陳薪碩 李守定 張曉靜 魏 勇 李 娟 楊 蔚 李 曉 隋旺華 宋玉環(huán)

(①中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 北京 100029， 中國)

(②中國科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049， 中國)

(③中國科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029， 中國)

(④中國空間技術(shù)研究院錢學(xué)森空間技術(shù)實驗室， 北京 100029， 中國)

(⑤中國礦業(yè)大學(xué)， 徐州 221116， 中國)

0 引 言

當(dāng)前，第二輪國際深空探測熱潮呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢，任務(wù)目標(biāo)逐漸從科學(xué)研究轉(zhuǎn)向科研與應(yīng)用并重，開發(fā)利用地外資源，建立常駐基地，已經(jīng)成為航天大國的重要目標(biāo)(楊蔚等， 2021)。美國公布了阿爾忒彌斯計劃，預(yù)計于2024年再次實現(xiàn)載人登月， 2028年在月表建立常駐站點； 歐航局計劃在2025年進行載人登月并建立月球基地； 俄羅斯預(yù)計2030年前后實現(xiàn)宇航員登月，并與我國聯(lián)合發(fā)布了《國際月球科研站路線圖(V1.0)》和《國際月球科研站合作伙伴指南(V1.0)》； 印度、日本等國也公布了各自的探月規(guī)劃。我國也發(fā)布了宏偉的深空探測任務(wù)規(guī)劃。作為行星地質(zhì)學(xué)與行星工程學(xué)的交叉學(xué)科，行星地質(zhì)工程學(xué)科將直接支撐行星科研站與基地建設(shè)、行星資源開發(fā)與未來人類移居，相關(guān)研究已迫在眉睫(秦克章等，2021)。

行星地質(zhì)工程學(xué)科主要任務(wù)是：查明行星地質(zhì)資源開發(fā)與工程建設(shè)的工程地質(zhì)條件； 開展行星資源開發(fā)與工程建設(shè)場址的工程地質(zhì)調(diào)查、評價與預(yù)測； 研發(fā)資源開發(fā)利用的行星地質(zhì)工程技術(shù)，解決行星工程地質(zhì)問題(李守定等， 2019)。開展行星地質(zhì)工程原位測試是準(zhǔn)確獲取行星地質(zhì)體工程特性最直接的方式。

與地球相比，行星地質(zhì)體在物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與環(huán)境3個方面存在較大差異，決定了行星地質(zhì)體工程特性與地球具有很大的差別。例如：與地球土壤的物質(zhì)差異體現(xiàn)在月壤玻璃質(zhì)含量高，火壤含鐵礦物含量高(劉漢生等， 2020)； 結(jié)構(gòu)差異體現(xiàn)在月壤和火壤均粒度細(xì)、結(jié)構(gòu)松散(Ковaнько et al.，1998)； 環(huán)境差異體現(xiàn)在重力、氣壓、溫度和輻照差異等方面(沈立軍等， 2009)。

從20世紀(jì)50年代末蘇聯(lián)發(fā)射了首個月球探測器至今，世界各國共進行了127次月球探測(裴照宇等， 2020)，其中共有66個探測器到達月球表面， 21次任務(wù)成功實現(xiàn)了月表軟著陸。而在火星探測領(lǐng)域，從1960年蘇聯(lián)嘗試發(fā)射火星探測器至今，國際上已實施的火星探測任務(wù)共47次(歐陽自遠(yuǎn)等， 2011)，其中成功或部分成功任務(wù)共27次(李春來等， 2018； 歐陽自遠(yuǎn)等， 2012)，成功實現(xiàn)火星表面軟著陸的任務(wù)有11次。這些探測器均攜帶著當(dāng)時較為先進的各種科學(xué)載荷，在行星表面開展了一系列的原位探測與測試試驗。

Zacny et al. (2010)對行星地質(zhì)工程原位測試中的圓錐貫入試驗進行了總結(jié)，并將其劃分為十字板圓錐貫入、靜力圓錐貫入、動力圓錐貫入以及沖擊動力貫入4種；Zacny et al. (2013)還對月表原位鉆探取樣的方法進行了綜述，研究了歷次取樣任務(wù)中的取樣方法、取樣深度以及取樣效果； Latham et al. (1969)總結(jié)了阿波羅計劃中采用過的地震探測方法，詳細(xì)對比了各次任務(wù)中主動、被動地震探測試驗的參數(shù)與設(shè)備布置； Ellery(2016)將鉆探方法與機械臂鏟斗操作相結(jié)合，對表取和鉆取月壤或火壤樣品的儀器與方法進行了論述。

前人多對單一行星原位測試儀器及其原理進行了綜述，缺乏對原位測試方法與工程特性指標(biāo)參數(shù)規(guī)律的系統(tǒng)性總結(jié)。文章以行星地質(zhì)工程原位測試的方法與設(shè)備為主要依據(jù)，將月球探測和火星探測任務(wù)中開展過的原位測試方法分為：觸探試驗、鏟斗試驗、鉆探試驗、地球物理探測和攝影測量等5類，分別分析了各類原位測試方法的原理與科學(xué)載荷，對比各種方法中不同測試儀器的差異； 根據(jù)月球工程特性原位測試結(jié)果將月壤工程特性總結(jié)為：粒度分布、密度、孔隙比、抗剪性、壓縮性和承載力，并分析了月壤工程特性的變化規(guī)律，指出了與地球土壤物理力學(xué)特性的差異，旨在為未來新型原位測試方法技術(shù)、月球科研站及火星采樣返回等提供參考。

1 行星地質(zhì)工程原位測試方法

以往的行星探測活動，尤其是月球探測與火星探測任務(wù)，已經(jīng)陸續(xù)開展了多次行星地質(zhì)工程原位測試與試驗。但受火箭運力限制，探測器體積和質(zhì)量非常有限，而其承擔(dān)的科學(xué)任務(wù)卻非常艱巨，這導(dǎo)致地質(zhì)工程原位測試的儀器設(shè)計趨于簡化和多功能化。表現(xiàn)在儀器種類繁多，對應(yīng)的功能也各不相同。因此，按照測試的原理及儀器，將其整理劃分為觸探試驗、鏟斗試驗、鉆探試驗、地球物理探測和攝影測量5類，并對每種測試儀器和原理進行了分析。

1.1 觸探試驗

觸探試驗分為動力觸探與靜力觸探，是一種將圓錐型探頭壓入土體中，并在此過程中記錄壓入阻力的試驗方法。在試驗過程中，通過在貫入儀器頂端施加靜荷載或動荷載將安裝有傳感器的探頭壓入土體中。由于各層土壤的物理力學(xué)性質(zhì)不同，因此探頭在貫入過程中所受的阻力也在不斷變化。使用圓錐貫入試驗的測試數(shù)據(jù)可以估算土的承載力、黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量等多項物理力學(xué)指標(biāo)。

與地球上圓錐貫入方法不同，行星原位測試中的圓錐貫入方法以及使用的測試儀器相對簡化。蘇聯(lián)于1966年發(fā)射的月球著陸器月球13號即配備有一件較為簡易的圓錐貫入試驗儀(Cherkasov et al.，1968)。該儀器由錐體外殼、環(huán)形載荷板和圓錐探頭3部分組成(圖1)。錐體外殼由塑料制成，安裝有一臺噴嘴朝上的小型燃料發(fā)動機，為圓錐探頭刺入月壤提供動力和引導(dǎo)(Cherkasov et al.，1986)； 環(huán)形載荷板內(nèi)徑為71.5mm，外徑120mm，作用是在錐頭貫入月壤時為其提供支撐力； 圓錐探頭由鈦金屬制成，錐頭部分共13mm高，最大直徑35mm，錐角103°，整個探頭在月壤中的可貫入深度為50mm。在原位測試時，錐體外殼中安裝有彈射裝置，點火后儀器與錐頭頂帽被彈出，錐體外殼與圓錐探頭之間的滾珠鎖解鎖，在0.8s左右的時間內(nèi)，圓錐探頭受到了約65N的壓力，貫入月壤深約45mm。為處理測試數(shù)據(jù)，圓錐貫入儀在地球上采用了14種密度不同的模擬物進行標(biāo)定。測試結(jié)果采用別列贊采夫公式進行計算(Ковaнько et al.，1998)。

圖1 月球13號圓錐貫入儀(Cherkasov et al.，1968)

此后，蘇聯(lián)于1970年進行的月球17號任務(wù)中，也采用了圓錐貫入試驗的方法。其著陸器搭載的月球車1號自主探測器上配備有月球13號上圓錐貫入儀的升級版——錐型葉片貫入儀。這種新型貫入儀相比之前的結(jié)構(gòu)，在錐型探頭上加裝了兩片對稱的垂直葉片(Kassel， 1971)(圖2)，垂直葉片共寬70mm，高44mm，錐型探頭最大直徑為50mm，錐角為30°。這種設(shè)計后來在傳統(tǒng)的地質(zhì)工程應(yīng)用中被方歐達(1992)提出，雖然其圓錐貫入試驗與十字板剪切試驗的測試數(shù)據(jù)均與普通版本的儀器有所偏差，但偏差規(guī)律比較容易探討，并且該種儀器確實可以同時完成兩種試驗操作，減少了測試時間與儀器的體積。

圖2 月球車1號圓錐貫入儀(Ковaнько et al.，1998)

圖3 十字板-圓錐貫入儀(方達歐， 1992)

錐型葉片貫入儀安裝在月球車1號上，需要在其月面巡視行進的過程中重復(fù)使用，多次測量不同位置月壤的物理力學(xué)參數(shù)，因此儀器頂部與月球車1號車體由鉸鏈連接。在工作時，月球車1號通過鉸鏈將儀器下放到月球表面，施加垂直壓力，將錐型探頭壓入月壤至深度約50mm處。探頭埋置完成后，儀器將帶動錐型探頭繞軸線扭轉(zhuǎn)90°，通過兩側(cè)的垂直葉片對月壤進行剪切破壞。試驗完成后再通過鉸鏈將儀器提起歸位，用于下一次測試。在此過程中傳感器將測定的壓入力、壓入深度、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)傳回地球。最終，月壤承載力為豎向荷載與錐體壓痕面積之比； 剪切阻力為表面抗剪強度的矩除以葉片上的扭矩。在后續(xù)的月球21號任務(wù)中搭載的月球車2號自主探測器搭載了相似的錐型葉片貫入儀(Zacny et al.，2010)進行了月壤物理力學(xué)性質(zhì)的測試。

圖4 靜力貫入儀(Zacny et al.，2010)

美國國家航天局(NASA)在1969～1972年間的阿波羅載人登月計劃中，也使用了圓錐貫入儀對月表的物理力學(xué)性質(zhì)進行了測試。阿波羅14號中使用了一種鋁制的靜力貫入儀，長度680mm，直徑9.5mm，一端為圓錐型，頂角為30°。為了方便在測試中讀取貫入深度，錨桿上按照長度繪制了寬2mm的環(huán)形標(biāo)線。試驗過程中，宇航員單手按壓圓錐貫入儀的壓力約為70～130N，雙手按壓約為220N，通過先單手按壓，后雙手按壓的方式，將整根貫入儀壓入月壤中。壓入過程保持勻速，測量出力與深度的變化關(guān)系，并將其換算成錐體指數(shù)(單位為kPa的平均壓力)或貫入阻力梯度(單位為kPa·mm-1的平均梯度)。

在阿波羅15號與阿波羅16號任務(wù)中，宇航員使用了一種自記貫入儀(Zacny et al.，2010)(圖5)。這種儀器實質(zhì)上是一種一端裝有圓錐和平板的桿，由宇航員施加外力推入月壤中。貫入儀可使用直徑為12.8mm和20.3mm兩種不同的錐型探頭。貫入壓力由宇航員的重力提供，約200N。貫入深度會由劃線器自動記錄在桿另一端的金屬圓筒上，最終可以得到貫入儀在月壤中的外力-貫入深度的曲線。

圖5 自記貫入儀(Zacny et al.，2010)

在蘇聯(lián)的月球計劃與美國的阿波羅計劃中，由于受到火箭運力限制，配備的圓錐貫入儀器重量和體積都控制十分嚴(yán)格，與傳統(tǒng)測試儀器并不相同，但從測試原理層面來說，可以較好地完成月壤物理力學(xué)特性的測試任務(wù)。

1.2 鏟斗試驗

雖然阿波羅載人登月計劃將宇航員送到月球直接進行原位測試工作，但行星探測還是以無人探測器為主。無人探測器上的“手”——鏟斗，與“臂”——機械臂，成為了期望代替宇航員操作的一種重要設(shè)備。鏟斗試驗主要獲取的物理力學(xué)參數(shù)包括承載力，黏聚力，內(nèi)摩擦角和粒度等。

在美國1967年發(fā)射的勘察者3號與1968年發(fā)射的勘察者7號月球探測器上，就裝備了機械臂與挖掘斗(Vrebalovich et al.，1968； Jaffe et al.，1969)。兩次任務(wù)中使用的機械臂與挖掘斗基本相同，其機械臂的機械結(jié)構(gòu)與自動伸縮門類似，為菱形多鉸接結(jié)構(gòu)(圖6)，使用轉(zhuǎn)軸與探測器主體連接，可以實現(xiàn)伸縮和轉(zhuǎn)動。當(dāng)機械臂完全縮短時，可以被收納進狹小的空間，完全伸長時，長度可達152cm，最大轉(zhuǎn)角112°。機械臂通過放松壓縮彈簧實現(xiàn)向前伸出，通過電動機轉(zhuǎn)動收回位于機械臂下方與鏟斗連接的鋼絲實現(xiàn)縮回。在機械臂末端是帶蓋的鏟斗，安裝有測量位移的電位計、測量數(shù)值和水平方向力的應(yīng)變傳感器、以及測量負(fù)加速度的加速度計，蓋的打開與關(guān)閉由鏟斗上的電動機控制。在鏟斗頂蓋關(guān)閉時，鏟斗可以用做載荷板使用，進行月表靜載荷試驗和沖擊試驗，載荷板尺寸為25mm×51mm，其中靜載荷試驗的荷載大小由電動機電流換算得到，最大豎向作用力約為13.5N，位移則由電位計測量(Scott et al.，1969)。頂蓋打開時，鏟斗可以利用較為鋒利的底板前端進行月壤挖掘溝槽的試驗，可挖掘的溝槽寬度與頂蓋寬度相同，為51mm。在操控頂蓋打開和關(guān)閉的操作時，可以進行月巖稱重，或從較高處拋落月巖，以測試其大致強度。鏟斗容積為100cm3，最大可容納直徑為32mm的月巖樣品(Scott et al.，1968)。

圖6 勘察者3號機械臂(Scott et al.，1969)

不僅月球探測器上裝配有鏟斗，美國早在1975年發(fā)射的火星探測器維京1號、維京2號也裝備有鏟斗用于獲取表面火壤樣品(Ellery， 2016)。維京2號計劃是作為維京1號的備份機，因此這兩輛火星探測器的科學(xué)載荷基本一致。其鏟斗安裝在一根伸縮桿上，下部寬44.6mm，末端為鋸齒狀，實際取樣的鏟子位置在其下方，寬61mm，高64.5mm (圖7)。在鏟子收集過土樣后，可以在鏟斗上部通過振動過2mm篩。取得的土樣用于探測器上的其他科學(xué)載荷試驗。

圖7 維京1 & 2號鏟斗裝置(Ellery， 2016)

2008年著陸的鳳凰號火星探測器也使用了機械臂與鏟斗裝置(圖8)。鳳凰號的機械臂全長2.35m(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)，共有4個自由度，機械臂與探測器主體的連接部位可以實現(xiàn)垂向轉(zhuǎn)動和水平擺動，中間部位有一處允許垂向轉(zhuǎn)動的關(guān)節(jié)，末端連接鏟斗的部位也有一處垂向轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，支持鏟斗的復(fù)雜操作。鏟斗前端為鈦質(zhì)刀片，用于挖掘火星表面土壤層； 鏟斗底部裝有一個碳化鎢的刮刀，用于刮取堅硬的凍土； 鏟斗后部還有一處圓形銼刀，可以磨碎凍土，并將其運移至鏟斗內(nèi)(Arvidson et al.，2009； Ellery， 2016)。在鳳凰號火星探測器的任務(wù)中，鏟斗主要用于輔助其他測試設(shè)備，在不同位置進行挖掘操作，暴露和觀察凍土層，并為其他多個科學(xué)儀器取得不同的表層土樣。但通過測量挖掘形式的邊坡坡度，建立與挖掘阻力相關(guān)的開挖模型，Shaw et al.(2009)估算了著陸區(qū)火星表面土壤的內(nèi)摩擦面與黏聚力。

圖8 鳳凰號鏟斗裝置(The Jet Propulsion Laboratory， 2008)

我國嫦娥五號月球探測器上同樣配備了機械臂與鏟斗(金晟毅等， 2021)，鏟斗的主要任務(wù)是鏟取表層月壤樣品，作為鉆取樣品任務(wù)的補充和保障(圖9)。機械臂有4個自由度，可以實現(xiàn)360°無死角操作，鏟斗為圓筒狀，由電動機控制其進行挖掘和封裝的操作。表取樣品操作總共進行了12次，取樣總量為1500g，并未對月壤性質(zhì)進行專門測試。

圖9 嫦娥五號鏟斗裝置(中央廣播電視總臺，2020)

1.3 鉆探試驗

鉆探作為一種非常傳統(tǒng)的地質(zhì)工程探測手段，在各類工程建設(shè)中都發(fā)揮著不可替代的作用。在行星探測任務(wù)中，鉆探方法的主要任務(wù)是鉆取月壤樣品并盡可能保持其原位分層信息和輔助其他科學(xué)設(shè)備的安裝。

行星鉆進與地球不同，面臨著更多的困難和挑戰(zhàn)。主要難點包括(鄢泰寧等， 2004； 沈立軍等， 2009)：鉆探工藝能源供應(yīng)問題； 運載能力有限導(dǎo)致鉆探設(shè)備尺寸、質(zhì)量受限問題； 鉆探過程中的潤滑和冷卻問題； 太空低重力導(dǎo)致鉆壓不足的問題； 已探明地質(zhì)信息過少易發(fā)生事故且處理困難的問題； 太空中復(fù)雜的鉆進環(huán)境對儀器設(shè)備、宇航員的危害問題等。為此，很多學(xué)者已經(jīng)采用模擬土壤樣品(Duan et al.，2014； Wu et al.，2014； Zhang et al.，2017)或者數(shù)值模擬(Liu et al.，2020)的辦法在實驗室對鉆探進行了深入的研究，為行星鉆探設(shè)備與工藝的研發(fā)提供參考(謝和平等， 2020)。

在已進行的包含鉆探任務(wù)的月球探測計劃與火星探測計劃中，按照鉆探的自動化程度可分為電動鉆進和無人鉆進兩種。阿波羅11號、12號、14號宇航員采用過手動取土器采集了月表一定深度的月壤樣品，但在此過程中并未使用傳統(tǒng)鉆探中的鉆頭，也未涉及常見的沖擊、回轉(zhuǎn)、震動等鉆進方法(鄢泰寧等， 2004；Zacny et al.，2013)。因此，行星鉆探實際上由蘇聯(lián)月球16號首次采用，阿波羅計劃中則是阿波羅15號首次采用鉆探手段。除此之外，月球16號還是歷史上第一次進行地外無人鉆探取樣的探測器，但實際上，月球計劃中的3次無人鉆探取樣任務(wù)受當(dāng)時傳感器技術(shù)等科技發(fā)展水平的限制，取樣效果與阿波羅計劃相比較不理想。

(1)在阿波羅計劃期間，主要采用人工鉆探的方法。由宇航員操作使用電動鉆機進行鉆孔的任務(wù)有阿波羅15號、阿波羅16號和阿波羅17號。這3次任務(wù)中使用的電動鉆機設(shè)備大體一致，如圖10，由操作手柄、供電電池、動力鉆頭和螺旋鉆桿組成，鉆進方法為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，回轉(zhuǎn)速度為280r·min-1，錘擊頻率為2270擊/分鐘，每根鉆桿可容納39.9cm長的月壤柱。任務(wù)目標(biāo)均是鉆進3個深度為2～4m的鉆孔，其中兩個用于安裝熱流探測計，剩余一個用于采集月壤(Zacny et al.，2013)。這3次任務(wù)也是迄今為止鉆進和取芯深度最深的月表鉆探任務(wù)，阿波羅15號鉆進深度約為236cm，返回的月壤柱分6段，總長約236.5cm(取芯率大于100%)，總重1343.5g； 阿波羅16號鉆進深度約為224cm，返回的月壤柱分7段，總長約180cm，總重1007.6g； 阿波羅17號鉆進深度約為305cm，返回的月壤柱分9段，總長約298.6cm，總重1772.5g(Carrier，1974；Allton et al.，1980)。

圖10 阿波羅計劃電動鉆機(Zacny et al.，2013)

(2)在其他的探測任務(wù)中，基本都采用無人鉆探的取樣和測試方法。實際上，從傳統(tǒng)鉆探角度來說，蘇聯(lián)于1970年進行的月球16號探月任務(wù)開展了人類歷史上第一次地外星體鉆探工作，同時也是第一次在地外采用無人鉆探技術(shù)(圖11)。月球16號與兩年后的月球20號配備的鉆進設(shè)備結(jié)構(gòu)與工作模式基本一致，均是在著陸器外圍安裝有一根自身可以轉(zhuǎn)動，并且可以水平或垂直擺動的剛性吊桿，吊桿末端帶有直徑為26mm的取芯螺旋鉆頭，共有5個切削刃，能夠適應(yīng)從堅硬巖石到粉砂質(zhì)土之間的各種巖土層，最大鉆進深度為380mm(Cherkasov et al.，1986)。鉆頭頂部內(nèi)側(cè)有特殊的巖芯破碎器和巖芯保留裝置，固定巖芯避免在鉆進結(jié)束后無法將樣品取出(Litvak et al.，2020)。鉆進方法為沖擊回轉(zhuǎn)鉆進，由剛性吊桿提供80～120N的鉆壓，鉆頭轉(zhuǎn)速為508r·min-1，沖擊頻率為1524擊/分鐘，設(shè)計鉆速為56mm·min-1。鉆進過程中使用的潤滑劑(沖洗液)為油蒸汽，鉆進前保存在密封圓筒中。鉆進結(jié)束后，由剛性吊桿轉(zhuǎn)動180°，并通過擺動操作，將裝滿土樣的鉆頭放入返回艙中密封。最終，月球16號鉆孔深度為35cm，返回月壤樣品101g； 月球20號由于在布設(shè)裝置時鉆頭位置較高，在進行了47mm的空程鉆進后才實際開始取樣，鉆孔深度為29.3cm，返回月壤樣品55g(Zacny et al.，2013)。

圖11 月球16號無人鉆機(Zacny et al.，2013)

與前兩次任務(wù)相比， 1976年進行的月球24號任務(wù)重新設(shè)計了鉆進設(shè)備的結(jié)構(gòu)。月球24號配備的鉆探取樣設(shè)備安裝在著陸器一側(cè)的傾斜導(dǎo)軌上，其體積和功率與前代鉆探設(shè)備近似，但可鉆深度大大增加，如圖12。在鉆進方法的選擇上，淺層采用回轉(zhuǎn)鉆進，深層采用沖擊回轉(zhuǎn)鉆進。該鉆進設(shè)備的亮點在于取樣方法：鉆進過程中，土樣或巖芯被收納在柔性取樣器中，在鉆進結(jié)束后，由電機帶動繩索抽出柔性取樣器，最終纏繞在帶有螺旋軌道的滾筒上(Litvak et al.，2020)。使用這種獲取和保存樣品的方法，既可以較好地保留一定的土層分層信息，又能減少土樣存儲時設(shè)備對其過度壓實和混合，更好地保存土樣原位狀態(tài)。在月球24號任務(wù)中，鉆孔最大孔深為225cm，頂角30°，垂直深度約200cm，共返回巖芯160cm，質(zhì)量為170g(Zacny et al.，2013)。

圖12 月球24號無人鉆機(Litvak et al.，2020)

我國的月球探測器嫦娥五號首次實施了月表的無人自主鉆探取樣任務(wù)，其上配備的鉆探取樣器與月球24號的取樣器有異曲同工之妙。鉆頭采用空心螺旋鉆頭，可以滿足多種月壤或月巖的鉆取需求。在鉆頭-鉆桿內(nèi)鋪設(shè)有柔性內(nèi)襯用于取樣，當(dāng)鉆頭鉆達指定深度后，柔性內(nèi)襯會將月壤樣品卡在柔性取樣器內(nèi)密封。之后樣品儲存的方法就與月球24號相似，柔性取樣器會被纏繞在圓筒上，在返回樣品時保留原始的分層信息。嫦娥五號任務(wù)計劃鉆取深度2m，取帶有分層信息的月壤樣品500g，因月表下地質(zhì)條件復(fù)雜，月壤厚度與預(yù)期存在一定差距，鉆進速度偏慢，實際鉆取深度約1m，返回鉆取樣品231g(楊孟飛等， 2021)。

面對比月球更加復(fù)雜，已知數(shù)據(jù)更少的火星表面，鉆探方法的實施困難更大，任務(wù)更加艱巨。2012年，美國好奇號火星車開始在火星上探尋生命的線索，其核心任務(wù)之一就是通過火星巖石原位采樣分析儀(Collection and Handling for In-situ Martian Rock Analysis)獲取樣品并分析，希望在火星表面發(fā)現(xiàn)有機碳成分。其取樣器類似傳統(tǒng)的螺旋鉆(圖13)，雖然本身并不能獲取巖芯，但可以通過沖擊回轉(zhuǎn)的方式研磨火星巖石，并在鉆進過程中將巖石碎屑帶入螺旋狀的空隙內(nèi)。進行原位成分分析時，機械臂會將取樣鉆頭移動到樣品入口的漏斗處，只需反轉(zhuǎn)鉆頭，就可以將巖石碎屑放入后續(xù)實驗的分析儀器中。取樣器最多可以取得50mm深處的巖石碎屑(謝更新等， 2021)。

圖13 好奇號取樣器(謝更新等，2021)

在2018年開始執(zhí)行的洞察號火星探測任務(wù)中也使用到了鉆探方法，其鉆頭命名為“鼴鼠”，主要作用是協(xié)助安裝熱流探測儀。鉆頭與熱流探測儀支撐架之間由寬系帶相連，系帶上布置了高精度溫度傳感器。雖然并沒有進行火壤取樣，但“鼴鼠”在任務(wù)中仍然起著非常重要的作用。“鼴鼠”的設(shè)計非常巧妙，屬于一種低速的小型貫入儀器，依靠內(nèi)部的彈簧錘擊機構(gòu)驅(qū)動，如圖14。運作時，電機其內(nèi)部軸旋轉(zhuǎn)，帶動螺旋狀構(gòu)件向上運動，壓縮上部彈簧及錘擊裝置，而后在旋轉(zhuǎn)一周后，螺旋構(gòu)件不再受約束，彈簧突然釋放能量帶動整個錘擊裝置向下對鉆頭進行一次錘擊，以此循環(huán)鉆進(Ellery，2016；Spohn et al.，2018； Olaf et al.，2019)。每個沖程約為3.1s，根據(jù)深度不同，每次“鼴鼠”向下鉆進幾分之一毫米至幾毫米，任務(wù)計劃鉆進深度為5m(至少3m)(Jason et al.，2017； Wippermann et al.，2019)。但由于著陸區(qū)火壤能夠提供的摩擦力比預(yù)計小很多，導(dǎo)致螺旋構(gòu)件為彈簧充能時，鉆頭外側(cè)的摩擦力不足以支持其外殼相對火壤靜止，最終任務(wù)失敗(Spohn et al.，2020)。盡管任務(wù)沒有成功，但“鼴鼠”鉆頭為小型甚至微型的地外鉆探設(shè)備的設(shè)計提供了一種思路。

圖14 “鼴鼠”鉆頭工作原理(Jason et al.，2017)

2021年美國毅力號火星車在火星表面著陸，雖然8月初首次采樣以失敗告終，但在9月1日還是成功采取了火星樣品，其搭載的采樣與儲存系統(tǒng)是目前最為先進的(Margetta， 2021; Potter, 2021)。該系統(tǒng)主要分為3個部分：機械臂(Robot Arm)、取樣器(Turret)和存儲器(Adaptive Caching Assembly)。取芯器(圖15)上有鉆頭和一個除塵裝置，兩側(cè)配備了穩(wěn)定器。存儲器由鉆頭轉(zhuǎn)盤、樣品處理機械臂和樣品存儲點組成。當(dāng)開始取樣工作時，樣品處理機械臂先從樣品存儲點取出空的樣品管，并插入鉆頭轉(zhuǎn)盤上的鉆頭中。鉆頭轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，將鉆頭及樣品管帶到火星車外部，由機械臂控制取芯器拾取，然后再移動至目標(biāo)位置進行鉆進取樣工作，鉆頭最深可鉆至76mm。鉆進完成后，樣品管由機械臂送回鉆頭轉(zhuǎn)盤上，經(jīng)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)運送到火星車內(nèi)部。此時樣品處理機械臂再次工作，取出樣品管，并對樣品進行體積估算、圖像記錄和密封工作，最終將樣品管送回樣品儲存點(Farley et al.，2020)。毅力號的鉆頭轉(zhuǎn)盤上共安裝有6個取芯鉆頭、2個研磨鉆頭、1個表土鉆頭，存儲系統(tǒng)共攜帶了43個樣品管，因此盡管首次取樣失敗浪費了樣品管，但如果后續(xù)工作較為順利，仍然可以取得數(shù)量可觀的火壤樣品。這些樣品計劃在后續(xù)的火星探測任務(wù)中返回地球?qū)嶒炇摇?/p>

1.4 地球物理探測

地球物理探測采用地球物理學(xué)原理進行測試，能夠獲取行星地質(zhì)體物性參數(shù)并劃分地質(zhì)結(jié)構(gòu)(姜明明等， 2010； 張翔等， 2021)。行星地質(zhì)工程原位探測方法主要為地震探測方法、電磁探測方法。

(1)地震探測方法是指通過自然或人工激發(fā)所引起的彈性波，利用其在地下彈性和密度存在差異的巖土體中傳播特征的變化，觀測和分析彈性波的傳播規(guī)律，推斷地下巖土層的性質(zhì)和形態(tài)的地球物理勘探方法。

由于各巖土層的彈性和密度等性質(zhì)存在差異，彈性波在其中的傳播特征各不相同，在性質(zhì)不同巖土層的界面處還會發(fā)生折射和反射。由安裝在地面或地下的檢波器接收反射波信號，通過對反射波信號的處理和解釋，就可以推斷出地下巖土層的結(jié)構(gòu)與分布狀況。

傳統(tǒng)的地震勘探主要采用人工激發(fā)地震的彈性波進行。根據(jù)震源類型，可以將其分成兩類，主動地震物探和被動地震物探，分別以人工激發(fā)地震波和自然地震波為信號源。在行星原位測試中，由于人工激發(fā)地震的成本和難度較高，目前利用自然地震信號進行的探測仍然占有很大比例。

月球探測中的月震物探試驗主要由阿波羅計劃各次任務(wù)實施。阿波羅11號、12號、14號、15號、16號、17號都進行了該試驗。阿波羅12號及其之后的阿波羅計劃都在登月時利用人工激發(fā)了地震波。其中：阿波羅14號任務(wù)中，宇航員在月表共布置了3個地震檢波器，激發(fā)了21個爆炸裝置，其中13個發(fā)揮了預(yù)期的信號源作用(Watkins et al.，1972)， 1號檢波器附近成功了1次， 2號附近5次， 3號附近7次。阿波羅16號任務(wù)與14號類似(Ceri et al.，2020)，也布置了3個檢波器，在激發(fā)爆炸裝置后，又利用火箭發(fā)射了4枚炸彈，在稍遠(yuǎn)距離進行爆破，激發(fā)彈性波，炸彈發(fā)射參數(shù)如表1。

表1 阿波羅16號主動地震試驗參數(shù)(Ceri et al.，2020)

阿波羅11號任務(wù)中，宇航員只在月表布置了簡易的三軸月震儀(Latham et al.，1969； Nakamura et al.，1982)，如圖16，用于檢測自然月震信號，該儀器僅正常運行了3周時間。阿波羅12號、14～16號在自身主動月震試驗完成后，進入了被動接收信號的模式，在月表組建了月震臺網(wǎng)(Latham， 1972)，正常運行期間共捕捉到了13000多次月震信號。與主動月震試驗相比，其探測深度更大，更多側(cè)重于滿足月球內(nèi)部圈層結(jié)構(gòu)的研究。

圖16 阿波羅11號三軸月震儀(Latham et al.，1969)

阿波羅17號的宇航員還進行了一次月球地震剖面試驗，彈性波信號由人工激發(fā)，但探測深度相較于之前增大了很多。試驗部署了由4個微型動圈磁鐵地震儀組成的規(guī)模更大的檢測網(wǎng)絡(luò)，呈三角形分布。信號源為8個爆炸強度不同的爆炸裝置(Ceri et al.，1972)。安全起見，在宇航員駕駛登月艙離開月球后，才引爆了爆炸裝置。

由于地震研究的重要性，早期在火星上實現(xiàn)軟著陸的維京1號與維京2號均裝載了三軸短周期火震儀(Anderson et al.，1976)。由于當(dāng)時火星探測的主要任務(wù)是生物學(xué)、有機化學(xué)及影像資料的獲取等方面，所以火震儀在設(shè)計上受到了很大的限制，尺寸小、重量輕、數(shù)據(jù)占用小、裝載位置較差等等(Anderson et al.，1977)。該儀器長12cm，寬15cm，高12cm，重2.2kg(Anderson et al.，1972)，位于設(shè)備艙上部， 1號支架旁邊，如圖17。有效頻率為0.1～10Hz，地面振幅分辨率在3Hz下為2nm、1Hz下為10nm(Anderson et al.，1977)。

圖17 維京1號科學(xué)載荷分布(Don et al.，1977)

近兩年成功登陸火星并執(zhí)行一系列勘察任務(wù)的洞察號火星探測器也進行了火震探測試驗。這也是人類第一次將火震儀布置在火星表面實施監(jiān)測任務(wù)(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)?；鹫饍x由4部分組成：傳感器組件、電子盒、連接帶和溫壓保護罩。傳感器組件包括2個科學(xué)儀器，1個三軸超寬頻帶地震儀和1個三軸短周期地震儀。前者覆蓋頻率范圍為0.01～50Hz，后者為0.1～50Hz(肖萬博等， 2021)。溫壓保護罩是安裝在儀器上方的圓形罩子，較好地避免了火星表面風(fēng)力與較大溫度變化等因素對儀器的干擾，圖18為洞察號正在使用機械臂為火震儀安裝溫壓保護罩。根據(jù)其運行兩年多記錄的火震數(shù)據(jù)，Knapmeyer-Endrun et al.(2021)基于兩種不同的火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型，較為準(zhǔn)確地約束了洞察號下方的火星殼厚度，觀測結(jié)果為20±5km和39±8km，又結(jié)合火星全球重力和地形數(shù)據(jù)，推算出整個火星殼的平均厚度為24～38km和39～72km。

圖18 洞察號火震儀(Knapmeyer-Endrun et al.，2020)

(2)電磁探測方法主要是探地雷達，利用天線發(fā)射和接收電磁波來探測介質(zhì)內(nèi)部特性和分布規(guī)律的一種地球物理方法。探測時，設(shè)備將電磁波發(fā)射到地下，由于地下介電特性的變化，部分傳播波反射回天線。根據(jù)反射波返回的時間可以計算出地下介電特性發(fā)生變化的位置。經(jīng)過一系列的數(shù)據(jù)處理步驟，即可繪制出探地雷達剖面圖(Hamran et al.，2020)，進而用于分析地層結(jié)構(gòu)與地下異常體。與地震法相比，基于電磁方法的雷達有高精度、高效率、無損壞、設(shè)備集成度高等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于各種地質(zhì)勘察任務(wù)中。受限于技術(shù)發(fā)展水平，近些年來探地雷達技術(shù)才逐漸應(yīng)用到行星探測任務(wù)中。

我國探月工程的嫦娥三、四、五號3次任務(wù)中，均裝載了測月雷達設(shè)備。其中嫦娥三號與嫦娥四號的月球車玉兔號、玉兔二號搭載的測月雷達基本參數(shù)一致(李洪丹， 2019)，均為雙頻探測系統(tǒng)，工作時低頻為60MHz，高頻為500MHz，頻帶分別為40～80MHz和250～750MHz(Fang et al.，2014； Dong et al.，2017; Li et al.，2020)。玉兔號雷達探測深度約100m，雖然儀器相同，但由于著陸區(qū)巖土層性質(zhì)的不同，玉兔二號的實際探測深度比玉兔號更深，可以達到330m(Lai et al.，2020)至450m(Zhang et al.，2021)。玉兔號月球車已于2016年7月停止工作，在月面行駛114m途中對沿線進行了雷達探測(Xiao et al.，2015;Zhang et al.，2015; Lai et al.，2019)，玉兔二號也進行了同樣的探測工作，現(xiàn)在仍在正常運行中，累計行駛距離已超過680m。玉兔二號部分探測結(jié)果如圖19。

圖19 玉兔二號測月雷達探測剖面示意圖(蘇彥等， 2020)

與這兩輛月球車不同，嫦娥五號探測器的主要任務(wù)是月表取樣，因此，其測月雷達(即月壤結(jié)構(gòu)探測儀)也是為取樣工作服務(wù)的。其探測更側(cè)重于高精度，為鉆探取樣提供幫助，探測深度約為3m，分辨率可以達到厘米級別。

在火星探測方面，中國祝融號火星車上配備有測火雷達，其低頻中心頻率為55MHz，工作帶寬為40MHz，分辨率為米級，針對土壤和冰的探測深度分別約為10m和100m； 高頻中心頻率為1300MHz，工作帶寬為1000MHz，分辨率為厘米級，針對土壤和冰的探測深度分別約為3m和10m(李春來等， 2018； Zhou et al.，2020)。

美國的毅力號火星車上也配備有測火雷達，具體來說為調(diào)頻連續(xù)波測火雷達，安裝在距離地面60cm的高度，由3個部分組成：電子設(shè)備箱、蝶型天線和短路同軸校準(zhǔn)電纜(Farley et al.，2020)。其工作頻寬為150～1200MHz，預(yù)計應(yīng)達到的探測能力為：能夠測量表面反射、能夠測量地下30cm處信號強度比表面低27dB的反射、探測地下10m深的松散風(fēng)化層并在介電常數(shù)對比度為20%標(biāo)準(zhǔn)下劃分地層。在探測火壤的同時，也對火星表面的冰進行探測和識別(Hamran et al.，2020)。

1.5 攝影測量

除了以上幾種直接探測的方法外，還有一種比較特殊的原位測試手段——近距離攝影測量。在很多情況下，近距離攝像的方法都不能直接獲取原位測試數(shù)據(jù)，但其在整個行星探測的任務(wù)中，卻一直發(fā)揮著不可替代的輔助作用。甚至在早期的一些探測任務(wù)中，受技術(shù)水平和一些其他因素影響，近距離攝影測量成為主要的探測方法，例如蘇聯(lián)發(fā)射的月球9號探測器(Ковaнько et al.，1998)。盡管近距離攝像在大多數(shù)情況下只能發(fā)揮輔助作用，但仍有少部分原位測試任務(wù)主要由攝像設(shè)備完成，這也是行星原位測試的一個重要組成部分。根據(jù)攝影所得圖像中信息的不同，近距離攝影測量可以劃分為自然圖像處理和人類活動痕跡輔助研究兩類。攝影測量評價的指標(biāo)主要有粒度和基床系數(shù)。

(1)自然圖像處理方法是指通過分析探測器拍攝的未受人類活動擾動的行星表面照片，得出行星表面土壤巖石部分性質(zhì)的方法。攝影及圖像處理在早期探測活動中是獲取行星表面部分物理性質(zhì)的主要手段，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，其重要性逐漸下降，而早期攝像又受科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制，圖像清晰度、色彩等質(zhì)量不理想，因此實際能夠獲得的數(shù)據(jù)比較有限。

由蘇聯(lián)研發(fā)發(fā)射，實現(xiàn)了人類首次月球軟著陸的月球9號探測器，在月表拍攝了很多月巖月壤的黑白照片。受分辨率影響，這些照片并不能用來分析月壤的粒度組分，但可以通過近似計算得出在拍攝范圍內(nèi)(約50m2)月巖的大致分布情況。同年年末，月球13號月球探測器配備著與月球9號相同的攝像設(shè)備在月表軟著陸成功，獲得了在其攝像范圍內(nèi)(14.31m2)月巖的大致分布情況。

1966年6月，美國研發(fā)的月球探測器勘察者1號軟著陸成功，并利用攝像機對月壤的物理參數(shù)進行了研究?？辈煺?號的攝像機最高能在1.6m處達到0.5mm的分辨率，能夠分辨粒度較小的月壤顆粒，因此根據(jù)拍攝的照片對拍攝范圍內(nèi)(100m2)月巖與月壤進行了顆粒粒度的統(tǒng)計。

此后發(fā)射的勘察者3號、5號、6號在勘察者1號攝像的基礎(chǔ)上額外安裝了反射鏡，增大了攝像角度和范圍。采用了相同方法分析了各自著陸區(qū)及周邊地區(qū)的月巖與月壤的粒度分布狀況(Ковaнько et al.，1998)。

在后續(xù)的行星探測計劃中，取樣等技術(shù)逐漸發(fā)展，在粒度分析方面逐漸取代了自然圖像處理，獲得了更加準(zhǔn)確的粒度分布數(shù)據(jù)。

(2)在探測器或者宇航員在地外天體表面進行科學(xué)活動時，必然會在這些天體表面留下很多活動痕跡。由于專門的測試儀器取得的數(shù)據(jù)較為有限，這些登陸時的活動痕跡也成為了一種珍貴的數(shù)據(jù)來源，其中攝像是記錄活動痕跡最主要的手段之一。同時，與處理分析自然圖像相比，登陸痕跡在形成的過程中有人類產(chǎn)生的已知的外力因素介入，能夠更好地反映天體表面的物理力學(xué)性質(zhì)。

勘察者1號的攝像系統(tǒng)在著陸后記錄了緩沖部件壓入月表的深度?？辈煺?號在著陸過程中在月面進行了兩次彈跳，如圖20，其攝像系統(tǒng)拍攝到了兩次彈跳對月壤形成的壓痕?？辈煺?號著陸在坡度約20°的斜坡上，導(dǎo)致其發(fā)生了一定的滑移，攝像系統(tǒng)記錄下了支架滑移造成的長溝?？辈煺?號在正常運行一周后，重新啟動發(fā)動機，向前跳動了4m，跳躍高度為3m，并在重新著陸時彈跳了兩次，額外制造了支架與月壤作用的痕跡。研究人員將這些痕跡的照片與支架上力學(xué)傳感器的測量結(jié)果相結(jié)合，粗略計算出了各次任務(wù)中月表的承載力等物理力學(xué)特性。同樣，在阿波羅計劃中，登月艙支架的壓痕和宇航員的腳印也都被用來估算月壤的承載力。

圖20 勘察者3號在月面彈跳(Christensen et al.，1968)

除此之外，還有一種非常重要的活動痕跡可以反映月壤的物理力學(xué)性質(zhì)——車轍，這在傳統(tǒng)學(xué)科中屬于車輛地面力學(xué)范疇。地面力學(xué)是一門以近地面土力學(xué)為基礎(chǔ)，研究車輛在工作過程中與地面相互作用關(guān)系的一門邊緣學(xué)科，旨在改進車輛設(shè)計。在行星原位測試中進行逆向思維，通過已知的月球車、火星車的具體參數(shù)，結(jié)合攝像系統(tǒng)與圖像處理技術(shù)分析在行星表面行進產(chǎn)生的痕跡，反演行星表面土壤的物理力學(xué)參數(shù)。

由于月球車與火星車的車輪與傳統(tǒng)輪胎有較大差異，因此用傳統(tǒng)物理方法與力學(xué)方法研究時需要進行一定的修改(Liang et al.，2009)。行星表面土壤與環(huán)境也與地球大不相同，測量滑移率時需要改進圖像分析方法提高準(zhǔn)確率(李楠等， 2016)。張銳等利用三維離散元數(shù)值模擬的方法對輪土作用進行了研究(Zhang et al.，2020)。薛龍等(2020)采用機器學(xué)習(xí)的方法對火壤性質(zhì)進行反演分析，使用的算法有牛頓迭代法、最小二乘法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機等等。

在月球探測與火星探測任務(wù)中，所有的巡視器都進行了輪土作用方面的研究。探月工程的月球車號、玉兔系列(Tang et al.，2020)，火星探測工程的索杰納號到毅力號、祝融號，這些無人巡視器行駛過程中與行星表面的相互作用，都是研究行星土壤的一種重要手段。

2 月壤與火壤的物理力學(xué)特性

目前進行的行星探測活動主要是針對月球和火星，因此月壤或火壤的物理力學(xué)特性研究的重要程度最高，已有研究成果也最多。月壤和火壤的物理力學(xué)特性主要由粒度分布、孔隙比、堆積密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、變形模量和承載力等參數(shù)指標(biāo)表征。在探測器著陸、宇航員登陸，甚至是未來科研站、基地建設(shè)以及人類移居工程中，這些物理力學(xué)特性都是不可或缺的技術(shù)參數(shù)。因此，在現(xiàn)階段，查明月壤和火壤的基本物理力學(xué)特性是最重要的科學(xué)目標(biāo)之一。

原位測試方法或儀器的多樣性與多功能性，決定了部分測試方法可以測得多個參數(shù)指標(biāo)，參數(shù)指標(biāo)也可以通過多種測試方法測得。除此之外，針對已經(jīng)實現(xiàn)了取樣返回任務(wù)的月壤，實驗室內(nèi)的樣品試驗也是獲取物理力學(xué)參數(shù)的重要途徑。

2.1 月壤的粒度

在早期月球探測活動中，月壤的粒度分布主要由圖像法測定，即通過處理探測器攝像設(shè)備返回的月表照片分析獲得。最先返回月表圖像的月球9號與月球13號探測器，受攝像設(shè)備分辨率的限制，其照片只能分析出拍攝范圍內(nèi)月巖的粒徑和分布狀況(表2，表3)。

表2 月球9號月巖粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

表3 月球13號月巖粒度分布(Ковaнько et al.，1998)

而在勘察者系列任務(wù)中，成功進行月表著陸的1、3、5、6、7號探測器均進行了該項測試。研究發(fā)現(xiàn)，這幾次任務(wù)中月壤的粒度分布累積曲線在雙對數(shù)坐標(biāo)下均基本滿足線性關(guān)系，可統(tǒng)一用下式表示

N=kD-γ

式中：N為在圖像攝像范圍內(nèi)直徑大于D的顆粒的數(shù)量；D為圖像中可辨別出的顆粒的直徑(mm)；k、γ為粒度分布常數(shù)。

采用對數(shù)形式表示為：

lgN=k-γlgD

各次勘察者任務(wù)的研究結(jié)果中，粒度分布累積曲線如圖21。

圖21 勘察者著陸區(qū)域月壤粒度分布曲線(Ковaнько et al.，1998)

在后期的月球探測任務(wù)中，無人探測器與宇航員從月表取回了月壤樣品，采用室內(nèi)試驗的方法才得以更加精確地測定月壤的粒度分布。各次取樣任務(wù)月壤粒度估算結(jié)果如表4，Gromov(1998)也對這些任務(wù)登月點的月壤粒度參數(shù)平均值進行了估算(表5)。其中：阿波羅16號返回的不同深度的月壤樣品的粒度分布如表6。隨著采樣深度的增加，月壤整體粒度稍微有所增大，但并不明顯，推測是由于天體撞擊導(dǎo)致淺層月壤進行了一定的混合，再次沉積的時間跨度還不足以使其呈現(xiàn)出明顯的成層性(Gromov， 1998)。

表4 月壤中值粒徑與平均粒徑的估算結(jié)果(Heiken et al.，1992)

表5 月壤粒度研究結(jié)果(Gromov， 1998)

表6 阿波羅16號不同深度月壤粒度分布(鄭永春等， 2004)

2.2 月壤的密度

堆積密度是指粉體材料自由堆積在容器中，未經(jīng)振動或壓實時的單位體積質(zhì)量，針對月壤時即指月壤的天然密度。月壤的堆積密度，尤其是密度隨深度變化的規(guī)律，與熱力學(xué)、電磁學(xué)等其他物理參數(shù)有著較強的關(guān)聯(lián)性(Slyuta， 2014)，這對工程非常重要。在一些場合中，也可以使用容重表示。間接測試和估算月壤堆積密度、容重的方法有很多，月球9號、勘察者1號任務(wù)中根據(jù)攝像資料進行估算，月球13號采用γ射線散射法，勘察者3號、5號采用實驗室模擬標(biāo)定的方法進了測試(表7)。

表7 月壤堆積密度或容重

其中：阿波羅15、16、17號采用人工電動鉆機進行取樣，月壤柱保留了較好的分層信息(Carrier， 1974)，月壤樣品隨深度的變化如圖22 和表8。除阿波羅17號因月壤柱擾動導(dǎo)致淺部密度偏大以外，隨深度的增大，月壤的密度整體呈現(xiàn)增大的趨勢。

圖22 阿波羅15～17號月壤樣品密度與取樣深度的關(guān)系

2.3 月壤的孔隙比

孔隙比定義為土體中的孔隙體積與固體骨架體積的比值，能夠反映土體結(jié)構(gòu)的密實程度。通常情況下，孔隙比的值越大，土體越疏松，壓縮性相對較強； 反之，土體越密實，壓縮性相對較弱。

在一些場合，還可采用孔隙率(n)表示土體結(jié)構(gòu)的密實程度，與孔隙比的換算方法如下式

孔隙比的值一般不能通過測試直接獲得，需要通過土體的比重和天然密度計算得到，如下式

式中：e為土體孔隙比；Gs為土體固體顆粒比重；ρ0為4℃時純水的密度；ρ為土體天然密度。

在月壤的測試中，比重主要由顆粒的礦物組分決定，在較大范圍內(nèi)變動。玻璃質(zhì)顆粒的比重從1.0波動到3.32，玄武巖顆粒通常小于3.32，角礫巖顆粒約為2.9～3.1(Slyuta， 2014)。

由不同探月任務(wù)中月壤樣品的室內(nèi)試驗測試數(shù)據(jù)估算的月壤孔隙比如表9(Gromov， 1998)。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)，月壤的孔隙比隨深度的增加逐漸減小(表10)，隕石坑內(nèi)部與邊緣環(huán)形山相比稍小(Slyuta， 2014)(表11)。

表9 月壤孔隙比(Gromov， 1998)

表10 月壤孔隙率隨深度變化關(guān)系(Slyuta， 2014)

表11 不同位置月壤孔隙率對比(Slyuta， 2014)

2.4 月壤的抗剪性

在月壤物理力學(xué)性質(zhì)測試中，黏聚力與內(nèi)摩擦角是兩個對工程非常重要的參數(shù)指標(biāo)。黏聚力是月壤顆粒間相互吸引的能力； 內(nèi)摩擦角反映了月壤顆粒之間相對運動，提供摩擦的能力，正應(yīng)力相同時，內(nèi)摩擦角越大，顆粒間摩擦力越大。根據(jù)莫爾破壞準(zhǔn)則，月壤的抗剪強度可以用黏聚力和內(nèi)摩擦角表示，如下式

τ=σ·tanφ+c

式中：τ為月壤的抗剪強度；σ為破壞面所受正應(yīng)力；φ為月壤的內(nèi)摩擦角；c為月壤的黏聚力。

月壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角原位測試主要由測試儀器與月表相互作用完成，比如圓錐貫入儀、鏟斗，還包括探測器支架及月球車車輪。在月壤樣品返回地球后，實驗室內(nèi)也進行了相關(guān)試驗(表12)。

表12 月壤黏聚力與內(nèi)摩擦角(Ковaнько et al.，1998)

根據(jù)Carrier等人統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，月壤的黏聚力與內(nèi)摩擦角隨深度的增大有增大的趨勢(表13)。同時，根據(jù)原位各次探測任務(wù)的原位測試結(jié)果，月壤的抗剪參數(shù)還與孔隙比具有相關(guān)性(表14)。

表13 月壤抗剪參數(shù)隨深度變化關(guān)系(Slyuta， 2014)

表14 月壤抗剪參數(shù)與孔隙比的關(guān)系(Gromov， 1998)

2.5 月壤的壓縮性

研究測試月壤的壓縮性對工程也極其重要，通常采用變形模量來表征，即通過原位測試測得，土體在部分側(cè)限條件下，應(yīng)力增量與應(yīng)變增量的比值。同時，壓縮模量也是常用的反映土體受壓變形特性的指標(biāo)，其定義同樣為應(yīng)力增量與應(yīng)變增量的比值，但與變形模量相比，壓縮模量一般由室內(nèi)側(cè)限壓縮試驗測得，較原位測試更易進行，同時因為試驗條件為完全側(cè)限，導(dǎo)致其不能較好地反映土體原位真實的變形性質(zhì)。在假設(shè)土體為線彈性材料的前提下，可以通過廣義胡克定律推導(dǎo)出壓縮模量與變形模量之間的關(guān)系(張博， 2020)，如下式

式中：E0為月壤的變形模量；ES為月壤的壓縮模量；μ為月壤的泊松比。

實驗室在測試樣品壓縮模量時，常常還是用壓縮系數(shù)來表示，壓縮系數(shù)與壓縮模量能夠直接換算，如下式

式中：e0為月壤的天然孔隙比；a為月壤的壓縮系數(shù)。

從定義上來說，壓縮模量與變形模量都是應(yīng)力與應(yīng)變的增量之比，考慮到月壤原位測試時，儀器受各方面限制，測試數(shù)據(jù)不足以支持連續(xù)的小增量比值計算，因此還常用基床系數(shù)表示月壤的壓縮特性。基床系數(shù)定義為月壤表面所受壓強與總變形之間的比值，假設(shè)月壤是線彈性材料時，基床系數(shù)可與變形模量進行換算，如下式

K=ES·H

式中：K為月壤基床系數(shù)；H為研究或測試的月壤總厚度。

各探月任務(wù)中原位測試和樣品試驗所得的月壤的壓縮特性如表15。

表15 月壤的壓縮特性

與地球上土壤的性質(zhì)相似，月壤的壓縮性也隨荷載級別的提升以及孔隙比的減小而變?nèi)酰虑?6號返回樣品的分級荷載試驗結(jié)果如表16，不同孔隙比下月壤樣品的壓縮系數(shù)如表17。

表16 月球16號樣品壓縮系數(shù)隨荷載的變化(Slyuta， 2014)

表17 不同孔隙比下月壤樣品的平均壓縮系數(shù)(靜壓條件)(歐陽自遠(yuǎn)， 2005)

2.6 月壤的承載力

月壤的承載力是在月表進行工程活動最基本、最直接的一項指標(biāo)，由自身堆積密度、孔隙比和壓縮性等多個方面因素決定。由于高真空、低重力的沉積環(huán)境，表層月壤的承載力非常低，但隨深度的增加承載力逐漸增大。各次探月任務(wù)中均對月壤的承載力進行了大量的測試(表18)。可見，月表有一層承載力非常低的極松散層，其厚度在不同位置有所變化，一般小于10cm。深度接近和大于該薄層后，月壤的承載力顯著上升，具備一定工程承載能力。

表18 月壤承載力(Ковaнько et al.，1998)

2.7 火壤的物理力學(xué)特性

由于火星探測器上幾乎沒有配備專門用于測試火壤物理力學(xué)特性的科學(xué)載荷，因此，相關(guān)參數(shù)只能通過攝影測量、機械臂鏟斗和土壤的相互作用等方法間接獲得。根據(jù)火星土壤的顆粒特征和力學(xué)性質(zhì)，將其劃分為堆積物、殼狀至土塊狀物質(zhì)和塊狀物質(zhì)3類(歐陽自遠(yuǎn)等， 2017)。堆積物松散、多孔、粒度較小，內(nèi)摩擦角、密度、承載能力都較小，壓縮性好； 殼狀至土塊狀物質(zhì)粒度分布范圍廣，黏聚力低，內(nèi)摩擦角中等； 塊狀物質(zhì)粒徑偏大，膠結(jié)程度高，黏聚力高。

從1975年維京1號至2003年勇氣號、機遇號以來，已經(jīng)獲取的火壤物理力學(xué)特性參數(shù)(表19)。

表19 火壤物理力學(xué)特性(Moore et al.，1989，1999;Arvidson et al.，2004a， 2004b；Shaw et al., 2019)

3 結(jié)論與建議

行星地質(zhì)工程原位測試方法與技術(shù)，是制約未來行星科學(xué)探索、行星資源開發(fā)與人類移居的瓶頸問題，通過行星地質(zhì)工程原位測試方法的分類與物理力學(xué)參數(shù)總結(jié)，得到如下結(jié)論：

(1)與地球相比，行星地質(zhì)體在物質(zhì)、結(jié)構(gòu)與環(huán)境3個方面存在較大差異，決定著行星地質(zhì)體工程特性與地球具有很大的差別，開展行星地質(zhì)工程原位測試是準(zhǔn)確獲取行星地質(zhì)體工程特征的最直接方式。

(2)與地球原位工程測試方法相比，現(xiàn)有行星地質(zhì)工程原位測試方法較不成熟，主要體現(xiàn)在測試方法和儀器受各種因素約束進行了簡化； 行星表面的復(fù)雜環(huán)境限制了各種科學(xué)載荷的測試能力。

(3)行星土壤的物理力學(xué)性質(zhì)在多個方面與地球土壤差異較大。例如，與地球土壤相比，月壤具有孔隙率高、壓縮性弱、內(nèi)摩擦角大、黏聚力低、承載力弱等特點。隨著深度的增加，其孔隙比逐漸降低，壓縮性、承載力數(shù)值均有增大趨勢。未來應(yīng)針對行星和地球土壤物理力學(xué)特性差異的本質(zhì)開展深入研究。

未來進行行星地質(zhì)工程原位測試方法與技術(shù)研究，應(yīng)針對已經(jīng)返回的嫦娥五號月球樣品(Yang et al.， 2021)和未來將要返回的嫦娥六號月球樣品，研發(fā)模擬行星環(huán)境的樣品測試技術(shù)與儀器，開展物理力學(xué)特性研究； 以行星探測任務(wù)為載體，結(jié)合地面微重力模擬測試平臺和物理力學(xué)本構(gòu)理論研究，研制小型輕量、自動智能的工程特性原位測試科學(xué)載荷，獲取更加準(zhǔn)確的月球和火星土壤和巖石的工程特性參數(shù)，支撐月球科研站、基地建設(shè)和火星取樣返回等深空探測任務(wù)。