李謙，高輝，謝蘭蘭，譚松成，段隆臣*

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都610059；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

0 引言

深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展是國(guó)家技術(shù)水平的綜合體現(xiàn)，對(duì)相關(guān)科學(xué)領(lǐng)域也存在著巨大的引領(lǐng)和驅(qū)動(dòng)作用。作為距離地球最近的星體，月球是各國(guó)在深空探測(cè)領(lǐng)域進(jìn)行戰(zhàn)略性搶占的首選試驗(yàn)場(chǎng)。近年來(lái)，多國(guó)結(jié)合20世紀(jì)50-70年代美蘇對(duì)月球探測(cè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，開(kāi)展了相關(guān)的月球探測(cè)計(jì)劃。其中，2004年是一個(gè)重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，中國(guó)、美國(guó)、俄羅斯和歐洲航天局都在同一年提出了各自的月球探測(cè)計(jì)劃。中國(guó)于2004年啟動(dòng)“嫦娥工程”月球探測(cè)計(jì)劃，并將其分為“繞-落-回”三個(gè)階段，于2020年11月24日發(fā)射的“嫦娥5號(hào)”月球探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了月面無(wú)人采樣，同步完成深層鉆取和淺層表取2項(xiàng)取樣任務(wù)，并于12月17日攜帶1731 g樣品成功返回［1-2］。就國(guó)外而言，美國(guó)于2004年提出“新太空探索計(jì)劃”，計(jì)劃在2015-2020年重現(xiàn)載人登月，實(shí)現(xiàn)在月球表面建立有人居住的月球基地，并在2030年前把航天員送上火星；同年，俄羅斯提出新的“全月球”探測(cè)計(jì)劃，目標(biāo)是在2010年之前向月球發(fā)射繞月衛(wèi)星，并最終于2025年前實(shí)現(xiàn)載人登月；歐洲航天局也在同一年提出要在2020年之前進(jìn)行系統(tǒng)的機(jī)器人探測(cè)月球計(jì)劃，并在2030年實(shí)現(xiàn)建立月球基地的目標(biāo)。日本在2006年提出在月球表面建立“太空港灣”的探測(cè)計(jì)劃，旨在開(kāi)發(fā)月球表面的礦產(chǎn)資源和能源資源。印度于2008年10月發(fā)射了其第一個(gè)月球探測(cè)器“月船1號(hào)”，對(duì)月表形貌和月表礦物資源進(jìn)行了系統(tǒng)探測(cè)［3-7］。由此可見(jiàn)，月球探測(cè)不會(huì)止步于環(huán)繞衛(wèi)星遙測(cè)，或月面著陸采樣分析，而是會(huì)更進(jìn)一步地建立月球基地，甚至?xí)菍?shí)現(xiàn)大規(guī)模的月球資源勘探開(kāi)發(fā)和利用。

“嫦娥5號(hào)”的成功實(shí)施，使中國(guó)成為繼美國(guó)Apollo計(jì)劃和前蘇聯(lián)Luna計(jì)劃后成功實(shí)現(xiàn)了月球鉆探采樣的第三個(gè)國(guó)家。現(xiàn)階段，對(duì)月球樣品的分析是當(dāng)前月球探測(cè)計(jì)劃的主要目標(biāo)之一。月球樣品不僅包含月殼內(nèi)部構(gòu)造、演化歷史等相關(guān)地質(zhì)信息，也包含太陽(yáng)系早期演化歷史、太陽(yáng)風(fēng)性質(zhì)與輻射特征、隕石撞擊記錄等領(lǐng)域的重要信息。對(duì)樣品中這些相互交織的信息進(jìn)行解讀，是對(duì)月球、地球乃至太陽(yáng)系研究的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)和突破。就月球樣品而言，廣義上可分為3大類：堅(jiān)硬固體類（月巖）、松散可變形類（月壤）、氣態(tài)類（月塵）［8］?？紤]到月壤是月巖以機(jī)械破碎的方式而形成，而月塵則是專指月球低重力的條件下極易漂浮，粒徑＜20 μm的月壤顆粒，因此月壤在一定程度上可視為同時(shí)包含了月巖和月塵的信息，也可認(rèn)為月球取樣的主要目標(biāo)在于月壤。從科學(xué)角度看，月壤是固體月球與填充太陽(yáng)系的物質(zhì)和能量之間的實(shí)際邊界層，能為地月起源、太陽(yáng)系相關(guān)研究等方面提供豐富的信息［9］。從資源角度上看，月壤富含豐富的礦物資源，包括超過(guò)1500萬(wàn)億t的鈦鐵礦、硅酸鹽、克里普巖（月球獨(dú)有礦物，富含鉀、磷和稀土元素）和超過(guò)100～500萬(wàn)t的氦-3資源［10］。從可持續(xù)研究發(fā)展的角度看，月壤的物理力學(xué)性質(zhì)、礦物資源儲(chǔ)量以及特殊的環(huán)境資源（真空、低重力、輻射、磁場(chǎng)等）等信息也是為后期月球基地建設(shè)、深空探測(cè)活動(dòng)奠定了重要的資源保證。

但值得注意的是，僅憑月球表面樣品無(wú)法獲取足夠豐富的信息，同時(shí)考慮到取樣過(guò)程中對(duì)月球表面樣品的潛在污染，故數(shù)十甚至百米深度以深的實(shí)物地質(zhì)樣品對(duì)月球探測(cè)任務(wù)不可或缺。為了有效保留樣品層理性等更多信息，鉆進(jìn)技術(shù)是目前獲取地下實(shí)物樣品唯一有效的采樣方式［11-12］?；诂F(xiàn)有的相關(guān)資料，美國(guó)Apollo系列任務(wù)載人登月，宇航員實(shí)地采樣381.7 kg，最深達(dá)3050 mm，而前蘇聯(lián)Luna系列任務(wù)無(wú)人值守，設(shè)備自動(dòng)采樣321 g，最深僅350 mm。美蘇在采樣質(zhì)量和深度上的巨大差異，主要是由于前蘇聯(lián)的自動(dòng)鉆進(jìn)設(shè)備對(duì)月壤性質(zhì)的錯(cuò)誤判斷，導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生機(jī)械故障而被迫終止采樣。有研究指出，不僅是前蘇聯(lián)Luna任務(wù)中，在美國(guó)Apollo任務(wù)中甚至后續(xù)的火星、金星和小行星采樣過(guò)程中，均出現(xiàn)過(guò)由于對(duì)行星地層特征的誤判引起的無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)鉆進(jìn)深度和卡鉆等問(wèn)題，從而無(wú)法實(shí)現(xiàn)取心的目的［13］。由此可見(jiàn)，現(xiàn)有技術(shù)儲(chǔ)備雖然能夠?qū)崿F(xiàn)月球鉆探動(dòng)作，但月球環(huán)境的影響，月壤（月巖）性質(zhì)的準(zhǔn)確預(yù)判，以及月壤（月巖）與鉆探設(shè)備、規(guī)程參數(shù)的相互耦合均與地球環(huán)境下的傳統(tǒng)鉆探工藝截然不同，因此不能套用地球環(huán)境的鉆探經(jīng)驗(yàn)直接對(duì)月球鉆探的效率、能耗、壽命等因素進(jìn)行直接判斷分析，而是需要對(duì)其進(jìn)行有針對(duì)性的特殊設(shè)計(jì)。為此，本文對(duì)當(dāng)前月球鉆探的研究進(jìn)展進(jìn)行了調(diào)研與分析。

1 月球鉆探對(duì)象與環(huán)境

1.1 月壤的物理力學(xué)性能

了解地層結(jié)構(gòu)是鉆探任務(wù)設(shè)計(jì)的首要參考。對(duì)于月球地層結(jié)構(gòu)，目前的學(xué)界共識(shí)是在月球表面覆蓋有平均厚度為4～15 m的松散月壤［9］，其下才是堅(jiān)硬月巖。綜合目前美國(guó)Apollo任務(wù)、前蘇聯(lián)Luna任務(wù)與中國(guó)“嫦娥”任務(wù)，當(dāng)前的取樣深度均未超過(guò)該范圍，故月壤可視為當(dāng)前月球鉆探任務(wù)的主要對(duì)象。相較而言，起源于月球極端環(huán)境條件下的月壤會(huì)為鉆進(jìn)帶來(lái)極大的困難。與地球土壤在空氣、水和生物共同風(fēng)化作用下的形成過(guò)程完全不同，月壤是在隕石撞擊、火山爆發(fā)、懸殊的晝夜溫差等條件下由純機(jī)械破碎產(chǎn)生，造就了與地球土壤截然不同的物理力學(xué)性質(zhì)。例如，月壤在采樣過(guò)程中極易被擾動(dòng)，且擾動(dòng)后會(huì)引起物理力學(xué)性質(zhì)的明顯變化。相關(guān)試驗(yàn)證明，在800 mm深度范圍內(nèi)，月壤僅在自重的作用下就能產(chǎn)生近40%的相對(duì)密度差［9］。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）研究表明，若無(wú)視模擬月壤因擾動(dòng)產(chǎn)生的變化，而是將其性質(zhì)定義為常量，則理論挖取扭矩計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的誤差值在30%～85%之間波動(dòng)［14］；美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)也通過(guò)試驗(yàn)證明，采用月壤性質(zhì)恒定的7種常規(guī)機(jī)-土耦合切削土力學(xué)模型計(jì)算反力曲線與模擬月壤實(shí)測(cè)值均不相符［15］。由此可見(jiàn)，月壤的物理力學(xué)性質(zhì)是月球鉆探相關(guān)任務(wù)的主要影響因素之一。

各國(guó)研究人員對(duì)美國(guó)和前蘇聯(lián)所采真實(shí)月壤進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)分析與研究，從礦物成分至物理力學(xué)性能等各個(gè)方面均取得了翔實(shí)的研究成果［9，16-17］。其中部分對(duì)月球鉆探影響較大的物理力學(xué)性能如表1所示。由表1可知，月壤物理力學(xué)性質(zhì)與地球土壤存在顯著的區(qū)別，其中較高的孔隙度和較大的相對(duì)密度、壓縮系數(shù)與承載力變化范圍也證明月壤存在易擾動(dòng)的特征。

表1 影響鉆進(jìn)效率的月壤物理力學(xué)性質(zhì)[9,16-20]Table 1 The physical and mechanical properties of lunar soil affecting drilling performance

圖1 來(lái)自Apollo 16任務(wù)的74個(gè)真實(shí)月壤顆粒樣品形態(tài)[19]Fig.1 74 real lunar soil particle samples from Apollo 16

圖2 典型月壤顆粒粘結(jié)物形態(tài)[9]Fig.2 Morphology of typical lunar soil granule

1.2 模擬月壤的研發(fā)進(jìn)展

由于真實(shí)月壤數(shù)量極其稀少（中美蘇合計(jì)不足385 kg），不能滿足各國(guó)針對(duì)月球探測(cè)的大規(guī)模研發(fā)需求，模擬月壤的研發(fā)不可避免。受采樣位置限制，真實(shí)月壤特征參數(shù)較為離散，沒(méi)有明顯的規(guī)律性，因此各國(guó)的模擬月壤研發(fā)分為兩個(gè)方向：一是特定功能性月壤，即僅針對(duì)某些特定物理力學(xué)性質(zhì)的模擬，二是通用型模擬月壤，即對(duì)特定區(qū)域的真實(shí)月壤進(jìn)行所有化學(xué)成分和物理力學(xué)性質(zhì)的全面模擬。這兩個(gè)方向不分優(yōu)劣，在特定的條件下均能滿足相關(guān)任務(wù)研發(fā)需求。如表2所示，目前常見(jiàn)的模擬月壤主要來(lái)自8個(gè)國(guó)家共38種，其中絕大多數(shù)由美國(guó)和中國(guó)研發(fā)（合計(jì)29種）。

將表2的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如圖3～4所示。從各國(guó)研發(fā)分布（圖3）所示，各國(guó)對(duì)模擬月壤的研發(fā)爆發(fā)于2004年（在此之前僅有美日合計(jì)6種模擬月壤），正是同年各國(guó)掀開(kāi)了對(duì)月球探測(cè)的第二次高潮。中國(guó)雖起步稍晚（2007年），得益于“嫦娥”計(jì)劃的推動(dòng)，研究增速非常迅猛，目前研究總量?jī)H次于美國(guó)。對(duì)模擬月壤的研究熱情體現(xiàn)了各國(guó)對(duì)月球探測(cè)的重視。從各國(guó)研發(fā)模擬月壤的功能劃分（圖4）所示，各國(guó)在通用型月壤與特定功能型月壤的研發(fā)上幾乎投入了相同的研發(fā)精力。

表2 目前常見(jiàn)模擬月壤[21-29]Table 2 The research and development of common lunar soil simulant at present

圖3 模擬月壤研發(fā)國(guó)家分布Fig.3 Research and development distribution of lunar soil simulant in various countries

圖4 模擬月壤的研發(fā)功能劃分Fig.4 Functional division of lunar soil simulant developed by various countries

1.3 月球鉆探的環(huán)境與挑戰(zhàn)

月球鉆探過(guò)程中，首先需要面對(duì)的就是相比地球更極端的采樣環(huán)境，如表3所示。月球環(huán)境會(huì)極大地限制采樣設(shè)備的工作效率，因此高效的采樣設(shè)備研發(fā)一定是建立在對(duì)采樣環(huán)境有足夠了解的基礎(chǔ)之上。相關(guān)資料顯示，月球鉆探過(guò)程中出現(xiàn)故障的概率較大。在美國(guó)Apollo 15任務(wù)中就出現(xiàn)過(guò)包括：（1）無(wú)法達(dá)到預(yù)計(jì)的鉆探深度；（2）鉆桿與動(dòng)力頭或鉆桿與鉆桿之間的卸扣較為困難；（3）鉆柱接頭損壞；（4）孔內(nèi)提鉆較為困難等問(wèn)題。而前蘇聯(lián)Luna系列任務(wù)更是出現(xiàn)機(jī)械故障，導(dǎo)致鉆探采樣任務(wù)被迫提前終止［13］。

表3 地月環(huán)境對(duì)比[30]Table 3 Environment comparison between earth and moon

基于表3所示的地月環(huán)境對(duì)比，月球極端環(huán)境下對(duì)鉆進(jìn)可能帶來(lái)的影響至少包括以下幾個(gè)方面：

（1）有限的動(dòng)力、能源和質(zhì)量大?。?1］：月球探測(cè)代價(jià)極其昂貴，發(fā)射一枚衛(wèi)星進(jìn)入軌道就需要耗資過(guò)百萬(wàn)美元。探測(cè)器的質(zhì)量大小將嚴(yán)格受限，因此必須使用輕型高強(qiáng)度金屬，必須使用太陽(yáng)能板提供能量，同時(shí)鉆進(jìn)功率消耗嚴(yán)格受限，鉆進(jìn)技術(shù)必須采用低功率模式；同時(shí)由于探測(cè)器空間受限，采樣器在途中必須折疊，因此動(dòng)力傳輸模式還需要考慮機(jī)具折疊的影響。

（2）惡劣的環(huán)境條件［31-32］：低重力條件下，登陸車或著陸器自身的輕質(zhì)量會(huì)限制作用在鉆頭上的最大鉆壓；低溫環(huán)境要求材料不會(huì)產(chǎn)生脆性變化，懸殊的晝夜溫差則要求材料有穩(wěn)定的熱膨脹系數(shù)，從而對(duì)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的制造材料提出了較高要求；低壓和真空的環(huán)境條件同時(shí)限制了熱量散發(fā)，在沒(méi)有冷卻介質(zhì)下容易造成鉆頭局部熱量過(guò)高。

（3）地質(zhì)條件的多樣性和不確定性［31，33］：月球鉆探的前提之一在于了解其地質(zhì)結(jié)構(gòu)；而探測(cè)器著陸點(diǎn)的選擇與實(shí)際著陸時(shí)的可能偏差，令地質(zhì)信息更難以預(yù)測(cè)。同時(shí)，即使在已知區(qū)域著陸或鉆進(jìn)時(shí)，不同深度的樣品地質(zhì)條件都可能存在很大的不同。鉆進(jìn)效率同時(shí)還可能受到樣品力學(xué)性能、熱物理性能、化學(xué)和礦物性能等影響。

（4）通信延遲［31，34］：通信延遲是決定行星采樣自動(dòng)化級(jí)別的最重要因素。當(dāng)出現(xiàn)通信中斷或延遲時(shí)，采樣器必須高度自治，從而要求自動(dòng)鉆進(jìn)設(shè)備具備強(qiáng)大的故障檢測(cè)和恢復(fù)功能。

2 月球（行星）鉆探機(jī)具

2.1 月球（行星）鉆探機(jī)具概況

基于對(duì)各國(guó)已實(shí)施和計(jì)劃中鉆進(jìn)采樣設(shè)備進(jìn)行調(diào)研，月球（行星）鉆進(jìn)采樣主要包含如圖5所示5種不同鉆進(jìn)取樣方式，包括：

（1）直接使用螺旋鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，樣品通過(guò)螺旋葉片傳輸至地表進(jìn)行取樣（圖5a）。

（2）使用外螺旋內(nèi)中空鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)，鉆桿外壁螺旋葉片排除鉆渣，月壤直接進(jìn)入鉆桿內(nèi)中空進(jìn)行采樣（圖5b）。

（3）使用雙層結(jié)構(gòu)，外部使用硬質(zhì)螺旋鉆桿結(jié)合鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)并排除鉆渣，內(nèi)部使用軟袋保護(hù)采集樣品，隨鉆進(jìn)深度的增加提拉軟袋對(duì)樣品進(jìn)行保護(hù)（圖5c）。

（4）使用雙層結(jié)構(gòu)，外部使用硬質(zhì)螺旋鉆桿結(jié)合鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)并排除鉆渣，內(nèi)部使用硬管，在鉆進(jìn)深度到位后內(nèi)部硬管伸出，壓取樣品（圖5d）。

（5）鼴鼠式鉆進(jìn)結(jié)構(gòu)，使用小型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)前端存在微型螺旋葉片，后端接入連接導(dǎo)線，完成初始設(shè)定后自動(dòng)鉆進(jìn)至指定位置進(jìn)行微量采樣（圖5e）。

圖5 常見(jiàn)的行星采樣鉆探機(jī)具類型[31,35]Fig.5 Typical types of planetary drilling structure

基于對(duì)5種不同鉆進(jìn)取樣方式的統(tǒng)計(jì)，從結(jié)構(gòu)原理上看（圖6），自1969年首次月球采樣至今，外螺旋內(nèi)中空取心方式一直是各國(guó)行星鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)重點(diǎn)。對(duì)比之下，外螺旋內(nèi)中空軟袋取心和內(nèi)中空硬管取心的鉆進(jìn)方式的研發(fā)源于對(duì)采樣樣品提供額外保護(hù)，降低采樣擾動(dòng)。但因其結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，潛在故障率高是不可忽視的缺點(diǎn)。除此以外，鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備值得關(guān)注，因其極大地降低了對(duì)功耗和質(zhì)量的需求，近年來(lái)研究熱度逐漸增加。但無(wú)法穿越硬巖和取心量過(guò)少是目前鼴鼠式鉆進(jìn)需要解決的主要問(wèn)題［20］。外螺旋采取巖屑的鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)相對(duì)較晚（始于2004年），因其相對(duì)較低的鉆進(jìn)功耗與較高的采樣效率也獲得了一定的關(guān)注。但外螺旋采取巖屑的取樣方式會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生較大的擾動(dòng)，對(duì)采集樣品中包含的層理性等信息會(huì)產(chǎn)生影響。

從國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展趨勢(shì)上看（圖7），美國(guó)、前蘇聯(lián)、中國(guó)和歐盟是4個(gè)主要的行星采樣鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)國(guó)家和地區(qū)。美國(guó)一直是研發(fā)主力，近年研發(fā)設(shè)備量緩慢增加；前蘇聯(lián)在20世紀(jì)80年代左右具有類似美國(guó)的研發(fā)水平，但進(jìn)入90年代后未見(jiàn)后續(xù)報(bào)道；中國(guó)采樣設(shè)備量自2009年首次報(bào)道［36］后迅速增加，原型樣機(jī)增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)超美國(guó)；歐盟雖然起步較早（1995年），但2007年后整機(jī)的研發(fā)陷入停滯。

圖6 不同原理的行星鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)趨勢(shì)Fig.6 Development trends of planetary drilling equipment with different principles

圖7 不同國(guó)家的行星鉆進(jìn)設(shè)備研發(fā)趨勢(shì)Fig.7 Development trends of planetary drilling equipment in different countries

2.2 不同結(jié)構(gòu)形式的典型鉆進(jìn)采樣機(jī)具

2.2.1 外螺旋直接采樣式機(jī)具

自2007年首次出現(xiàn)至今，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有6個(gè)探測(cè)器（含已發(fā)射和研發(fā)中）攜帶有外螺旋直接采樣式的鉆具，包括：

（1）2007年美國(guó)NASA發(fā)射的火星Phoenix探測(cè)器（圖8a），其上攜帶了用以鉆取含冰樣品的ISAD（Icy Soil Acquisition Device）設(shè)備，該設(shè)備由彈簧提供鉆壓，帶沖擊裝置，帶2塊346 W電池，350 kg的平臺(tái)能夠提供最大1300 N的推力［37］。

（2）2009年，Honeybee公司設(shè)計(jì)的CRUX型采樣器（圖9a），通過(guò)不同的執(zhí)行器可分別實(shí)現(xiàn)單沖擊、單回轉(zhuǎn)和沖擊回轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)鉆孔直徑1.5 in（38.1 mm），鉆進(jìn)深度1.3 m，平均鉆壓453 N，平均鉆速0.35 mm/s，平均功率150 W［38］。

（3）2011年美國(guó)NASA發(fā)射的火星Curiosity火星車（圖8b），其上攜帶了螺旋鉆孔采集巖粉的設(shè)備，設(shè)計(jì)最大鉆壓240 N，實(shí)際作用在巖石上的鉆壓最大可達(dá)230 MPa，鉆孔直徑16 mm，鉆進(jìn)孔深50 mm，取心深度40 mm（前15 mm未采取）［39-40］。

（4）2013年Honeybee公司為火星冰層鉆進(jìn)設(shè)計(jì)的Icebreaker鉆具（圖9b），包含回轉(zhuǎn)和沖擊2種鉆進(jìn)方式，具有自動(dòng)鉆探和故障恢復(fù)功能，整機(jī)質(zhì)量32 kg，包含一個(gè)三自由度機(jī)械臂，其中帶沖擊功能的頂驅(qū)能夠?yàn)殂@柱提供最大200 N鉆壓，鉆進(jìn)過(guò)程中將鉆壓限制為最大100 N；攜帶長(zhǎng)1.2 m、外徑25 mm的外螺旋鉆柱。同時(shí)鉆頭集成溫度傳感器，溫度超過(guò)一定值后自動(dòng)降低或停止鉆速，防止冰層融化［41-42］。

（5）2013年Honeybee公司設(shè)計(jì)的LITA整機(jī)式鉆進(jìn)系統(tǒng)（圖9c），將Icebreaker鉆具進(jìn)行了輕量化，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度0.5～1 m，降低質(zhì)量至9 kg，設(shè)計(jì)能耗低于100 W，鉆壓＜100 N［43］。

（6）2014年Honeybee公司推出的高功率整機(jī)式鉆進(jìn)系統(tǒng)LPD，整機(jī)12 kg，分為沖擊、螺旋鉆桿、鉆進(jìn)、部署4個(gè)主要部分，其中螺旋鉆桿可承受200 r/min、10 N·m扭矩；沖擊機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)功率150 W、沖擊功2.6 J/擊和1600擊/min的沖擊頻率；整機(jī)則可實(shí)現(xiàn)500 N高鉆壓［44］。

圖8 美國(guó)NASA鉆進(jìn)機(jī)具[37,39-40]Fig.8 Drilling equipment developed by NASA

圖9 Honeybee公司的鉆進(jìn)機(jī)具[38,41-43]Fig.9 Drilling equipment developed by Honeybee

2.2.2 外螺旋內(nèi)中空取心式機(jī)具

外螺旋內(nèi)中空取心式機(jī)具是最常規(guī)的月球（行星）鉆進(jìn)取樣方式，在美國(guó)Apollo計(jì)劃和前蘇聯(lián)Luna計(jì)劃中就有使用這種方式。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，前后有十余種（含已使用與研發(fā)中）設(shè)備采用這種形式，歸納如下：

（1）1970-1972年蘇聯(lián)Luna16、Luna20系列任務(wù)（圖10）：臂式鉆機(jī)，鉆具質(zhì)量13.6 kg，尺寸690 mm×290 mm，設(shè)計(jì)最大鉆進(jìn)功率140 W，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速500 r/min，平均鉆速80～240 mm/min，取心直徑26 mm，估算能耗42～54 kJ/350 mm，估算扭矩0.2～0.3 N·m。實(shí)際鉆進(jìn)中Luna16用時(shí)7 min鉆進(jìn)350 mm，獲取101 g月壤樣品，Luna 20計(jì)劃用時(shí)30 min鉆進(jìn)至350 mm深度，但鉆進(jìn)250 mm后被堅(jiān)硬材料擋住，后續(xù)鉆進(jìn)7 min內(nèi)三度過(guò)熱中止鉆進(jìn)，獲取55 g月巖樣品［13］。

1971-1972年 美 國(guó)Apollo15、Apollo16、Apollo17系列任務(wù)（圖11），宇航員使用電池驅(qū)動(dòng)的手持式鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，其中鉆頭帶沖擊回轉(zhuǎn)功能，轉(zhuǎn)速280 r/min，沖擊功4.4 J/擊，沖擊頻率2270次/min，能穿透孔隙率約為40%的巖石。不含鉆柱和外包的情況下整機(jī)重13.4 kg，尺寸577 mm×244 mm×178 mm，電機(jī)功率24 V DC×19 A=456 W，最長(zhǎng)連續(xù)鉆進(jìn)時(shí)間15 min。實(shí)際鉆進(jìn)效果Apollo 15任務(wù)鉆進(jìn)深度2360±10 mm，獲取樣品1343.5 g分裝在6個(gè)獨(dú)立的取心管內(nèi)。Apollo 16任務(wù)鉆進(jìn)2240±30 mm，獲取樣品1007.6 g分裝在7個(gè)獨(dú)立的取心管內(nèi)。Apollo17任務(wù)鉆進(jìn)3050±10 mm（截至目前最深），獲取1772.5 g樣品分裝在9個(gè)獨(dú)立的取心管內(nèi)［13，20，45］。

圖10 Luna16、24任務(wù)的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)[13]Fig.10 Drilling structure used in Luna16、24

（2）1978-1984年前蘇聯(lián)針對(duì)金星發(fā)射的采樣器上攜帶的GZU drill設(shè)備（圖12），攜帶氣囊使用氣壓驅(qū)動(dòng)，能夠以最大90 W的功率鉆進(jìn)30 mm，由一個(gè)馬達(dá)同時(shí)為回轉(zhuǎn)和給進(jìn)供電。能夠用200 s時(shí)間采樣1～6 cm3?？傊?6.2 kg，大約0.5 m高［13］。

（3）1980年美國(guó)研發(fā)的CDS（Core Drill System）系統(tǒng)，整機(jī)質(zhì)量41.2 kg，尺寸1765 mm×142 mm×140 mm，能耗236 W，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)1 m，鉆速500 mm/min（土體），50 mm/min（巖石），樣品直徑19 mm，需要能量65 kJ/m樣品，計(jì)算能效2.28 kJ/cm3［13］。

（4）1995年歐洲航天局針對(duì)彗星取樣研發(fā)的Corer Tool和Surface Tool，其中Corer Tool設(shè)計(jì)直徑100 mm，長(zhǎng)度1400 mm，Surface Tool設(shè)計(jì)直徑150 mm，長(zhǎng)度600 mm［13］。

（5）2002年意大利宇航局研發(fā)的Dee Dri設(shè)備（圖13），使用多桿組接式結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)鉆進(jìn)，整機(jī)高540 mm，鉆孔直徑35 mm，多桿組接可達(dá)2.5 m，取心方式為先鉆進(jìn)至設(shè)定深度，后采取巖心，設(shè)計(jì)取心直徑14 mm，長(zhǎng)度25 mm［13］。

（6）2003年Honeybee公司針對(duì)火星鉆進(jìn)設(shè)計(jì)的Mini-Corer系統(tǒng)（圖14），可以取兩段心，分別長(zhǎng)25 mm，直徑8 mm，尺寸150 mm×100 mm×300 mm，質(zhì)量2.7 kg，經(jīng)測(cè)試6 min鉆進(jìn)25 mm消耗能量36 kJ，功率10 W；取心時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)內(nèi)管剪切巖心進(jìn)行采樣［13，46］。

（7）2005年歐洲航天局針對(duì)火星鉆探研發(fā)的原型樣機(jī)MRoSA2（圖15），主要開(kāi)發(fā)理念為：整合在采樣車上能移動(dòng)的鉆進(jìn)系統(tǒng)，整機(jī)包括一個(gè)采樣車，一個(gè)目標(biāo)深度為2 m的鉆進(jìn)系統(tǒng)，一個(gè)樣品存儲(chǔ)系統(tǒng)，一個(gè)平臺(tái)和樣品分離模塊。整機(jī)400 mm長(zhǎng)，16 kg重，其中主要鉆進(jìn)模塊為DSS（Drilling and Sampling Subsystem）。該模塊鉆探尺寸嚴(yán)格限制為110 mm×110 mm×350 mm，質(zhì)量限制為5 kg；通過(guò)10根鉆桿組接可達(dá)2 m深度，鉆桿以旋轉(zhuǎn)盤安裝在箱體內(nèi)部，鉆桿內(nèi)徑13 mm，外徑15 mm；擬鉆孔直徑17 mm，獲取10 mm直徑和20 mm長(zhǎng)巖心，使用硬質(zhì)合金鉆頭，純回轉(zhuǎn)功率6 W，以30 N鉆壓足夠在沙子和軟質(zhì)石灰?guī)r中進(jìn)行鉆進(jìn)，硬巖中鉆進(jìn)時(shí)需要增加40～60 W額外功率進(jìn)行沖擊［13］。

圖11 Apollo15～17系列任務(wù)使用的鉆進(jìn)機(jī)具[13,20,45]Fig.11 Drilling structure used in Apollo 15～17

圖12 GZU drill設(shè)備結(jié)構(gòu)[13]Fig.12 GZU drill structure

圖13 Dee Dri設(shè)備示意[13]Fig.13 Schematic of Dee Dri device

圖14 Mini-Corer系統(tǒng)[13,46]Fig.14 The Mini-Corer system

圖15 MRoSA2樣機(jī)[13]Fig.15 MRoSA2 prototype

（8）2008年美國(guó)NASA針對(duì)火星研發(fā)的MARTE試驗(yàn)系統(tǒng)（圖16），整機(jī)尺寸2.1 m×0.58 m×0.77 m，質(zhì)量55 kg，平均功率150 W，最大功率200 W，含1.5 m長(zhǎng)的導(dǎo)桿和10根1 m長(zhǎng)的鉆柱，能夠提供2670 N鉆壓，以最大150 r/min的轉(zhuǎn)速和23.73 N·m的扭矩進(jìn)行鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)獲取長(zhǎng)250 mm、直徑27 mm的巖心樣品［47-48］。

圖16 MARTE試驗(yàn)系統(tǒng)[47-48]Fig.16 MARTE test system

（9）2009年中國(guó)北京航空航天大學(xué)研發(fā)了MRDD取樣樣機(jī)（圖17），仍然采用多桿組接式實(shí)現(xiàn)深部鉆探，但其換桿和下鉆機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非常高效和獨(dú)特［36］。

（10）2014年Honeybee公司為Mars2020計(jì)劃研發(fā)的MicroDrill設(shè)備設(shè)計(jì)了雙層管取樣設(shè)備（圖18），取樣時(shí)偏心內(nèi)管旋轉(zhuǎn)切斷巖心完成取樣，并對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了鉆頭與取樣管不分離，便于存儲(chǔ)巖心的OBOC（One Bit One Core）系統(tǒng)［49-50］。

圖17 MRDD取樣樣機(jī)[36]Fig.17 MRDD sample machine

圖18 MicroDrill雙層管取樣設(shè)備[49-50]Fig.18 MicroDrill double tube sampling equipment

2.2.3 外螺旋內(nèi)中空軟袋取心式機(jī)具

外螺旋內(nèi)中空軟袋取心式鉆具較為少見(jiàn)，迄今為止僅有前蘇聯(lián)Luna 24任務(wù)和中國(guó)嫦娥5號(hào)任務(wù)中進(jìn)行過(guò)實(shí)地使用。如圖19所示，Luna 24探測(cè)器的取心裝置相對(duì)之前有較大的改進(jìn)，取心機(jī)構(gòu)在空心鉆桿內(nèi)部，并不隨鉆桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，僅僅隨鉆桿做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在鉆進(jìn)過(guò)程中，樣品袋隨著鉆具運(yùn)動(dòng)包裹鉆取月壤，樣品袋與心管的內(nèi)壁之間沒(méi)有相對(duì)滑動(dòng)。樣品袋的一端固結(jié)鋼絲繩，鋼絲繩的另一端連接在整形機(jī)構(gòu)上，鉆取采樣結(jié)束后，整形機(jī)構(gòu)將樣品袋從心管中拉出，并整形纏繞在回收卷筒上［13，51］。

圖19 Luna 24任務(wù)的取心裝置[13,51]Fig.19 Coring device of Luna 24

中國(guó)嫦娥5號(hào)取樣器的相關(guān)信息暫不明確，相關(guān)新聞報(bào)道如圖20所示，其采用了帶沖擊功能的外螺旋、內(nèi)中空軟袋取心技術(shù)，整體鉆探設(shè)備功率超過(guò)1000 W，攜帶能夠鉆進(jìn)8級(jí)硬巖的雙排階梯鉆頭，針對(duì)不同顆粒度月壤，該設(shè)備具有切、撥、擠、排能力［52-53］。

得益于嫦娥5號(hào)的驅(qū)動(dòng)，中國(guó)相關(guān)科研院所在這種采樣方式上投入了相當(dāng)?shù)难邪l(fā)精力，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）均有過(guò)類似樣機(jī)的研發(fā)報(bào)道，如圖21所示［54-59］。哈爾濱工業(yè)大學(xué)先后研制了月壤樣品取心過(guò)程模擬試驗(yàn)裝置、鉆取采樣參數(shù)測(cè)試平臺(tái)、熱力耦合綜合測(cè)試平臺(tái)3種不同平臺(tái)，其各自的鉆進(jìn)參數(shù)如表4所示［60-62］。北京航空航天大學(xué)研發(fā)的樣機(jī)設(shè)計(jì)采用螺旋鉆桿外徑16.45 mm、內(nèi)徑14.45 mm，鉆頭外徑17.75 mm、內(nèi)徑7.7 mm，取心管外徑11.45 mm、內(nèi)徑10 mm，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度2 m。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）還設(shè)計(jì)了同時(shí)具備外螺旋與內(nèi)拉軟袋2種取心方式的聯(lián)合機(jī)具［63］。除基本的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以外，國(guó)內(nèi)各科研院所還就月球鉆探機(jī)構(gòu)的加載形式、鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、取樣層理分析、取樣袋纏繞的動(dòng)力仿真都進(jìn)行了大量的研究分析［64-82］，受篇幅所限，本文不再展開(kāi)。

圖20 嫦娥5號(hào)取樣機(jī)具Fig.20 Sample structure of Chang’e-5

表4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)研發(fā)月球鉆探平臺(tái)參數(shù)[60]Table 4 Parameters of lunar drilling platform developed by Harbin Institute of Technology

圖21 外螺旋內(nèi)中空軟袋取心采樣樣機(jī)Fig.21 Coring sampling proto type with outer helix inner hollow soft bag

2.2.4 外螺旋內(nèi)中空硬管取心式機(jī)具

目前可見(jiàn)報(bào)道的外螺旋內(nèi)中空硬管取心式鉆具主要針對(duì)小行星鉆探設(shè)計(jì)，其中已發(fā)射的探測(cè)器包括2004年的Rosetta任務(wù)中Philae探測(cè)器上攜帶的SD2（Sampler，Drill and Distribution）設(shè)備，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度230 mm，考慮到著陸器和彗星表面的距離，實(shí)際鉆距530 mm。自身為4自由度結(jié)構(gòu)，總質(zhì)量5100 g，機(jī)械部分3700 g，電子控制設(shè)備1000 g，其余400 g。電力消耗，待機(jī)1.5 W，鉆進(jìn)時(shí)6～14.5 W，采用聚晶金剛石鉆頭，鉆壓100 N，采樣尺寸3 mg或20 mm3。其結(jié)構(gòu)與采樣流程如圖22所示，在鉆進(jìn)至指定深度后，內(nèi)管伸出進(jìn)行采樣，然后提出鉆具將內(nèi)管樣品放入樣品分布處理機(jī)構(gòu)完成采樣［11，83］。

北京航空航天大學(xué)于2017年也針對(duì)小行星鉆進(jìn)采樣研發(fā)了DSSHS系統(tǒng)（Drilling，Sampling，and Sampling-Handling System），如圖23所示，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸950 mm×330 mm×250 mm，整機(jī)質(zhì)量17 kg，采樣深度300 mm，設(shè)計(jì)鉆壓50 N，樣品密封壓力100 N，總共16個(gè)樣品倉(cāng)，每個(gè)樣品倉(cāng)能夠容納樣品35 mm3，最小采樣硬度6級(jí)，平均功率20 W，最大功率可達(dá)45 W，單次鉆進(jìn)時(shí)間2 h，鉆孔直徑12 mm［35］。

圖22 Rosetta任務(wù)SD2采樣設(shè)備[11,83]Fig.22 SD2 sampling equipment of Rosetta

圖23 DSSHS系統(tǒng)[35]Fig.23 DSSHS system

2.2.5 鼴鼠式鉆進(jìn)機(jī)具

在前4種鉆進(jìn)方式里，共同的特點(diǎn)在于都存在較長(zhǎng)的鉆柱，當(dāng)鉆進(jìn)深度較大時(shí)上部鉆柱的運(yùn)動(dòng)將耗費(fèi)探測(cè)器珍貴的功率。因此鼴鼠式鉆進(jìn)機(jī)具應(yīng)運(yùn)而生，其研發(fā)的主要目的在于利用更小的功耗達(dá)到更大的鉆進(jìn)深度以及更遠(yuǎn)的鉆進(jìn)位置。相對(duì)于前4種鉆進(jìn)方式更貼近于垂直鉆進(jìn)的特點(diǎn)，鼴鼠式鉆進(jìn)方式由于其尺寸的優(yōu)勢(shì)可達(dá)到近似定向鉆進(jìn)的效果。自1999年以來(lái)，鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備的研發(fā)不完全統(tǒng)計(jì)如下：

（1）1999年美國(guó)NASA在針對(duì)火星的Mars Polar Lander任務(wù)中首次研發(fā)了DS2（Deep Space 2）設(shè)備（圖24），打開(kāi)了鼴鼠式采樣設(shè)備的先河［13］。

（2）2003年歐洲航天局針對(duì)火星的Mars Express任務(wù)研發(fā)的Beagle2著陸器同樣攜帶了鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備PLUTO（PLanetary Underground TOol），如圖25所示，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)深度1.5 m，最遠(yuǎn)可移動(dòng)3 m，自重900 g，總長(zhǎng)280 mm，直徑20 mm。設(shè)備前方設(shè)計(jì)錐角60°，回轉(zhuǎn)同時(shí)能夠提供沖擊力，振動(dòng)頻率5 s/次。采樣模式為提鉆采樣模式，一次下放到指定深度后采集樣品回收，可采樣0.24 cm3，收回時(shí)絞車回收速度1～5 mm/s［13，84］。

（3）2003年Honeybee公司也推出了IDDS系統(tǒng)（Inch-worm Deep Drilling System），如圖26所示，該系統(tǒng)直徑150 mm，長(zhǎng)2 m，不取心，以前后蠕動(dòng)式前進(jìn)［46］。

（4）2006年美國(guó)東北大學(xué)報(bào)道鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備的樣機(jī)RPDS（Robotic Planetary Drilling System），如圖27所示，該設(shè)備整機(jī)50 kg，尺寸?150 mm×500 mm，在570 W功率驅(qū)動(dòng)下能提供2000 N鉆壓、57 N·m扭矩、20 r/min轉(zhuǎn) 速，額定 鉆 進(jìn) 速 率1～5 mm/min。該系統(tǒng)自帶的三自由度旋轉(zhuǎn)推進(jìn)單元可幫助設(shè)備退出鉆孔，具備退出吐出巖屑的功能，在一定程度上可視為取心功能的實(shí)現(xiàn)［85］。

圖24 DS2設(shè)備[13]Fig.24 DS2 equipment

圖25 PLUTO設(shè)備[13,84]Fig.25 PLUTO equipment

圖26 IDDS系統(tǒng)[46]Fig.26 IDDS system

圖27 RPDS系統(tǒng)[85]Fig.27 RPDS system

（5）2009年日本研究生院大學(xué)和日本宇航局聯(lián)合研發(fā)推出了SSD和CSD兩款鼴鼠式鉆進(jìn)設(shè)備（圖28～29）。兩款設(shè)備總長(zhǎng)均為50 mm，前端為錐形旋轉(zhuǎn)頭，底端最大外徑50 mm，中值旋轉(zhuǎn)外徑30 mm，整機(jī)質(zhì)量356～604 g（目前有記錄的最小設(shè)備）。兩款設(shè)備的主要區(qū)別在于前端錐形旋轉(zhuǎn)頭，其中SSD（Single Screw Drilling）設(shè)備是指設(shè)備前方旋轉(zhuǎn)頭只能實(shí)現(xiàn)單向旋轉(zhuǎn)，而CSD（Contra-rotor Screw Drilling）則創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)方向相反的兩段式錐形旋轉(zhuǎn)頭［86］。

圖28 CSD系統(tǒng)[86]Fig.28 CSD system

圖29 SSD系統(tǒng)[86]Fig.29 SSD system

（6）2014年中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了蠕動(dòng)掘進(jìn)式潛入器樣機(jī)（圖30），整機(jī)質(zhì)量4.1 kg，外形尺寸80 mm×560 mm。整機(jī)包含主副兩個(gè)掘進(jìn)單元，主掘進(jìn)單元額定轉(zhuǎn)速93.69 r/min，額定扭矩3.745 N·m，額定功率50 W；副掘進(jìn)單元額定扭矩2.78 N·m，額定功率40 W；姿態(tài)控制單元定位力187.3～335.4 N；蠕動(dòng)給進(jìn)單元給進(jìn)速度0.6 mm/s，單次給進(jìn)行程60 mm，額定推力466.98 N［87］。

圖30 哈爾濱工業(yè)大學(xué)蠕動(dòng)式潛入器樣機(jī)[87]Fig.30 Peristaltic submersible prototype of Harbin Institute of Technology

（7）2016年美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）與Honeybee公司聯(lián)合推出了帶沖擊回轉(zhuǎn)功能的長(zhǎng)管式鼴鼠鉆進(jìn)設(shè)備Auto-Gopher鉆具（圖31），整機(jī)22 kg，1500 mm長(zhǎng)（含帶沖擊功能、外徑71 mm的鉆頭），在有線狀態(tài)下能實(shí)現(xiàn)深達(dá)3 m的鉆深。該設(shè)備通過(guò)錨固的方式提供鉆壓，能夠以1600 N的力鉆出錨孔，施加最大鉆壓1000 N，可以100 r/min的轉(zhuǎn)速提供15.5 N·m的扭矩，實(shí)現(xiàn)直徑60 mm，長(zhǎng)100 mm的取心功能［88-89］。

圖31 Auto-Gopher鉆具樣機(jī)[88-89]Fig.31 Auto-Gopher drilling tool prototype

3 月球鉆探效率評(píng)價(jià)及其影響因素

3.1 螺旋鉆具鉆屑輸送效率

綜合分析5種不同月球（行星）鉆進(jìn)機(jī)具可知，盡管取心方式不同，各種類型的設(shè)備其主導(dǎo)的鉆進(jìn)方式仍然是螺旋鉆進(jìn)為主，故螺旋鉆具的鉆屑輸送效率是評(píng)價(jià)月球鉆探效率的關(guān)鍵因素。在這方面，我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)均進(jìn)行了較為深入的研究。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出使用輸送能力因子用以表征螺旋葉片清除巖屑的效率。通過(guò)理論分析和離散元模擬，證明螺旋鉆的俯仰角、摩擦環(huán)境和螺旋槽邊界等參數(shù)均會(huì)對(duì)螺旋葉片的輸送效率產(chǎn)生影響，并且得到了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的螺旋俯仰角約為15°～30°（具體值需要隨環(huán)境變化而改變）。相關(guān)試驗(yàn)證明，在較低的俯仰角條件下，鉆進(jìn)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更好，但輸送效率降低；較高的俯仰角輸送效率增加，但環(huán)境適應(yīng)性降低［90］。

北京航空航天大學(xué)研究了螺旋葉片的輸送動(dòng)力學(xué)，并基于模擬月壤試驗(yàn)證明葉片攜帶巖屑顆粒的應(yīng)力耦合效應(yīng)對(duì)輸送動(dòng)力學(xué)起重要的作用。通過(guò)DEM離散元模擬了輸送過(guò)程中顆粒的運(yùn)動(dòng)和應(yīng)力特征，并以此為據(jù)建立了簡(jiǎn)化的動(dòng)力學(xué)模型，試驗(yàn)、模擬與理論3個(gè)方面證實(shí)螺旋葉片的輸送效率僅與轉(zhuǎn)速成正比，與重力無(wú)關(guān)［56］。同時(shí)，基于試驗(yàn)，北航以螺旋鉆最大輸送效率和取心量為目標(biāo)，得到了優(yōu)化的給進(jìn)速率和轉(zhuǎn)速的關(guān)系［58］。

3.2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)也是影響鉆進(jìn)效率的重要因素，因此各國(guó)研究人員在這方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。加拿大北方先進(jìn)技術(shù)中心（NORCAT）通過(guò)試驗(yàn)提出了在行星鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆進(jìn)1 m深度時(shí)大致的功率分布為：粉碎巖屑占總消耗功率的30%，鉆柱的摩擦和巖屑運(yùn)移占總消耗功率的50%，給進(jìn)過(guò)程占比5%，而驅(qū)動(dòng)損耗占比15%，且隨鉆進(jìn)深度的增大，鉆桿摩擦所消耗的能量會(huì)越來(lái)越大［91］。由此可見(jiàn)鉆柱減阻與提高螺旋葉片的傳輸效率是提高鉆進(jìn)效率的有效策略。

Honeybee公司除了研發(fā)機(jī)具外，就鉆進(jìn)規(guī)程也通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)在指定鉆壓條件下，鉆速和鉆進(jìn)能耗正比于轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)速同時(shí)也能提高排屑效率［92-93］。除此以外，在研發(fā)Auto-Gopher鉆具時(shí)，為防止產(chǎn)生沒(méi)有冷卻的條件下電動(dòng)鉆具自身過(guò)熱的問(wèn)題，Honeybee公司還進(jìn)行了間歇性開(kāi)關(guān)機(jī)與鉆速之間效率的試驗(yàn)，如圖32所示，5 s開(kāi)機(jī)、5 s關(guān)機(jī)時(shí)鉆速約為800 mm/h，1 s開(kāi)機(jī)、1 s關(guān)機(jī)時(shí)鉆速幾乎與全功率運(yùn)行（不關(guān)機(jī)）相同，達(dá)到約1500 mm/h。由此可見(jiàn)，若間歇開(kāi)關(guān)機(jī)的效率與持續(xù)開(kāi)機(jī)的效率相同，則在功率受限的條件下間歇開(kāi)關(guān)機(jī)不失為節(jié)省能源的選項(xiàng)之一［89］。

中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）通過(guò)試驗(yàn)指出，月球鉆探過(guò)程中鉆壓和轉(zhuǎn)速對(duì)鉆進(jìn)功率消耗的影響顯著，當(dāng)鉆速恒定，轉(zhuǎn)速增大8倍（由40 r/min增長(zhǎng)至320 r/min）時(shí)，鉆進(jìn)功率增大14.3倍（由11.3 W增長(zhǎng)至172.88 W）；當(dāng)轉(zhuǎn)速（320 r/min）、鉆速（100 mm/min）與鉆深（2 m）均恒定時(shí)，鉆壓增大10倍（由100 N增長(zhǎng)至1000 N）功率僅增加1.09倍（由153.42 W增長(zhǎng)至320.33 W）。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速是影響月球鉆探功率消耗的核心因素。但試驗(yàn)同時(shí)指出，轉(zhuǎn)速的變化與取心率之間并無(wú)顯著關(guān)聯(lián)，因此在實(shí)際鉆進(jìn)中，應(yīng)在保證鉆進(jìn)排屑正常的條件下，采用相對(duì)較低的轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn)，此時(shí)對(duì)功耗的需求較低，且轉(zhuǎn)速偏低時(shí)鉆具對(duì)內(nèi)管中的取心樣品擾動(dòng)也更小［94］。同時(shí)，還研究了鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)（鉆壓、轉(zhuǎn)速、給進(jìn)速度）和鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)（螺旋葉片升角、鉆頭外徑、螺旋葉片寬度）對(duì)鉆進(jìn)功率的影響規(guī)律，并提出了鉆具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路和鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)優(yōu)選原則。除此以外，還總結(jié)和分析了月球鉆探取樣過(guò)程中可能出現(xiàn)的4種典型鉆進(jìn)事故模式，即巖心堵塞不進(jìn)尺、卡鉆、埋鉆和燒鉆，并分別對(duì)其形成機(jī)理、事故識(shí)別與預(yù)處理進(jìn)行了分析［95-98］。

圖32 Auto-Gopher鉆具間歇開(kāi)關(guān)機(jī)鉆速效率分析[89]Fig.32 Analysis of drilling efficiency of intermittent switch machine based on Auto-Gopher

4 總結(jié)與展望

作為距離地球最近的星體，月球在深空探測(cè)中的地位無(wú)可撼動(dòng)。分析采集回的樣品是了解月球乃至太陽(yáng)系相關(guān)地質(zhì)結(jié)構(gòu)等信息最有效的途徑。為了確定月球（行星）的地質(zhì)構(gòu)成，為了尋找現(xiàn)存或過(guò)去的微生物（水源）的證據(jù)，僅憑地表的樣品無(wú)法滿足要求，必須采集數(shù)米到數(shù)百米深度的地下地質(zhì)樣品。在這樣的需求條件下，鉆進(jìn)是最有效的采樣方式，迄今為止全世界所有計(jì)劃和實(shí)施的采樣任務(wù)中均涉及包含了鉆探采樣設(shè)備。因此鉆進(jìn)技術(shù)無(wú)疑是當(dāng)前月球探測(cè)與未來(lái)深空探測(cè)不可或缺的技術(shù)手段。

據(jù)此，本文針對(duì)當(dāng)前月球鉆探采樣的對(duì)象、環(huán)境、機(jī)具與鉆進(jìn)效率評(píng)估進(jìn)行了相關(guān)文獻(xiàn)資料的調(diào)研與統(tǒng)計(jì)分析。從中可以看出，常規(guī)鉆探技術(shù)儲(chǔ)備僅能夠滿足實(shí)現(xiàn)月球鉆探動(dòng)作，但月球鉆探任務(wù)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，就其中不可或缺的鉆進(jìn)效率分析、鉆進(jìn)能耗控制、高效規(guī)程參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵環(huán)節(jié)而言，在月球極端環(huán)境下，這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)需要考慮的影響因素與地球截然不同。綜上所述，可展望在未來(lái)月球（深空）鉆探相關(guān)任務(wù)中，鉆探技術(shù)需要發(fā)展的幾個(gè)方向?yàn)椋?/p>

（1）研發(fā)多元化的鉆探取樣方法：可根據(jù)任務(wù)的特點(diǎn)、鉆探對(duì)象的屬性、探測(cè)器功耗等影響因素有針對(duì)性地選用最合適的鉆探方法；

（2）研發(fā)多元化的鉆進(jìn)取心結(jié)構(gòu)：可根據(jù)不同的鉆探環(huán)境（低溫、低壓、電磁干擾等）和不同的取樣要求（質(zhì)量、數(shù)量、層理、深度等），可實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性地選用不同的鉆進(jìn)取心結(jié)構(gòu)，同時(shí)各取心結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)與采樣機(jī)理也需要建立對(duì)應(yīng)的量化分析模型；

（3）研發(fā)鉆探過(guò)程中工況識(shí)別相關(guān)技術(shù)：面對(duì)陌生的地外鉆探環(huán)境，對(duì)周圍環(huán)境、鉆進(jìn)地層、以及機(jī)具自身工況的分析識(shí)別技術(shù)，是保證地外鉆探采樣不可或缺的技術(shù)，準(zhǔn)確的工況識(shí)別技術(shù)能夠最大程度地保護(hù)設(shè)備在遭遇極端情況時(shí)及時(shí)采取相關(guān)的對(duì)應(yīng)措施；

（4）研發(fā)具有高度自適應(yīng)的無(wú)人自動(dòng)控制技術(shù)：我國(guó)針對(duì)地外行星的鉆探探索一定是無(wú)人自動(dòng)采樣探測(cè)器優(yōu)先，故能夠進(jìn)行自動(dòng)探測(cè)、分析、決策的鉆探采樣設(shè)備不可或缺。