鄢泰寧,冉恒謙,段新勝

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

宇宙探索與鉆探技術(shù)

鄢泰寧1,冉恒謙2,段新勝1

(1.中國地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉,湖北武漢 430074;2.中國地質(zhì)科學(xué)院勘探技術(shù)研究所,河北廊坊 065000)

鉆探技術(shù)已成為人類探索宇宙的首批技術(shù)之一。以月球鉆探為例,論述了外星球鉆探的特點(diǎn)和難點(diǎn);介紹了美國、前蘇聯(lián)鉆探專家與航天專家合作研制的輕便、高可靠性、全自動(dòng)月表取樣鉆機(jī)及其鉆進(jìn)工藝的現(xiàn)狀;分析了各種鉆進(jìn)方案的優(yōu)缺點(diǎn);結(jié)合我國將要實(shí)施的“嫦娥 3期”工程,就月球自動(dòng)采樣并返回技術(shù)提出了設(shè)想。

宇宙探索;嫦娥工程;月球鉆探;取樣返回

編者按:2004年 2月 13日我國公布首次探月計(jì)劃——嫦娥計(jì)劃,計(jì)劃分“繞”、“落”、“回”3個(gè)發(fā)展階段。目前,第一階段已圓滿完成。不久將實(shí)施“嫦娥 2期”、“嫦娥 3期”工程,實(shí)現(xiàn)月球探測(cè)器在月面軟著陸并進(jìn)行月面勘察,完成月球自動(dòng)采樣并返回。嫦娥計(jì)劃令全球華人感到歡欣鼓舞,我們鉆探工作者更是對(duì)月球鉆探取樣技術(shù)充滿興趣,躍躍欲試。為此,本刊約稿發(fā)表下文,以饗讀者。

1 問題的提出

以前,人們僅強(qiáng)調(diào)鉆探是地學(xué)研究、資源勘探開發(fā)、城鎮(zhèn)建設(shè)、災(zāi)害防治的重要技術(shù)手段,對(duì)于它在宇宙探索中的意義卻知之甚少。其實(shí),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(hào)、“機(jī)遇”號(hào)又登上了火星,自動(dòng)鉆成了深 217 mm、直徑 45 mm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(shù)之一感到非常自豪。

確切地說,鉆探為宇宙探索服務(wù)并非從 1969年才開始,而是可以追溯到 20世紀(jì)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?zé)龤值氖录?。?dāng)時(shí)首批敢于走向恐怖森林去探險(xiǎn)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(zāi)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(tái)手動(dòng)鉆機(jī)在隕石著陸點(diǎn)附近鉆了 3個(gè)深度達(dá) 34 m的鉆孔。這是人類首次嘗試用鉆探的方法研究宇宙科學(xué)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(diǎn)鉆了幾個(gè)深度達(dá) 200 m的鉆孔。但隨著鉑金隕石預(yù)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(xué)家們感興趣的問題,而是與人類文明前途息息相關(guān)的重大課題。隨著技術(shù)的進(jìn)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(shù)實(shí)質(zhì)性用于深空探索的里程碑。

2 人類實(shí)現(xiàn)月球鉆探的技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 概述

月球是地球的近鄰,它既是一個(gè)理想的深空探測(cè)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(duì)地球資源的重要補(bǔ)充和儲(chǔ)備。迄今人類已完成的月球取樣情況如表 1所示。

表 1 美國、前蘇聯(lián)曾實(shí)現(xiàn)的月球取樣工程信息一覽表

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(diǎn)。

(1)每次取回的月球樣品數(shù)量差別很大 (0105～110 kg)——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(gè)回次取樣,僅靠從地球上遙控月表鉆機(jī)自動(dòng)鉆進(jìn)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(duì)月表鉆機(jī)的自重都有嚴(yán)格限制。

(4)月表鉆機(jī)對(duì)功率消耗有嚴(yán)格限制,無人登月鉆機(jī)動(dòng)力為 280 W,有人登月為 430 W。

(5)與地球鉆探不同,在月球上打鉆還將面臨以下技術(shù)難點(diǎn):

①月表 14 cm以深的月壤很致密,但月表既無空氣又無水,如何及時(shí)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(jī)自重提供鉆壓的方案不可取,如何在月球條件下快速鉆進(jìn)?

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(dòng)封裝、轉(zhuǎn)移巖心,可靠地進(jìn)入返回艙并安全返回地球?

2.2 美國的阿波羅計(jì)劃

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 37918 kg樣品,各個(gè)探月階段所用工具示于表 2。

“阿波羅 -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 15 cm深的樣品 (直徑20 mm)。但無論怎樣用力打擊,取土器都無法達(dá)到更大的深度。宇航員認(rèn)為,1965年設(shè)計(jì)的取土器管靴結(jié)構(gòu)與該深度月壤的強(qiáng)度不適應(yīng),土樣在取土器內(nèi)錐面下被壓實(shí)、變形。為此,“阿波羅 -12”采用改進(jìn)型外錐面取土器,但 3名宇航員仍要花費(fèi) 35～40 min來取樣。再次改進(jìn)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 70 cm處取出了兩份月壤樣品。

表 2 美國阿波羅 -11～17探月所帶的專用工具和設(shè)備一覽表

“阿波羅 -15”～“阿波羅 -17”使用了由宇航員操作的電動(dòng)取樣鉆機(jī),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(jìn)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)。

圖 1 “阿波羅 -15”采用的螺旋鉆桿、硬質(zhì)合金鉆頭和宇航員操作電鉆取樣示意圖

從原理上講這種鉆進(jìn)方法遠(yuǎn)非新技術(shù),它早在20世紀(jì) 50年代就用于工程地質(zhì)勘測(cè)。只是美國人對(duì)鉆機(jī)的質(zhì)量、強(qiáng)度特性和發(fā)動(dòng)機(jī)類型提出了特殊要求。該鉆機(jī)用電池供電,可連續(xù)沖擊回轉(zhuǎn)作業(yè)40 min。用直徑 2612 mm的硬質(zhì)合金鉆頭,鉆進(jìn)深度218 m。在凸輪型沖擊機(jī)構(gòu)給出 416 J沖擊能量、沖擊頻率 2270次 /min、轉(zhuǎn)速 300 r/min的條件下,反扭矩為 2714 N·m。鉆機(jī)自重 (地球質(zhì)量)1118 kg,鉆壓來自鉆機(jī)自重和宇航員的體重。每節(jié)鉆桿長(zhǎng)約017 m,理論鉆速在玄武巖中為 2514 mm/min,在疏松玄武巖中為 127 mm/min,而實(shí)際鉆速小于上述指標(biāo)。

月球鉆渣的質(zhì)量?jī)H為地球的 1/6,對(duì)于鉆進(jìn)是個(gè)有利因素。因?yàn)樵诃h(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(huì)沿鉆桿螺旋上移。也就是說,鉆桿回轉(zhuǎn)速度必須達(dá)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(huì)逐漸失效。

阿波羅計(jì)劃執(zhí)行過程中出現(xiàn)過“阿波羅 -15”鉆至 150 cm后扭矩劇增,“阿波羅 -16”在 72～80 cm段無樣品,80～120 cm段樣品斷斷續(xù)續(xù),“阿波羅-17”在 38～40 cm和 71～80 cm段無樣品等問題。

螺旋鉆具在鉆機(jī)自重和宇航員給進(jìn)力共同作用下,鉆入月壤并不困難 (有如木螺釘),但鉆達(dá)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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 前蘇聯(lián)的 Luna計(jì)劃

圖 2 宇航員利用腳踏板和撬杠將鉆桿和巖心管從孔內(nèi)撬出

如果說美國的月球鉆探主要是靠“傳統(tǒng)鉆進(jìn)方法 +宇航員給進(jìn)操作”,那么前蘇聯(lián)的月球鉆機(jī)則實(shí)現(xiàn)了由地球上遙控的自動(dòng)化鉆進(jìn)。世界上第一次月球自動(dòng)鉆探試驗(yàn)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(jī)的結(jié)構(gòu)相同 ,裝有螺旋給進(jìn)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)式回轉(zhuǎn)器 (圖 3)。鉆機(jī)的主要技術(shù)特性:硬質(zhì)合金鉆頭直徑 26 mm;鉆孔深度35 cm;直流電機(jī)驅(qū)動(dòng);鉆機(jī)自重 (地球質(zhì)量)1118 kg;給進(jìn)方式為差動(dòng)螺旋 (可用于沖擊作業(yè));排屑方式為螺旋方法。鉆機(jī)設(shè)計(jì)者們根據(jù)電動(dòng)機(jī)的比功耗 (破碎 1 cm3月壤的焦耳數(shù))和鉆進(jìn)速度來識(shí)別鉆進(jìn)過程是否正常。

“Luna-16”著陸后,機(jī)械臂將鉆機(jī)置于月表,打開外保護(hù)罩,在傳動(dòng)裝置和鉆機(jī)自重作用下 (70～80 N)沿與垂線成 15°的方向傾斜鉆進(jìn),根據(jù)遙測(cè)的數(shù)據(jù),鉆進(jìn)速度超過了計(jì)算值,平均達(dá) 611 cm/min。經(jīng)過 6 min 14 s孔深達(dá) 35 cm(達(dá)到設(shè)計(jì)深度),啟動(dòng)鉆機(jī)的反向行程,沖擊裝置自動(dòng)終止沖擊。確認(rèn)樣品進(jìn)入鉆具后,機(jī)械臂將鉆機(jī)擺起至返回艙附近,鉆機(jī)旋轉(zhuǎn) 180°,使鉆具伸入返回艙內(nèi)的樣品箱,鉆具接頭自動(dòng)脫開并密封樣品箱,完成采樣操作?！癓una-16”共取樣 101 g,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(jìn)參數(shù)完全相同,只是著陸點(diǎn)不同。“Luna-20”鉆探過程持續(xù)了16 min,但在鉆至 90、150和 340 mm處出現(xiàn)三次斷電保護(hù),最終在 340 mm處因電機(jī)自動(dòng)斷電而結(jié)束鉆進(jìn)。純鉆進(jìn)時(shí)間為 4 min 35 s。鉆進(jìn)速度不均勻(在 46～240 mm/min間擺動(dòng)),平均鉆速 75 mm/min,明顯大于說明書給出的 60 mm/min。它與“Lu-na-16”鉆進(jìn)過程的明顯區(qū)別表明,孔底巖石對(duì)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(shí)了;鉆進(jìn)時(shí)螺旋機(jī)構(gòu)不能及時(shí)排除巖屑,保證孔內(nèi)清潔。最終返回地球的月壤只有 55 g。應(yīng)該說“Luna-20”并不很成功。

圖 3 “Luna-16”與“Luna-20”鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

為了在月球上鉆得更深并把樣品帶回來,必須解決 2個(gè)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(shè)計(jì)了“Luna-24”新型鉆機(jī)。

如圖 4所示,“Luna-24”新型鉆機(jī)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(jī)進(jìn)入工作狀態(tài)不必轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械臂,而是讓鉆機(jī)沿著 2個(gè)與月面垂線成 30°的定向滑道向下滑動(dòng)鉆進(jìn)斜孔。

圖 4 “Luna-24”登月艙及其新型鉆機(jī)外形圖

圖 5為“Luna-24”鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,其設(shè)計(jì)鉆深 2500 mm,實(shí)際鉆深 2250 mm。階梯式硬質(zhì)合金鉆頭直徑為“Luna-20”的 1/3,可減少鉆進(jìn)能耗。采用三層管結(jié)構(gòu),直徑 8 mm的巖心裝在柔性內(nèi)管中。鉆機(jī)用鋼索提供給進(jìn)力,鉆進(jìn)規(guī)程可據(jù)巖石可鉆性在回轉(zhuǎn)與沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)狀態(tài)間自動(dòng)轉(zhuǎn)換。鉆進(jìn)過程中實(shí)時(shí)跟蹤孔內(nèi)工況,并具有事故報(bào)警功能,隨時(shí)將遙測(cè)信息 (取樣起始時(shí)間,月壤強(qiáng)度和孔深等)發(fā)往控制中心并向月表鉆機(jī)發(fā)出指令。

圖 5 “Luna-24”鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1976年 8月 18日,“Luna-24”開始鉆進(jìn)時(shí)是很疏松的月壤。鉆至孔深 800 mm時(shí)月壤阻力增大,但仍可使用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法?？咨?1200 mm時(shí)月壤阻力快速增長(zhǎng),鉆機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)為沖擊 -回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)規(guī)程。從 1600～2200 mm回轉(zhuǎn)和沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)規(guī)程輪流變換。此后,鉆頭切入致密地層,鉆進(jìn)自動(dòng)停止在 2200 mm處。全孔平均鉆速 15 cm/min,月表下約 60 mm未取上巖心,實(shí)際巖心采取率 71%。

進(jìn)入返回行程后,裝有巖心的柔管自動(dòng)進(jìn)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(jìn)機(jī)構(gòu)鋼絲繩和支架上的固定端,使鉆機(jī)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。

圖 6 帶巖心的柔管在卷鼓上纏繞的實(shí)物圖

3 我們的任務(wù)及對(duì)策

3.1 任務(wù)

第一次月球探索發(fā)生在“冷戰(zhàn)”時(shí)期,當(dāng)時(shí)只有美國和前蘇聯(lián)兩個(gè)超級(jí)大國參與競(jìng)爭(zhēng)?，F(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(cè)大約分為 3個(gè)階段,第一階段為不載人月球探測(cè),第二階段是載人月球探測(cè),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(wù)已圓滿完成,即將實(shí)施的“嫦娥 2期”將實(shí)現(xiàn)探測(cè)器月面軟著陸并進(jìn)行月面勘察,“嫦娥 3期”的重點(diǎn)是月球鉆探取樣并返回,為將來實(shí)現(xiàn)載人登月和建設(shè)月球基地積累經(jīng)驗(yàn)。

3.2 設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

(1)在吸收美、蘇當(dāng)年探月經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,在現(xiàn)有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下,研制簡(jiǎn)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(xué)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(diǎn),但不能照搬。因?yàn)椤癓una-24”畢竟是 1976年完成的,我們?cè)?33年之后應(yīng)該在此基礎(chǔ)上有所創(chuàng)新。

(3)克服“Luna-24”方案的缺點(diǎn)。其巖心直徑為 8 mm,實(shí)際鉆深 2250 mm,巖心長(zhǎng)度 1600 mm,樣品重 170 g。如果按長(zhǎng)度計(jì)算巖心采取率為 71%,而按樣品容積計(jì)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(jìn)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(fèi)。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(huì)變扁 (參見圖 6),使月壤顆粒往下被擠掉。同時(shí),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(zhǎng)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(jìn)尺過快起拔外管困難的問題。

(5)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)松散月壤設(shè)計(jì)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(shù)上可實(shí)現(xiàn),經(jīng)濟(jì)上可承受,代表國家水平”的“嫦娥 3期”工程指導(dǎo)思想,在制定鉆探技術(shù)方案的過程中,必須遵循:可靠性與經(jīng)濟(jì)性優(yōu)先原則、廣泛借鑒與自主創(chuàng)新相結(jié)合原則、滿足探測(cè)器系統(tǒng)約束的原則。

3.3 展望

外星球鉆探難度最大的當(dāng)數(shù)金星鉆探。原則上可利用月球取樣裝置,但金星表面很堅(jiān)硬,要用重型鉆機(jī);而且表面溫度很高,需要增加冷卻裝置、結(jié)實(shí)的密封艙和自適應(yīng)操作程序。所以,真正實(shí)現(xiàn)金星鉆探還很遙遠(yuǎn)。

當(dāng)務(wù)之急是國內(nèi)鉆探界要把“嫦娥工程”月球鉆探取樣當(dāng)作份內(nèi)的事,如果我們不發(fā)出聲音,不拿出預(yù)研究的成果,那么整個(gè)以鉆探為職業(yè)的群體將很難在國家重大工程中發(fā)揮作用。所以我們衷心希望廣大青年鉆探專家投身這項(xiàng)國家標(biāo)志性工程,為國家和鉆探事業(yè)做出貢獻(xiàn)。

[1] 編輯部.俄羅斯專家談前蘇聯(lián)探月計(jì)劃[J].世界科學(xué),2005,(5):13-16.

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Un iverse Exploration and Drilling Techn ique

YAN Tai-ning1,RAN Heng-qian2,DUAN Xin-sheng1(1.China University of Geosciences,Wuhan Hubei 430074,China;2.The Institute of Exploration Techniques,CAGS,Langfang Hebei 065000,China)

Drilling has been one of the first batch of techniques for human universe exploration.Take the example of lunar drilling,the paper discussed the drilling characteristics and the difficulties in other celestial bodies;introduced the light,reliable and automatic lunar2surface samplingmachine,which was developed by the drilling experts and aerospace experts ofUS and the for mer Soviet,and the status of drilling technology;analyzed the advantages and disadvantages of various drilling schemes and proposed some ideas to the auto sampling and returning technology for“the Third-phase of Chang’e Program”.

universe exploration;Chang’e Program;lunar drilling;sampling and returning

P634

A

1672-7428(2010)01-0003-05

2009-12-14

鄢泰寧 (1945-),男 (漢族),江西南昌人,中國地質(zhì)大學(xué) (武漢)教授、博導(dǎo),俄羅斯自然科學(xué)院外籍院士,享受國務(wù)院特殊津貼,探礦工程專業(yè),長(zhǎng)期從事鉆探工程教學(xué)與科研工作,湖北省武漢市魯磨路 388號(hào),tnyan@cug.edu.cn。