì)管力，因此可以進(jìn)入任何大于SC-CO2分子的空間，與普通流體相比，SC-CO2可在地層中實(shí)現(xiàn)更大范圍的穿透[22-23]。

圖1 CO2相態(tài)變化規(guī)律Fig.1 Diagram of phase transition of CO2

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了使用SC-CO2作為鉆井流體來(lái)提高射流破巖能力的方法[24-25]。杜玉昆等人[26]和黃飛等人[27]分別針對(duì)人工巖心和四川龍馬溪頁(yè)巖開(kāi)展SC-CO2射流破巖實(shí)驗(yàn)，證明了SC-CO2射流輔助頁(yè)巖破碎效率優(yōu)于普通水射流破巖。進(jìn)一步研究表明SC-CO2射流在破巖過(guò)程中表現(xiàn)出許多獨(dú)特的性質(zhì)，起裂壓力低，裂縫形態(tài)復(fù)雜，以及破裂斷面粗糙等，使其具有卓越的破巖優(yōu)勢(shì)[28]。SC-CO2射流提高破巖效果的主要機(jī)制如下。

(1)巖石破碎范圍更廣。與水壓裂縫相比，SC-CO2沖擊下裂縫寬度較大，裂縫面較粗糙，裂縫分布密度較大[29]。SC-CO2壓裂形成的主裂縫相對(duì)曲折，且主裂縫周邊派生出很多二次裂縫，二者相互溝通，形成復(fù)雜的裂縫網(wǎng)[30]。Inui等人[31]進(jìn)行的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：相同條件下SC-CO2破巖裂縫呈現(xiàn)波狀，能夠誘導(dǎo)更多分支裂縫，形成裂縫網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)水射流和SC-CO2射流破巖效果如圖2、3所示。

(2)鉆具降溫作用更好。鉆進(jìn)過(guò)程中需要將巖石從巖體上破碎并分離出來(lái)，刀具在破巖過(guò)程中大量放熱，導(dǎo)致其溫度升高，造成密封失效和刀具磨損增加，會(huì)降低刀具的使用壽命[32]。SC-CO2具有液體的高密度性質(zhì)和較大比熱，在地層溫度條件下SC-CO2射流的冷卻作用可保護(hù)鉆頭，降低鉆頭切削齒的溫度，避免高溫對(duì)鉆頭與鉆桿造成的熱破壞[33]。

(3)鉆屑攜巖能力更強(qiáng)。SC-CO2流體密度大，流動(dòng)性強(qiáng)，攜巖效果優(yōu)于空氣和水，且多種工況下攜帶能力較好。沈忠厚等人[23]用數(shù)模實(shí)驗(yàn)對(duì)不同黏度、不同密度的SC-CO2流體在水平井段的攜巖規(guī)律進(jìn)行了模擬，計(jì)算結(jié)果表明：SC-CO2流體的攜巖能力比水大幅提高，而且隨密度和黏度的增加而增強(qiáng)。宋維強(qiáng)等人[34]對(duì)水平井段的SC-CO2攜巖能力進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到同等壓力條件下SC-CO2的巖屑排放能力比水基鉆進(jìn)液高1.5～3倍。

圖2 常規(guī)水致裂巖石示意圖Fig.2 Diagram of rock fractures by water jet

圖3 超臨界二氧化碳射流致裂巖石示意圖Fig.3 Diagram of rock fractures by supercritical carbon dioxide jet

2.2 SC-CO2射流火星輔助破巖可行性及應(yīng)用前景

火星大氣中CO2占比95.32%[35]，CO2資源豐富，純度高，性質(zhì)穩(wěn)定。SC-CO2的臨界條件門(mén)檻低，制備裝置簡(jiǎn)單。SC-CO2射流主要依靠高密度、高擴(kuò)散能力進(jìn)行破巖，而且與地面氣壓條件相比，火星超低氣壓條件下SC-CO2流體的黏度更低，擴(kuò)散系數(shù)更大，更有利于提高破巖范圍和速度。因此將火星大氣中豐富的CO2轉(zhuǎn)化為SC-CO2射流運(yùn)用于火星輔助鉆進(jìn)，可以提高鉆進(jìn)效率，而且不污染樣品及火星環(huán)境，有助于火星硬巖取樣難題的破解。SC-CO2射流火星輔助破巖可行性及優(yōu)勢(shì)如下。

(1)提高破巖效率，降低機(jī)具能耗。在火星硬巖破碎困難情況下，SC-CO2易進(jìn)入巖石微孔隙和微裂縫之中，將射流流體的準(zhǔn)靜態(tài)壓力傳遞到巖石深部，在巖石內(nèi)部建立大小不一的流體壓力系統(tǒng)，致使巖石沿著原有裂縫或者弱膠結(jié)面開(kāi)裂或破碎，降低巖石的起裂壓力，加快巖體損傷，擴(kuò)大穿透范圍，增強(qiáng)破巖效果，進(jìn)而減小鉆進(jìn)能耗[36]。

(2)有效解決鉆具冷卻問(wèn)題。太空無(wú)水環(huán)境持續(xù)鉆進(jìn)取樣將會(huì)導(dǎo)致鉆具溫度急劇上升，如果散熱不當(dāng)，采樣機(jī)具將發(fā)生熱變形與熱破壞導(dǎo)致裝備失效。SC-CO2流體在鉆進(jìn)過(guò)程中不斷沖刷、冷卻、潤(rùn)滑刀具，降低刀具溫度，延長(zhǎng)刀具壽命，使取樣工具保持穩(wěn)定的工作性能[5]。

(3)提高排屑能力，減小鉆進(jìn)阻力。在火星鉆探過(guò)程中，需要及時(shí)排除鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的巖屑，否則鉆進(jìn)阻力將大幅升高甚至出現(xiàn)卡鉆事故[37]?；鹦潜砻鏇](méi)有液態(tài)水，常規(guī)條件下空氣攜巖能力有限，會(huì)隨鉆進(jìn)深入而大幅減弱，導(dǎo)致排屑受阻。SC-CO2射流既有液體的高密度又有氣體的高擴(kuò)散性，能較好地?cái)y帶巖屑并較快地排出鉆孔，減少鉆進(jìn)阻礙，提高鉆進(jìn)效率。

(4)資源豐富，降低探測(cè)成本?；鹦谴髿庵蠧O2資源充分，而且SC-CO2射流容易制取，裝備簡(jiǎn)單，通過(guò)SC-CO2射流輔助鉆進(jìn)，既可以減少裝備開(kāi)發(fā)成本，又可以就地取材，解決輔助能源補(bǔ)給問(wèn)題，直接起到節(jié)能降耗的作用。

3 SC-CO2射流輔助破巖關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

以射流破巖與鉆進(jìn)采樣技術(shù)研究基礎(chǔ)為依托，本文提出了SC-CO2火星鉆進(jìn)取樣方法。在火星原位制取SC-CO2基礎(chǔ)上，利用SC-CO2射流輔助火星硬巖地層破碎，實(shí)現(xiàn)減阻降溫，提高鉆進(jìn)取樣效率。在裝置設(shè)計(jì)上，火星取樣系統(tǒng)主要由SC-CO2射流制取裝置、巖石鉆進(jìn)裝置、錨固穩(wěn)定裝置和樣品篩分裝置等分系統(tǒng)構(gòu)成，具有因地制宜，技術(shù)穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)(見(jiàn)圖4)。CO2的超臨界態(tài)形成條件較為簡(jiǎn)單，當(dāng)氣體超過(guò)臨界溫度31.1 ℃和臨界壓力7.38 MPa以上時(shí)就會(huì)進(jìn)入超臨界狀態(tài)?？紤]到火星稀薄大氣壓下大氣的易變性，對(duì)SC-CO2射流制取裝置進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，在CO2收集口安裝一個(gè)氣體壓力控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)溫度交變過(guò)程CO2氣體的穩(wěn)壓控制。從火星大氣收集的CO2氣體經(jīng)過(guò)濾裝置凈化后，在抽氣泵壓力差的作用下壓入泵腔，再由排氣口將氣體送入升溫加壓裝置，裝置內(nèi)的加壓泵先將CO2升至臨界壓力7.38 MPa，并由加熱器對(duì)CO2加熱至臨界溫度31.1 ℃以上，就實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的超臨界狀態(tài)。SC-CO2經(jīng)過(guò)鉆進(jìn)裝置噴嘴噴出形成SC-CO2射流，對(duì)巖石進(jìn)行輔助鉆進(jìn)破碎。

圖4 超臨界二氧化碳火星取樣系統(tǒng)Fig.4 Mars sampling system based on supercritical carbon dioxide

SC-CO2火星鉆進(jìn)取樣是一項(xiàng)多學(xué)科交叉技術(shù)，未來(lái)需要從理論和技術(shù)角度進(jìn)一步優(yōu)化研究才能使SC-CO2火星取樣系統(tǒng)更好地發(fā)揮作用。在機(jī)理研究方面，需要針對(duì)火星探測(cè)環(huán)境下SC-CO2射流流場(chǎng)特性展開(kāi)研究。SC-CO2射流破巖是一個(gè)涉及諸多因素的非線性沖擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，且SC-CO2介于氣體和液體之間，屬于物性特殊的相變材料。SC-CO2射流過(guò)程中的物性參數(shù)隨環(huán)境溫度和壓力的變化而不斷變化，射流過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)極難控制，單純的實(shí)驗(yàn)研究難以深刻揭示射流過(guò)程中SC-CO2物性變化對(duì)巖石破碎的影響規(guī)律，需要對(duì)火星超大溫差、超低氣壓等特殊環(huán)境因素對(duì)SC-CO2射流特性影響進(jìn)行深入研究，建立火星SC-CO2射流流場(chǎng)模型，掌握火星環(huán)境下SC-CO2射流沖擊特性參數(shù)的影響因素。因此，在研究火星探測(cè)環(huán)境特殊溫度與氣壓條件SC-CO2射流的速度-密度數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合射流仿真模型與實(shí)驗(yàn)，得到射流優(yōu)化參數(shù)組合，將為火星硬巖高效破碎采樣新技術(shù)提供支撐。

在裝備及工藝方面，火星的復(fù)雜環(huán)境也對(duì)SC-CO2射流探測(cè)取樣作業(yè)提出了如下更高要求。

(1)取樣裝置錨固穩(wěn)定和復(fù)雜地層自適應(yīng)性問(wèn)題?；鹦侵亓ο喈?dāng)于地球表面重力的0.38[38]，在微重力環(huán)境下實(shí)現(xiàn)探測(cè)器著陸已不易，取樣作業(yè)時(shí)施加的力又可能將探測(cè)器推離火星，加上火星表面平均風(fēng)速大，要使取樣設(shè)備附著穩(wěn)固，需要有更好的錨固方法用以穩(wěn)定取樣裝置[39-40]?；鹦堑目傮w地層包括難以破碎的硬巖、砂巖、冰層、永凍層等，表面起伏較大，巖石各向異性突出[41]，登陸點(diǎn)表面可能是堅(jiān)硬的巖石,也可能是不穩(wěn)定的沙丘或凹凸地段，要求火星取樣裝置設(shè)計(jì)能適應(yīng)不同地層著陸姿態(tài)，跨越各種障礙，具有多點(diǎn)多次采樣能力。

(2)取樣裝置自身能耗及設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題?；鹦桥c地球空間距離遙遠(yuǎn)，飛船的運(yùn)載能力受限，加上運(yùn)載火箭發(fā)射能力及成本的影響，探測(cè)器的重量不可能無(wú)限增加，就取樣裝置而言，在保證合適重量的同時(shí)，又要最大限度地優(yōu)化錨固裝置和設(shè)備材質(zhì)結(jié)構(gòu)以減輕重量。同時(shí)，雖然SC-CO2射流制取的條件門(mén)檻低，制備裝置相對(duì)簡(jiǎn)單，但是，火星表面氣壓只有地球表面氣壓的0.6%，密度約為地球大氣的1%[42]，CO2氣體的足量收集仍有一定難度，而且氣體易逃逸，所以SC-CO2射流探測(cè)取樣裝置中CO2氣體的高效收集、轉(zhuǎn)化和密封相關(guān)部件也要進(jìn)行針對(duì)性完善。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在介紹SC-CO2射流輔助破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析了SC-CO2射流輔助破巖的可行性與應(yīng)用前景，提出了SC-CO2射流火星復(fù)雜地層鉆進(jìn)采樣技術(shù)方法。在分析火星環(huán)境SC-CO2射流流場(chǎng)特性基礎(chǔ)上，對(duì)SC-CO2射流火星輔助破巖探測(cè)取樣裝置錨固穩(wěn)定、不同地層適應(yīng)性、取樣裝置自身能耗等方面進(jìn)行了優(yōu)化分析，指出了火星探測(cè)環(huán)境下SC-CO2射流采樣理論研究和技術(shù)工藝的發(fā)展完善方向，對(duì)完善火星探測(cè)技術(shù)、推進(jìn)深空探測(cè)高效取樣任務(wù)的研究具有重要理論價(jià)值和工程意義。未來(lái)各航天院所、高校、企業(yè)要抓住我國(guó)2030年前深空探測(cè)整體規(guī)劃實(shí)施的大好時(shí)機(jī)，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)火星二氧化碳原位利用及SC-CO2射流火星地層高效采樣技術(shù)進(jìn)行協(xié)力攻關(guān)，有利于盡早實(shí)現(xiàn)我國(guó)火星鉆探取樣關(guān)鍵技術(shù)的突破和引領(lǐng)。