姜生元，劉君巍，張偉偉，鄧宗全，賴小明，鄧湘金，赫梅列夫·弗拉基米爾，戈雷赫·羅曼

(1.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱150001；2.中國空間技術研究院，北京100090；3.阿爾泰國立技術大學比斯克工藝研究院，比斯克659305)

1 引言

月球是地球唯一的天然衛(wèi)星，因其獨特的自然環(huán)境與礦產(chǎn)資源，成為人類開展星球探測的主要目標[1-3]。進入21世紀以后，隨著空間技術的進步和空間應用需求的擴展，美國航空航天局(NASA)、歐洲航天局(ESA)、俄羅斯航天局(RAKA)和日本宇宙航空研究開發(fā)機構(JAXA)等國際航天機構都制定了各具特色的載人登月探測計劃[4-7]。

采樣探測作為人類勘查月球資源分布情況、獲知月球形成與演化過程的重要手段，在空間探測任務中被廣泛應用[6-8]。與無人采樣探測任務相比，有人參與的月面采樣探測任務內(nèi)涵更加豐富，探測手段更加全面，探測過程更加靈活，探測能力也更加強大。同時，載人登月模式也會為采樣探測任務帶來新的機遇與挑戰(zhàn)[9-11]。

本文基于月球資源探測技術發(fā)展現(xiàn)狀，分析月面人機聯(lián)合采樣探測面臨的新挑戰(zhàn)及未來發(fā)展趨勢，提出載人登月模式下月面采樣探測任務構想，以期為我國載人登月科學探測任務論證提供參考。

2 月球資源探測技術發(fā)展概述

月球資源探測活動可追溯到20世紀60年代，根據(jù)探測方式差異，有遙感探測、采樣返回分析和原位采樣探測等類型。半個多世紀以來，人類利用上述探測方式開展了百余次月球探測活動，獲得了380多千克月球樣品，科學家對這些樣品進行測試分析并結合遙感數(shù)據(jù)，正在逐漸揭示月球的秘密[11-14]。

2.1 環(huán)月遙感探測

環(huán)繞遙感探測是對月球資源進行測繪的重要手段，未來的發(fā)展趨勢是利用遙感衛(wèi)星或者星座技術進行在軌多點探測和立體測繪。

1994年美國發(fā)射克萊門汀探測器，目的是在長時間暴露的太空環(huán)境下測試傳感器和航天器部件，并對月球和近地小行星1620進行科學觀測。探測器上搭載了紫外/可見光相機、近紅外相機、激光雷達、長波紅外相機、星跟蹤器相機等有效載荷。該任務獲得了月球數(shù)字高程模型和全月高分辨率多光譜圖像，取得大量詳細、精確的月球探測數(shù)據(jù)。從軌道器向月表發(fā)射雷達回波信號，在地球上接收反射回來的雷達波，根據(jù)回波信號反演出月球表面物質(zhì)的相關性質(zhì)(圖1)。它第一次獲得了月球南極可能存在水冰物質(zhì)的直接探測證據(jù)，但有些學者認為這種回波異常并不一定是由水冰物質(zhì)引起的[15-17]。

圖1 克萊門汀號及其雙站雷達探測原理Fig.1 Schematic diagram of the Clementine detector and its dual station radar

1998年美國發(fā)射月球勘探者探測器，它是一個近月低軌環(huán)繞探測器，通過遙感探測方式獲得月球表面磁場、重力場、月球脫氣以及極區(qū)冰沉積物分布等數(shù)據(jù)。該探測器搭載了伽馬射線光譜儀、中子能譜儀、阿爾法粒子能譜儀、多普勒重力實驗儀、磁力計及電子反射計等有效載荷。伽馬射線光譜儀探測月球鐵、鈾、鉀、鈦、硅、鋁、鈣和釷等金屬元素的含量，并成功反演了月球礦物元素的分布狀況[18]。中子能譜儀用于月球氫分布探測，以此來推測月球中水的存在。探測結果表明，月球兩極存在豐富的氫元素，而且北極的氫信號比南極的稍強(圖2)。但也有不同的觀點認為，上述氫元素信號的存在并不一定代表月球含有水，可能是其他含氫化合物或者羥基。

圖2 月球勘探者探測到的月球70°～90°N和70°～90°S中子通量(反映氫含量)分布結果Fig.2 The distribution of neutron flux(reflecting hydrogen content)of the Moon 70°～ 90°N and 70°～90°Sdetected by Lunar Prospectors

2003年ESA發(fā)射Smart-1探測器，搭載了光譜儀和相機等多種載荷，用于研究月球地形、地貌及礦物學特征，并進一步探究月球南極是否存在水。

2005年美國發(fā)射深度撞擊號(包含飛掠器和撞擊器兩部分)探測器，搭載了高分辨率相機和中分辨率相機(圖3)。高分辨率相機具有光譜成像模塊(包括可見光相機、濾光輪及成像紅外光譜儀)，可檢測波長為1.05～4.8μm的光譜。深度撞擊號在發(fā)射幾天后，在奔赴彗星的途中對月球開展了短暫的遙感探測。在飛掠月球時，利用紅外光譜儀對月球進行遙感分析，在極區(qū)的表面發(fā)現(xiàn)疑似H2O/-OH的信號[19-22]。

圖3 深度撞擊號探測器Fig.3 Schematic diagram of the Deep impact

2008年印度月船一號探測器成功發(fā)射。主要目的是探測月球表面成分(包括極區(qū)冰沉積物、磁場、重力場、月球脫氣)。它搭載了超光譜圖像儀、三維地貌立體測繪相機、激光高度計、合成孔徑雷達和月球礦物質(zhì)繪圖儀等多種儀器。利用月表高空間分辨率數(shù)據(jù)繪制月球正面和背面的三維地圖，探測極區(qū)是否存在水冰物質(zhì)，繪制月表高空間分辨率的化學物質(zhì)和礦物質(zhì)分布圖，并開展月球撞擊試驗，為未來月表軟著陸探測任務提供實施依據(jù)。通過對月球礦物質(zhì)繪圖儀獲得的近紅外光譜數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)幾乎在月球上所有緯度區(qū)域都存在羥基或水的光譜信號[22-23]。

2009年美國發(fā)射LRO&LCROSS探測器(圖4)。LRO主要用于獲得全月地圖，了解月球的輻射環(huán)境，測量月表熱能發(fā)射(為未來月表實驗和探測提供信息)，獲得月表高分辨率遙感影像。LCROSS旨在收集和傳遞運載火箭撞擊月球南極Cabeus坑產(chǎn)生的碎屑羽流數(shù)據(jù)。它搭載了近紅外光譜儀、近紅外攝像機、中紅外攝像機和光度計等多種探測儀器。運載火箭撞擊月球后產(chǎn)生的侵徹熱量能促進月壤中產(chǎn)生揮發(fā)物質(zhì)，利用儀器對揮發(fā)物羽流進行觀測分析，發(fā)現(xiàn)月球南極水冰含量高達 5.6%±2.9%，揮發(fā)物中水物質(zhì)占比77%[24-26]。

圖4 LRO&LCROSS探測器示意圖Fig.4 Schematic diagram of LRO&LCROSS detector

2007年我國成功發(fā)射了嫦娥一號衛(wèi)星。這是我國發(fā)射的第一個月球軌道探測器，也是我國“繞、落、回”探月工程的第一步。嫦娥一號搭載了24臺科學載荷，包括微波探測儀系統(tǒng)、X射線譜儀、γ射線譜儀、激光高度計、干涉成像譜儀等，用于獲取月球表面的三維立體影像，分析月球表面有用元素的含量和物質(zhì)類型的分布特點，探測月壤的厚度和地球至月球的空間環(huán)境。嫦娥一號首次利用CCD立體相機獲得了120 m分辨率全月球影像圖、三維月球地形圖，包括月球的南極、北極。月球三維立體圖像的獲得在全世界范圍內(nèi)尚屬首次。此外，嫦娥一號的X射線譜儀和γ射線譜儀可實現(xiàn)月球透視探測，探明14種有用元素在全月球上的含量與分布特征[27-29]。

2010年我國第二顆探月衛(wèi)星——嫦娥二號成功發(fā)射。嫦娥二號作為嫦娥一號的備份星，搭載的科學載荷的性能指標較嫦娥一號同類儀器有了很大提升。嫦娥二號取得了空間分辨率7 m的全月球圖像、多種元素月面分布圖等多項重要科學成果，獲得了迄今為止國際上分辨率最高、最清晰的全月立體圖像[27，30-33](圖5)。

上述遙感探測成果為人類認知月表資源廣域分布、地月空間環(huán)境及月球演化歷史提供了初步依據(jù)。但是受限于遙感方式的遠距離、非接觸、干擾因素多、數(shù)據(jù)具有多解性和精度等級較低等原理性制約，人類對月球資源及其特性的縱深分布情況尚缺乏準確認知，對月球水冰物質(zhì)的賦存狀態(tài)、縱深分布情況及其力/電/熱學等特性的了解不多。

2.2 采樣返回分析

1970至1972年間，蘇聯(lián)共發(fā)射3顆月球采樣返回探測器(圖6)。Luna 16與Luna 20采用了空心鉆桿式采樣裝置，采樣指標見表1。通過鉆桿的外螺旋排除鉆屑，中間的巖芯樣品通過貫入方式進入鉆桿內(nèi)腔。Luna 16和Luna 20分別取回了101 g和55 g月壤樣品。

Luna 24探測器采用了雙管雙袋式鉆取采樣裝置，鉆具直徑為31 mm，取芯直徑為8 mm。設計鉆深為2.5 m，實際鉆深2.25 m，采樣質(zhì)量170 g。通過對Luna 24采樣返回的樣品進行分析，發(fā)現(xiàn)其中含有0.1%的水[34-35]。

圖5 嫦娥二號衛(wèi)星獲取的全月圖Fig.5 Complete moon map obtained by Chang e II

圖6 Luna 16/20采樣探測器Fig.6 Luna 16/20 sampling detector

表1 蘇聯(lián)Luna系列月面無人自主鉆取采樣指標Table 1 Technical indexes of lunar surface unmanned automatic sampling in Luna series of Former Soviet Union

1969至1972年間，美國阿波羅任務成功實現(xiàn)了6次載人登月(圖7)，獲得了2196個單獨的巖土樣品，總重量為381.7 kg。在Apollo 11、12、14任務中，航天員采用貫入式取芯管采樣，用手動錘擊約50次，實現(xiàn)70 cm深度月壤樣品的采集。在Apollo 15、16、17任務中，采用ALSD回轉沖擊鉆機，在航天員的操控下實現(xiàn)了3.25 m深度月壤的鉆進取樣任務[14，36-37]。

圖7 Apollo 11、12探測器Fig.7 Apollo 11 and 12 detectors

我國發(fā)射的嫦娥三號和四號月球軟著陸探測器獲得了月球地質(zhì)和礦物資源等探測數(shù)據(jù)，為后續(xù)我國月球采樣勘察探測及月球基地建設奠定了基礎[38-39]。此外，擬發(fā)射的嫦娥五號是我國首個月面無人采樣返回探測器，它由軌道器、返回器、著陸器、上升器4部分組成，預計實現(xiàn)月面取樣返回任務[17，40-41]。鉆/表復合式采樣技術是嫦娥五號采樣探測的技術亮點，可通過一次任務同時獲得次表層(鉆取)、表層(鏟坑)2種形態(tài)的月壤樣品，預計總采樣量約2 kg。機械臂可獲得多點表層月壤樣品。鉆取采樣裝置預計鉆深2 m，采用雙管單袋取心裝置，可保持縱深月壤剖面的層序信息。

通過對采回的月球樣品進行實驗室分析，深化了人類對月壤力學、物理和化學性質(zhì)的直接認識，為人類開展月球科學研究提供了最直接的證據(jù)。有鑒于此，采樣返回將是未來深空探測中最受關注的技術手段之一。

2.3 原位采樣探測

因采樣返回任務的工程代價較大，且存在返回物的污染防控等難題，星壤物質(zhì)的原位探測方法應運而生。原位采樣探測裝置一般搭載于著陸在地外天體的著陸器、星球車等智能裝備上，利用采樣機具獲取表層或次表層星壤樣品，傳送至分析儀器進行現(xiàn)場分析，或者在采樣機具上直接搭載綜合物性感測器件進行原位探測，最終將探測數(shù)據(jù)傳回地球。

針對月球和火星水物質(zhì)探測需求，美國正在研制一種移動式就位取水裝置(Mobile In-Situ Water Extractor，MISWE，圖8)。該裝置利用深槽螺旋鉆提取出淺表層月壤，然后將其轉移至處理艙進行加熱，提取出月壤中的水分。圖9為處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖。在模擬火星條件下，在40 min內(nèi)，消耗0.9 Whr/g能量，提取土壤中92%的水[42-43]。

圖8 移動就位取水器Fig.8 Mobile in-suit water extractor

圖9 處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖Fig.9 Sectional view of process chamber component，cold trap tank and auger

ESA正與俄羅斯航天局合作，計劃在2020年發(fā)射Luna 27號著陸器，并著陸于南極艾肯盆地。其主要任務是勘探永久陰影區(qū)的礦物、揮發(fā)物組分和水冰，以研究月球資源就位利用的可行性[44]。ESA將提供全新設計的自動登陸系統(tǒng)以及一個勘探載荷包(包括鉆探、取樣、送樣、處理、分析)。由意大利Finmeccanica公司設計的鉆機可鉆取1～2 m深的水冰-月壤混合物，然后送至由英國OPEN大學研制的化學分析腔進行成分分析。目前研究團隊已經(jīng)利用模擬月壤在133 K環(huán)境下進行了鉆機取樣測試。此外，他們還計劃在2020年發(fā)射ExoMars二期任務，進行太空生物和地球化學研究，并開展火星氣候演化的長期研究[45-48]。

3 月面人機聯(lián)合探測發(fā)展建議

繼美國Apollo載人月球探測之后，我國也正在開展載人月球探測工程的論證工作，航天員在月面開展人機聯(lián)合采樣探測是值得研究的重要課題。

在月球科學與現(xiàn)代技術飛速發(fā)展的21世紀，我國月面人機聯(lián)合采樣探測的科學目標和任務模式，不應該照搬美國Apollo任務，應具有中國特色。在綜合月球資源遙感探測、采樣返回分析、原位采樣探測等國際先例的基礎上，結合我國載人登月的歷史背景和技術基礎現(xiàn)狀，提出以下4個方面的建議：

1)探測區(qū)域選址。月球兩極是開展月面人機聯(lián)合采樣探測的理想?yún)^(qū)域。針對月球極區(qū)水冰在月壤剖面中的賦存與分布狀態(tài)、品位和儲量進行原位探測，為無人月球基地選址提供先驗數(shù)據(jù)是當前月面原位采樣技術的熱點問題，其難點是在缺少光照的環(huán)境條件下，如何讓采樣設備正常開展工作。相較于淺層月壤采樣探測，次表層和深達基巖的深層月壤剖面采樣和原位探測更具科學價值。相較于局部、單點的采樣探測，實施“廣域+縱深”相互關聯(lián)的采樣探測，對揭示月球資源賦存和環(huán)境參量分布特性具有更加重要的科學價值。

2)科學目標。以往的月面采樣探測任務主要關注月壤、月巖樣品的采集和分析。我國擬實施的月面人機聯(lián)合采樣探測活動，應更加關注月球水冰、揮發(fā)分和稀有氣體等典型物質(zhì)的無污染采集和原位探測，以及次表層月壤熱學/電學/化學等綜合物性分布的科學探測。

3)操控作業(yè)。美國的航天員月面采樣探測主要采用人工方式實施探測機具的布置和采樣探測，在新時代的載人登月模式下，航天員加智能機器人的人機聯(lián)合探測模式，具有安全性高、任務拓展性強、科學產(chǎn)出效能高等優(yōu)勢，需在任務規(guī)劃中予以高度重視。

4)作業(yè)裝備。我國的月面人機聯(lián)合采樣探測裝備應具有創(chuàng)新性。除了基本采樣作業(yè)所需的樣品辨識工具、采樣作業(yè)過程記錄工具、樣品采集與封裝工具外，還應大力開展次表層樣品低擾動、高保真取樣工具、月壤剖面典型物質(zhì)和綜合物性原位探測工具、航天員現(xiàn)場操控大尺度鉆探工具、機器人化采樣探測工具的新概念和新方案研究。

4 月面人機聯(lián)合采樣探測任務設想

根據(jù)我國月球探測任務需求和采樣探測技術發(fā)展情況，將未來載人登月活動中采樣探測任務劃分為小規(guī)模、中等規(guī)模、大規(guī)模3個任務階段，并據(jù)此提出月表樣品采樣探測、廣域分布式原位探測、月壤大深度剖面科學鉆探的任務設想。

4.1 月表樣品采樣探測

在載人登月任務初期階段，考慮到航天器的搭載能力及采樣探測技術成熟度，應重點保證航天員的安全返回。航天員的活動范圍有限，任務目標也相對簡單。航天員需采用易于攜帶與操控、質(zhì)量小、功耗低并具有多功能特性的采樣探測裝置。為充分利用探測工具及有限月面作業(yè)時間，航天員月面勘查與采樣作業(yè)工具包的開發(fā)與利用極其重要。

1)航天員月面采樣作業(yè)工具包。其功能是實現(xiàn)對不同類型表層樣本的采集?？紤]到不同類型樣本的甄選與采集需求，研制適用于航天員操作的采樣作業(yè)探測工具(圖10)，如手持設備或可穿戴設備。手持設備是針對表層、淺表層散體顆粒狀月壤、月巖對象的采集工具，滿足廣域和縱深樣本采集的需求。采樣工具設計需要充分考慮航天員的月面活動能力與人機工程學，并滿足易于攜帶、易于操控、質(zhì)量小、功耗低、可組合使用、功能多的特點，如采樣作業(yè)工具手柄可與多種類型的采樣作業(yè)工具頭組合使用，而采樣作業(yè)工具手柄本身也可獨立實現(xiàn)采樣作業(yè)功能。

此外，需要配合手持式設備的特定輔助工具，以便配合手持設備的使用。如兼?zhèn)鋭澗€、放大鏡、毛刷等多種功能的劃線器，兼具日晷儀、紅旗標簽筒等功能的比色卡，以及兼具樣本采集與存儲功能的封裝容器。

可穿戴設備是一種集成式月面采樣探測工具(圖11)，將航天員從攜帶繁多工具中解放出來，但需要充分考慮人機工程學問題。在月面上，航天員可通過手指操作集成式采樣探測工具來輕松、高效地實現(xiàn)對樣本的打磨、鉆進、破碎、采集、掃描、拍照和巖石層理分析等多樣工作。

圖10 航天員月面勘查與采樣作業(yè)工具包系統(tǒng)設想Fig.10 Concept of lunar exploration and sampling toolkit system for astronauts

圖11 航天員可穿戴式集成采樣器Fig.11 Integrated wearable sampler for astronauts

2)月面人機智能交互系統(tǒng)。其功能是解決航天員在月面環(huán)境下的感觀失真和樣品甄別問題，保障航天員月面操控作業(yè)的準確性和安全性。在采樣作業(yè)工具中嵌入分布式多源傳感器，考慮電磁兼容、真空環(huán)境、極端溫度等特殊環(huán)境對傳感器測試精度的影響。利用短距離、低復雜度、低功耗、高可靠性的空間雙向無線網(wǎng)絡技術，將應變、位移、溫度等傳感器有機結合，實現(xiàn)多傳感器信息的有效融合。通過智能計算、統(tǒng)計、可視化及數(shù)據(jù)庫等技術進行數(shù)據(jù)分析、管理，將工具中不同傳感器反饋的信息高效、合理地綜合成統(tǒng)一的特征表達信息，實現(xiàn)特征數(shù)據(jù)圖像化顯示及人機交互，為航天員采樣作業(yè)智能決策提供可靠信息，保障航天員月面操控作業(yè)的準確性。

3)月壤/月巖樣本辨識與分析系統(tǒng)。其功能是對采集的樣品進行月面原位辨識與分析。受搭載能力及科學載荷的原位分析過程中的環(huán)境制約，利用科學儀器對采集到的具有代表性或重要研究價值的樣本進行及時有效的科學分析存在困難，有必要開發(fā)一種基于航天員人工月面采樣作業(yè)樣本辨識與分析裝置。月面采樣作業(yè)過程中，航天員利用工具包中攜帶的樣本類型比對器對樣本類型進行初步辨識。利用與采樣工具集成的相機對樣本進行拍照，并通過樣品測試工具對密度、質(zhì)量、硬度等物理特性進行初步測定。通過比對與質(zhì)地測定兩個過程，篩選有價值的樣品。進一步利用采樣工具對大塊樣本進行破碎，采集符合尺寸、質(zhì)量大小要求的樣本，并利用科學儀器對其化學成分等特性進行原位分析。

4.2 廣域分布式原位探測

在載人登月任務中期階段，載人登月探測技術進一步發(fā)展，搭載能力會有大幅度提高，任務周期也會大幅延長。中等規(guī)模的月面人機聯(lián)合探測模式，將配備機動月球車等月面移動裝備，提升航天員在月面活動范圍和探測能力，采樣探測工具也更多樣化，航天員可在月面廣域范圍開展分布式原位探測任務(圖12)。一方面可通過月球車等機動設備對廣域多點開展表層、淺層樣品采集作業(yè)，增加樣品采集量，同時也提升樣品的多樣性；另一方面，也可在月面多個位置處布置自動化月壤剖面貫入、鉆探基站，對次表層月壤機械力學特性、月表熱流、月震等科學目標開展原位探測。獲取月面廣域的分布式探測數(shù)據(jù)，有利于對月球科學的全面認識，也能提高我國載人登月任務的科學顯示度。

圖12 月面廣域分布式原位探測設想Fig.12 Concept of wide-area and distributed in-situ exploration

4.3 大尺度剖面科學鉆探

在長期駐留人機聯(lián)合探測階段，將配備類型更多、功能更豐富的探測設備，具備針對月壤對象開展深入探測與原位利用的能力。遙感探測表明，月壤厚度在6～20 m左右。采用繩系式掘進、器基大尺度深孔鉆等作業(yè)系統(tǒng)突破這層月壤，實施直達基巖的月球深鉆(圖13)，在鉆進過程中實施典型位置樣品的高保真取樣、鉆進全程的熱流分布原位探測、典型揮發(fā)分的原位探測等任務，對月球演化與生命起源科學認知及未來月球活動與資源利用具有重大的科學價值和工程意義。

圖13 大尺度月壤剖面科學鉆探任務設想Fig.13 Concept of scientific drilling mission for large-depth profile of lunar regolith

5 結論

1)遙感探測、采樣返回和原位探測是開展月球資源探測的主要技術手段，3種手段的關聯(lián)應用將會產(chǎn)生更大的科學效益。遙感探測的發(fā)展趨勢是針對典型資源的多點探測和立體測繪；采樣返回的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)原質(zhì)原位的高保真取樣與封裝；原位探測的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)廣域與縱深相結合的原位綜合物性數(shù)據(jù)探測。

2)月面人機聯(lián)合采樣探測是載人登月工程的任務亮點。月球極地月壤剖面中水冰物質(zhì)的賦存與分布特性的原位勘查將成為未來的科學亮點，開展廣域與縱深相關聯(lián)的采樣探測任務規(guī)劃，并據(jù)此開展作業(yè)工具創(chuàng)新研究具有重要意義。

3)針對未來載人登月采樣探測任務，提出的月表樣品采樣探測工具包、廣域分布式原位探測系統(tǒng)、大縱深月壤剖面科學鉆探裝置等任務設想，可為我國未來載人登月工程任務規(guī)劃、采樣探測方案論證提供參考。