月球鉆進技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

月球鉆進技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

1探基于宇宙的探索過去，人們只強調(diào)地形研究、資源勘探和開發(fā)、城市建設、防災防治等重要手段。宇宙研究的重要性知之甚少。其實,早在1969～1976年,美、蘇就先后在月球上完成了鉆探取樣并返回的壯舉。2005年,美國的“勇氣”號、“機遇”號又登上了火星,自動鉆成了深2.7mm、直徑45mm的人類火星第一鉆。因此,鉆探工程師們?yōu)樽约旱膶I(yè)成為人類探索宇宙的首批技術之一感到非常自豪。確切地說,鉆探為宇宙探索服務并非從1969年才開始,而是可以追溯到20世紀初葉。值得一提的是,1908年6月30日在西伯利亞地區(qū)曾發(fā)生隕石落地燒毀森林的事件。當時首批敢于走向恐怖森林去探險的勇敢者驚訝地發(fā)現(xiàn),雖然在隕石落下的地方造成了巨大的災難,但卻找不到隕石本身的任何痕跡。于是他決定用鉆探的辦法繼續(xù)向深部尋找。在1929年曾用2臺手動鉆機在隕石著陸點附近鉆了3個深度達34m的鉆孔。這是人類首次嘗試用鉆探的方法研究宇宙科學問題。美國人也曾利用鉆探手段來研究阿利樟隕石坑。有趣的是,鉆探公司為了吸引資金曾放出隕石碎片中鉑金含量很高的流言,并集資在主要隕石出露的地點鉆了幾個深度達200m的鉆孔。但隨著鉑金隕石預言的破滅,該股份公司最終也破產(chǎn)了。了解其它行星內(nèi)部的物質(zhì)成分,行星的演化規(guī)律,解開生命起源的秘密已不僅是科學家們感興趣的問題,而是與人類文明前途息息相關的重大課題。隨著技術的進步,宇宙探索過程本身已表現(xiàn)出越來越明顯的工程性質(zhì),其第一步就是取回天體的巖樣,唯一的方法是鉆探。也就是說,從1969年開始的月球鉆探是鉆探技術實質(zhì)性用于深空探索的里程碑。2人類在月球勘探中的技術現(xiàn)狀2.1大0.0.65126kg—概述月球是地球的近鄰,它既是一個理想的深空探測中繼站,又是具有重要戰(zhàn)略意義的太空基地。月球上特有的礦產(chǎn)和能源是對地球資源的重要補充和儲備。迄今人類已完成的月球取樣情況如表1所示。雖然人類已完成的9次月表取樣工程是33～40年前完成的,但仍可看出以下特點。(1)每次取回的月球樣品數(shù)量差別很大(0.05～110kg)——體現(xiàn)的是無人登月和有人登月、純鉆探取樣和“鉆探取樣+人工拾取”的差異。(2)無人登月的情況下每次登月只鉆一個回次取樣,僅靠從地球上遙控月表鉆機自動鉆進取樣,不可能大幅度提高采集并返回的月壤樣品數(shù)量。(3)無論無人或有人登月,航天器對月表鉆機的自重都有嚴格限制。(4)月表鉆機對功率消耗有嚴格限制,無人登月鉆機動力為280W,有人登月為430W。(5)與地球鉆探不同,在月球上打鉆還將面臨以下技術難點:①月表14cm以深的月壤很致密,但月表既無空氣又無水,如何及時排除巖粉和冷卻鉆頭?②足夠的鉆壓是保證鉆探速度的最重要因素,但月面的重力僅為地球的1/6,靠鉆機自重提供鉆壓的方案不可取,如何在月球條件下快速鉆進?③月表除極少數(shù)裸露的基巖外,月壤的內(nèi)聚力小,結(jié)構(gòu)松散,這類巖石在地球上也屬于難取樣范疇,在無人登月的情況下,如何能在保證采取率和月壤原生層狀結(jié)構(gòu)的前提下,自動封裝、轉(zhuǎn)移巖心,可靠地進入返回艙并安全返回地球?2.2螺旋-巖心-隧道鉆機月球上的第一批取樣孔是由美國“阿波羅-11”宇航員們于1969年鉆成的。自“阿波羅-11”載人登月以來,共取回379.8kg樣品,各個探月階段所用工具示于表2?！鞍⒉_-11”宇航員用地質(zhì)錘把鋁質(zhì)管形取土器打入月壤,取出了第一批15cm深的樣品(直徑20mm)。但無論怎樣用力打擊,取土器都無法達到更大的深度。宇航員認為,1965年設計的取土器管靴結(jié)構(gòu)與該深度月壤的強度不適應,土樣在取土器內(nèi)錐面下被壓實、變形。為此,“阿波羅-12”采用改進型外錐面取土器,但3名宇航員仍要花費35～40min來取樣。再次改進的取土器可以較小的力打入月壤中并方便起出。最終這種取土器分別從深度35和70cm處取出了兩份月壤樣品?！鞍⒉_-15”～“阿波羅-17”使用了由宇航員操作的電動取樣鉆機,采用“螺旋鉆桿+螺旋巖心管和取心裝置+硬質(zhì)合金鉆頭”的組合式取心鉆進方法,靠巖心管與鉆桿的外螺旋來清潔孔底,取得了成功(參見圖1)。從原理上講這種鉆進方法遠非新技術,它早在20世紀50年代就用于工程地質(zhì)勘測。只是美國人對鉆機的質(zhì)量、強度特性和發(fā)動機類型提出了特殊要求。該鉆機用電池供電,可連續(xù)沖擊回轉(zhuǎn)作業(yè)40min。用直徑26.2mm的硬質(zhì)合金鉆頭,鉆進深度2.8m。在凸輪型沖擊機構(gòu)給出4.6J沖擊能量、沖擊頻率2270次/min、轉(zhuǎn)速300r/min的條件下,反扭矩為27.4N·m。鉆機自重(地球質(zhì)量)11.8kg,鉆壓來自鉆機自重和宇航員的體重。每節(jié)鉆桿長約0.7m,理論鉆速在玄武巖中為25.4mm/min,在疏松玄武巖中為127mm/min,而實際鉆速小于上述指標。月球鉆渣的質(zhì)量僅為地球的1/6,對于鉆進是個有利因素。因為在環(huán)狀間隙中,只有離心力使鉆渣與孔壁的摩擦力足夠大,鉆渣才會沿鉆桿螺旋上移。也就是說,鉆桿回轉(zhuǎn)速度必須達臨界值。而在重力明顯小于地球的行星上,該臨界值較小。為提高螺旋的輸送效率,還可通過減少外螺旋與孔壁的摩擦和降低螺旋與孔壁接觸面積的辦法來幫助鉆渣上移。但隨著鉆孔加深,螺旋的輸送效率將下降,且來自月表的沖擊力也會逐漸失效。阿波羅計劃執(zhí)行過程中出現(xiàn)過“阿波羅-15”鉆至150cm后扭矩劇增,“阿波羅-16”在72～80cm段無樣品,80～120cm段樣品斷斷續(xù)續(xù),“阿波羅-17”在38～40cm和71～80cm段無樣品等問題。螺旋鉆具在鉆機自重和宇航員給進力共同作用下,鉆入月壤并不困難(有如木螺釘),但鉆達設計深度后往往從月壤中起拔巖心管很困難。于是美國人專門設計了從孔內(nèi)撬出鉆桿和巖心管的工具(圖2)。但在無人登月的情況下,則必須考慮如何解決起拔巖心管的問題。2.3地層沖突下的“l(fā)una-24”鉆機如果說美國的月球鉆探主要是靠“傳統(tǒng)鉆進方法+宇航員給進操作”,那么前蘇聯(lián)的月球鉆機則實現(xiàn)了由地球上遙控的自動化鉆進。世界上第一次月球自動鉆探試驗是“Luna-16”1970年9月20日在月面豐海地區(qū)軟著陸后開始的。其后又完成了“Luna-20”和“Luna-24”月球鉆探。“Luna-16”與“Luna-20”鉆機的結(jié)構(gòu)相同,裝有螺旋給進機構(gòu)和移動式回轉(zhuǎn)器(圖3)。鉆機的主要技術特性:硬質(zhì)合金鉆頭直徑26mm;鉆孔深度35cm;直流電機驅(qū)動;鉆機自重(地球質(zhì)量)11.8kg;給進方式為差動螺旋(可用于沖擊作業(yè));排屑方式為螺旋方法。鉆機設計者們根據(jù)電動機的比功耗(破碎1cm3月壤的焦耳數(shù))和鉆進速度來識別鉆進過程是否正常?！癓una-16”著陸后,機械臂將鉆機置于月表,打開外保護罩,在傳動裝置和鉆機自重作用下(70～80N)沿與垂線成15°的方向傾斜鉆進,根據(jù)遙測的數(shù)據(jù),鉆進速度超過了計算值,平均達6.1cm/min。經(jīng)過6min14s孔深達35cm(達到設計深度),啟動鉆機的反向行程,沖擊裝置自動終止沖擊。確認樣品進入鉆具后,機械臂將鉆機擺起至返回艙附近,鉆機旋轉(zhuǎn)180°,使鉆具伸入返回艙內(nèi)的樣品箱,鉆具接頭自動脫開并密封樣品箱,完成采樣操作。“Luna-16”共取樣101g,獲得了100%的巖心,月壤樣品保持了巖石的自然層序,很成功。“Luna-20”與“Luna-16”的鉆進參數(shù)完全相同,只是著陸點不同?！癓una-20”鉆探過程持續(xù)了16min,但在鉆至90、150和340mm處出現(xiàn)三次斷電保護,最終在340mm處因電機自動斷電而結(jié)束鉆進。純鉆進時間為4min35s。鉆進速度不均勻(在46～240mm/min間擺動),平均鉆速75mm/min,明顯大于說明書給出的60mm/min。它與“Luna-16”鉆進過程的明顯區(qū)別表明,孔底巖石對巖心管表面的粘附力很不均勻,而且在螺旋通道的間隙中被壓實了;鉆進時螺旋機構(gòu)不能及時排除巖屑,保證孔內(nèi)清潔。最終返回地球的月壤只有55g。應該說“Luna-20”并不很成功。為了在月球上鉆得更深并把樣品帶回來,必須解決2個問題:一是增大鉆壓,二是減小樣品封裝返回容器的尺寸。據(jù)此,前蘇聯(lián)鉆探專家與航天專家合作設計了“Luna-24”新型鉆機。如圖4所示,“Luna-24”新型鉆機固定在登月艙外側(cè)的傾斜滑道上,從而可借助登月艙的自重提供足夠的鉆壓。鉆機進入工作狀態(tài)不必轉(zhuǎn)動機械臂,而是讓鉆機沿著2個與月面垂線成30°的定向滑道向下滑動鉆進斜孔。圖5為“Luna-24”鉆機的結(jié)構(gòu)示意圖,其設計鉆深2500mm,實際鉆深2250mm。階梯式硬質(zhì)合金鉆頭直徑為“Luna-20”的1/3,可減少鉆進能耗。采用三層管結(jié)構(gòu),直徑8mm的巖心裝在柔性內(nèi)管中。鉆機用鋼索提供給進力,鉆進規(guī)程可據(jù)巖石可鉆性在回轉(zhuǎn)與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進狀態(tài)間自動轉(zhuǎn)換。鉆進過程中實時跟蹤孔內(nèi)工況,并具有事故報警功能,隨時將遙測信息(取樣起始時間,月壤強度和孔深等)發(fā)往控制中心并向月表鉆機發(fā)出指令。1976年8月18日,“Luna-24”開始鉆進時是很疏松的月壤。鉆至孔深800mm時月壤阻力增大,但仍可使用回轉(zhuǎn)鉆進方法?？咨?200mm時月壤阻力快速增長,鉆機自動轉(zhuǎn)為沖擊-回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程。從1600～2200mm回轉(zhuǎn)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進規(guī)程輪流變換。此后,鉆頭切入致密地層,鉆進自動停止在2200mm處。全孔平均鉆速15cm/min,月表下約60mm未取上巖心,實際巖心采取率71%。進入返回行程后,裝有巖心的柔管自動進入水平回轉(zhuǎn)的卷鼓螺旋槽中,彈簧把卷鼓推入返回艙樣品箱(圖6)。然后引爆電燃藥筒,炸斷給進機構(gòu)鋼絲繩和支架上的固定端,使鉆機向后仰并和登月艙一起留在月球上。返回艙起飛把月壤樣品送回地球。3我們的任務和對策3.1我國瞳波探測的進展第一次月球探索發(fā)生在“冷戰(zhàn)”時期,當時只有美國和前蘇聯(lián)兩個超級大國參與競爭。現(xiàn)在新一輪的探月熱潮已經(jīng)在全世界興起,美國航空航天局制定了《后阿波羅》月球探索規(guī)劃。俄羅斯提出了重返月球的規(guī)劃。日本、印度等國都發(fā)射了探月飛船,成為月球俱樂部的新貴。我國月球探測大約分為3個階段,第一階段為不載人月球探測,第二階段是載人月球探測,第三階段是建立月球基地。第一階段又稱為“嫦娥工程”,可概括為“繞”、“落”、“回”三期工程,其中,“嫦娥1期”“繞”的任務已圓滿完成,即將實施的“嫦娥2期”將實現(xiàn)探測器月面軟著陸并進行月面勘察,“嫦娥3期”的重點是月球鉆探取樣并返回,為將來實現(xiàn)載人登月和建設月球基地積累經(jīng)驗。3.2外螺旋鉆桿鉆頭外包法(1)在吸收美、蘇當年探月經(jīng)驗的基礎上,在現(xiàn)有技術、經(jīng)濟條件下,研制簡單可靠的月球樣品采集、封裝及轉(zhuǎn)移系統(tǒng),保證返回地球的月壤樣品數(shù)量和質(zhì)量盡可能滿足月球科學研究的要求。(2)借鑒前蘇聯(lián)“Luna-24”的結(jié)構(gòu),保留其可借助登月艙自重提供足夠鉆壓,取樣深度大,樣品封裝返回尺寸小等優(yōu)點,但不能照搬。因為“Luna-24”畢竟是1976年完成的,我們在33年之后應該在此基礎上有所創(chuàng)新。(3)克服“Luna-24”方案的缺點。其巖心直徑為8mm,實際鉆深2250mm,巖心長度1600mm,樣品重170g。如果按長度計算巖心采取率為71%,而按樣品容積計算巖心采取率僅為53%。這表明,裝巖心的柔性內(nèi)管約有一半沒有充滿。我們耗巨資進行月壤鉆探,如果有近一半的內(nèi)管容積是空的,將是極大的浪費。出現(xiàn)這種結(jié)果的主要原因是柔性內(nèi)管纏繞在小直徑卷鼓上必然會變扁(參見圖6),使月壤顆粒往下被擠掉。同時,使樣品不能保持月壤的原狀結(jié)構(gòu)。(4)為了取回更多的深部月球樣品,必須采用雙層管或三層管(硬管或柔管)取心結(jié)構(gòu),不僅要求長度采樣率,還要保證較高的容積采取率,并較好地保持月壤的原狀結(jié)構(gòu)。最終僅帶回樣品內(nèi)管,把鉆頭和外螺旋鉆桿留在月壤內(nèi),既可減輕返回艙質(zhì)量,又不必考慮進尺過快起拔外管困難的問題。(5)優(yōu)化設計專用螺旋鉆頭、螺旋外管的螺距、螺寬和螺旋角——以利于排屑。針對松散月壤設計專用卡取裝置,既保證采取率,又不增加回轉(zhuǎn)扭矩。(6)貫徹“技術上可實現(xiàn),經(jīng)濟上可承受,代表國家水平”的“嫦娥3期”工程指導思想,在制定鉆探技術方案的過程中,必須遵循:可靠性與經(jīng)濟性優(yōu)先原則、廣