月球以其特殊的空间位置、广阔的科学探索前景及丰富的资源，成为人类进行深空探测的“前哨”^[1]。美国和前苏联从20世纪60年代开始进行月球探测科学试验，目的是“观天、看地、测月”，探索人类未来空间，获取资源、能源，揭示月球、地球及太阳系演化规律^[2-3]。1959年起，前苏联相继发射了24个Luna系列月球探测器，其中17个获得了成功^[4]。1961年起，美国实施Apollo探月工程，相继发射了17个Apollo探测器，其中Apollo11成功实现了人类首次登陆月球，开启了人类探月的新时代^[5]。2019年1月3日，中国“嫦娥四号”月球探测器实现人类首次月球背面软着陆，标志着中国成为第3个成熟掌握探月技术的国家^[6]。欧盟、日本、印度、以色列等国家（或区域）也相继开展月球探索工程^[7]。尽管探月工程耗资巨大、困难重重，人类仍不断将月球探测推向深入。2019年5月14日，美国总统特朗普表示，将向美国国家航空航天局（NASA）追加16亿美元的预算，加速探月计划，以在2024年实现载人登月任务，并计划在2028年实现人类长期停留（阿尔忒弥斯（Artemis）探月计划）^[8]。中国最新规划提出将在2025—2030年登陆月球^[9]。

在探月工程的诸多任务中，月球取芯探矿是其中重要内涵之一，通过月球取芯开展月壤/月岩参数性质的研究是深入研究月球地质信息的必要手段。由于月球表面近真空、大温差（–183～127 ℃）、大体量月壤/月尘细微颗粒等极端原位赋存环境，对月球取芯装备的极端环境适应性提出了严苛的要求^[10-11]。尽管美国、前苏联在各自探月工程中已经掌握并使用多种月球取芯技术，并研发了多种取芯装置，如前苏联Luna16采用的摆杆式钻探取样装置、美国Apollo探月工程中使用的地面旋转冲击钻机（ALSD）及美国NASA研发的USDC超声波振动采样取样器^[12-13]，但是这些现有的取样装置受限于取样深度，仅能取到月球表层的松散月壤，未能钻取真正月岩样本。目前人类月球取芯深度最深为3.05 m，由Apollo17探月工程实现^[14]。中国曾规划在探月工程三期“嫦娥五号”月球探测中实现深度2 m并保持层序信息的月壤样品^[15]。但目前人类月球取芯远未达到月壤下面的月岩层（月表5～10 m深度以下）。先进的钻探取芯探矿技术是确保中国开发月球资源、建设月球基地的重要技术保障。

另一方面，上述取芯没有实现月球样本的原位信息保持，不能实现“保真”，月球取样获取的普通月壤/月岩样本脱离月球原位环境，已严重失真。月球普通取芯造成月球样本两大缺陷：一是，普通取芯无法获取原位月壤/月岩成分和赋存状态信息；二是，普通取芯后月壤/月岩直接暴露，造成月球样本污染。所以普通取芯方式缺少了月球地质原位信息的保持，导致月球样本原有信息丢失，无法获取更真实的科学数据，从而限制对月球的研究深度。因此，开展月球保真取芯关键技术、关键装备创新攻关，研发月球保真取芯探矿机器人系统成为未来实现月球原位地质信息获取及资源勘探的重要突破口。

综上所述，尽管人类已开展月球取芯活动，但普遍存在“取不深”和“取不真”两大技术瓶颈。针对月球地质环境，结合机器人系统结构特征，本文首次提出月球大深度保真取芯探矿思路，设计集大深度取芯、保真、存储三位一体的探矿机器人系统，实现月球大深度保真取芯探矿。月球大深度保真取芯探矿机器人系统可获取月面以下20 m深度左右的月壤/月岩样品，并保持月壤/月岩原位赋存特征（成分、温度、形貌等），获得月球样本原位地质信息，实现月球资源储量的准确评估。月球大深度保真取芯是国际上首次在月球实施保持月球岩体原位物理化学特性取芯的重大科技构想，将为人类进行月球及其他行星原位大深度保真取芯提供技术参考。

1 月球地质环境特征

除极少数陨石撞击坑壁有裸露的岩石外，整个月球表面都被月壤覆盖，月壤厚度在月海区平均为5 m，在月陆区约为10 m^[16]。月壤成分主要由碎石、岩屑、玻璃质、角砾等组成^[17]，结构松散、导热系数极低，月壤最上层为约3 cm的真空粉^[18]。

月球表面自然环境特殊、严苛，月球重力仅为地球的1/6，月面真空度高达1.01×10^–12 Pa，月表最高温度127 ℃、最低温度–183 ℃，温差高达310 ℃，月球表面一定深度以下存在恒温层^[19-20]。月球特殊的空间自然环境与月球复杂的地质特征促使月壤/月岩拥有与地球岩土不同的力学特性。在微重力引起的地应力影响下，月壤颗粒表现出强膨胀、大摩擦角等特殊力学特性；极端温度及大温差环境促使月壤内部出现热应力和微裂缝；高真空环境导致了月壤颗粒表面洁净度极高、颗粒间距极小的情形，促使颗粒间范德华力对月壤力学特性的影响凸显出来，将导致月壤抗拉强度和颗粒间黏聚力变弱^[21]。在月球表面大温差、粒子轰击及微流星撞击等特殊作用下，月球表层月壤风化严重，使得月壤的矿物成分和类型更加复杂^[22]。月球的特殊环境使得月壤的粒度分布范围较宽，月壤颗粒直径基本小于1 mm，平均值为70 μm左右。月壤颗粒形态亦多种多样，包含了近似球形、不规则棱角形、长条状、锯齿状等多种几何形状。

在月表纵向剖面上，不同层序月壤具有不同的粒度与密度。月壤颗粒的密度与地球土壤颗粒类似，也随深度的增加而增加。根据美国Apllo15～17探月工程的月壤研究发现，月球表面月壤的密度约为1.3 g/cm³。Keihm等^[23]通过研究得出了月壤密度随深度变化的拟合公式，表示为：

$\rho {\rm{ = }}1.92\frac{{{\textit{z}} + 12.2}}{{{\textit{z}} + 18}}$

(1)

式中： $\;\rho $ 为月壤的天然密度，g/cm³； $\textit{z}$ 为月壤的深度，m。

月壤相对密度 $\;\rho_{\rm{r}} $ 可表示为^[24]：

${\rho _{\rm{r}}} = \frac{{{e_{\max }} - e}}{{{e_{\max }} - {e_{\min }}}} = \frac{{\left( {\rho - {\rho _{\min }}} \right){\rho _{\max }}}}{{\left( {{\rho _{\max }} - {\rho _{\min }}} \right)\rho }}$

(2)

式中：e_max为月壤的最大孔隙比；e_min为月壤的最小孔隙比； $\;\rho_{\max} $ 为月壤的最大密度，g/cm³； $\;\rho_{\min} $ 为月壤的最小密度，g/cm³。

月球不同深度月壤性能参数如表1所示^[25]。

月球复杂极端的外部环境与月壤松散颗粒极大地增加了钻探取芯的难度。月壤的钻进取芯过程微观上体现为月壤颗粒与取芯钻具间及月壤微颗粒间的相互作用，宏观上表现为钻具驱动下月壤颗粒体的复杂流动过程^[26]。由于月球表面缺失空气和水，取芯钻头在钻进过程中前刀面会堆积大量月壤颗粒，堆积月壤与钻孔内壁的摩擦直接导致钻进负载的增加，并产生钻进热量。因此，这些在钻进过程中产生的结构松散、形态各异、内聚力小的月壤颗粒集合体不仅直接影响月壤的原位力学、温度等状态，同时造成月球钻探过程中的钻头磨损、钻进冷却和切屑排除困难等技术难题。在极端月球环境下，如何原位冷却钻头，如何及时排屑以消除月壤聚集体，如何处理钻头卡钻等技术难题都是月球取芯需解决的关键技术问题。

美国和前苏联成功月球取样为中国的月球稳定钻进取芯技术开发提供了宝贵的经验参考。通过总结美国Apollo 15～17和前苏联Luna 16，20～24的月球取样钻头材料及钻进工艺发现，采用硬质合金材料钻头、外螺旋空心钻具、旋转复合超声冲击的钻进取芯方法可实现良好的月壤钻进。旋转复合超声冲击的取芯钻进方式通过外螺旋空心钻具实现排屑，同时将钻头钻进产生的热量部分带走，可以部分解决月表钻探取芯过程中孔内排屑和钻头冷却等技术难题。

2 月球大深度保真取芯探矿构想

月球取芯是获取月球真实地质信息的重要手段，通过智能取芯机器人进行月球无人取芯采样是一种有效的实施方式。但目前人类月球取芯尚存在“取不深”“取不真”的技术瓶颈，将导致无法真实研究月壤的物理化学性质，准确评估月球资源，探索月球、地球乃至太阳系成因及演化过程。本文通过深入研究月壤特性及月壤钻进过程的工艺技术瓶颈，在国际上首次提出月球大深度、保真取芯构想，致力于实现原位地质信息保持下的月球样本钻取、封装与返回。

2.1 月球大深度取芯探矿构想

目前，人类月球取芯探矿最深为3.05 m，尚未达到月岩层，因此无法获得月球深部原始地质信息。月球取芯存在取不深的难题，主要受制于取芯动力、钻杆长度、孔壁稳定，以及取芯过程中的卡钻、机械故障等技术瓶颈。目前，月球取芯器取芯钻取主要依靠机械切割，能耗大、效率低，在松散月壤环境下的孔壁稳定等技术问题亟需攻关。

针对大深度取芯面临的取芯杆及岩心尺寸过长、取芯动力需求大的技术瓶颈，本文构想采用多级分段取芯方式实现大深度月球取芯。绳索悬吊自掘进取芯是其中理想的实施方案，可极大地减小取芯器的尺寸。多级分段取芯通过搭载在着陆器上的分段取芯器获取样品，并实现密封及存储。相关研究已于2019年6月27日申请专利（一种月基保真取芯多级大深度钻进系统及方法，申请号：201910569506.7；一种月基原位保真取芯装置，申请号：2019105681914）。相似地，美国NASA提出的火星探测器火星岩芯取样回收装置，包含了蜂窝状31个样本暂存器，与本研究团队提出的方案有异曲同工之处，如图1所示（中文转载报道时间为2019年9月6日，原图报道时间不详）^[27]。

针对分段取芯自掘进及孔壁不稳定技术难题，提出分段式月球大深度取芯机器人构想，预期实现20 m左右深度取芯。采用分段取芯及分段钻孔护壁技术，实现月球大深度取芯，如图2所示。通过留管护壁，有助于取芯操作中的气压膨胀环与孔壁接触摩擦，为钻头旋转复合超声钻进操作提供支撑力。

2.2 月球保真取芯探矿构想

目前，月球普通取芯技术没有做到原位保真取芯，故无法获得月球真正物性参数。本文构想采用月球原位环境信息检测反馈补偿方式，进行月球样本“保质、保压、保温、保湿、保光”的“五保”取芯。

本研究团队在前期研究中为获取地球深部原位地质信息，在国际上首次提出深地原位保真取芯构想，2018年获批国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目（批准号：51827901，项目名称：深部岩石原位保真取芯与保真测试分析系统），该系统是完全自主创新的、世界首套具有知识产权的深部岩石原位保真取芯与保真测试分析系统，可实现地球深部3 000～5 000 m深部岩石的原位保真取芯及分析测试，其原位保真技术原理如图3所示。

在国家自然科学基金委重大科研仪器研制项目研究进展与成果的基础上，进行扩展与创新，在国际上首次提出月球保真取芯构想，突破普通取芯技术获得月球样本失真的技术瓶颈。率先提出月球保真取芯（保质、保压、保温、保湿、保光）原理及保真取芯机器人技术构想，实现原“质”、原“位”的月壤/月岩真实样本的获取，填补国际上月球保真取芯的技术空白，实现技术领先。

本文构想采用高分子复合材料制成具有保湿、保光特性的保真膜，替代传统的无滑差取芯软袋，实现月球取芯过程的保湿、保光。月球空间压力的保持相对简单，月球本身为高真空，因此压力的保持只需在月球样本封装时保持高真空度即可；如需保持月球岩土原位深度压力，可通过深度计算或传感器检测获取取样深度岩土间压力，在保真腔中填充同等压力的氮气来实现，氮气已经被证实为不与月壤发生反应的理想气体^[28]。在月球高真空环境下不存在细菌侵蚀和月球样本氧化问题，因此月壤/月岩的保质主要防止样本返回地球过程中的密封失效。取芯过程中的温度保持是样本保真的难点，可通过温度传感器反馈控制下钻头微流道填充冷/热流体进行温控，保证钻头及取芯器在取芯过程中保持原位温度；保真腔中同时设有温控装置，可实现月球样本封装后的温度保持。

2.3 面临的技术挑战

基于上述构想，系统设计了月球大深度保真取芯探矿机器人技术实施方案，但在设计过程中需系统解决以下四大核心技术难题：1）月球原位保真取芯原理与技术；2）大深度保真取芯机器人技术；3）极端环境下月壤/月岩钻进及取芯技术；4）创新月基保真取芯机器人系统结构。

针对每个技术难题，分别制定了详细的技术解决方案，相关技术方案可为后续人类进行月球及其他行星大深度保真取芯提供技术参考。

3 月球大深度保真取芯探矿机器人系统设计

针对月球取芯过程中存在的“取不深”和“取不真”的技术瓶颈，设计月球大深度保真取芯探矿机器人系统：取芯深度20 m左右（到达月岩层），取芯直径25 mm，取芯过程实现“保质、保压、保温、保湿、保光”的“五保”取芯，实现在月球上原“质”、原“位”取芯与探矿。

月球大深度保真取芯探矿机器人系统结构示意图如图4所示。机器人系统整体封装并与月球着陆器构成子母机结构形式，机器人系统搭载着陆器降落月球表面，通过爆炸螺栓解除锁定后在空间机械手臂的抓取下放置到理想取芯位置。机器人系统通过连接管线与着陆器进行通信，以及获取电力和压力气/液源，在着陆器主机控制下执行取芯操作。在取芯过程中，机器人系统兼具大深度取芯和保真取芯双重功能，分述如下。

3.1 大深度取芯机器人系统设计

大深度取芯机器人系统可设计成上下结构，自上向下依次设计为悬吊部、驱动部和存储部，如图5所示。悬吊部与驱动部可通过螺钉固定连接；驱动部与存储部可通过爆炸螺栓紧固的连接环进行固定连接，以方便在取芯完成后解除固定。悬吊部包含了整个机器人系统的吊装机构及取芯器的管线收放机构，管线收放机构可实现自掘进取芯机器人不同取芯深度的下放及取芯后的回收动作。驱动部包含了用于坐标定位的 $X-{\textit{Z}}$ 坐标机器人，以及固定于驱动部支撑壁上的自掘进机器人，其主要实现自掘进机器人的搭接及取芯器的提取与存储操作。存储部位于大深度取芯机器人系统的最下方，包含了蜂窝式样本保真腔及相应的旋转驱动部件。保真腔在取芯操作前用于存放取芯器，在取芯器取芯后用于存储取芯器及其内密封的月壤/月岩样本。当大深度取芯机器人系统完成取芯操作后，爆炸螺栓在主机控制下爆炸，松脱驱动部与存储部的连接环。悬吊部与驱动部及其内的 $X-{\textit{Z}}$ 坐标机器人、自掘进机器人、收放机构等通过着陆器上的空间机械臂抓取丢弃，装满月球样本的样本保真腔则通过空间机械臂抓取存储于着陆器上的样本回收舱内，进行真空密封保存。存储部的其他机构组件将留在月球，以减少样本返回起飞的重量。

大深度取芯机器人系统内的 $X-{\textit{Z}}$ 直线坐标运动与样本保真腔的旋转运动可联动集合成柱坐标机器人，实现圆柱空间区域内的坐标定位与操作。柱坐标机器人的两个线性轴可由电机驱动滚珠丝杠直线移动模块组成（图6），末端执行器安装有夹爪机构。样本保真腔呈圆柱体蜂窝状，可在电机驱动及传动组件作用下精密转动，实现空间精确定位，如图7所示。自掘进机器人可由爆炸/熔断螺栓固定于驱动部支撑壁上，其固定位置与 $X-{\textit{Z}}$ 坐标机器人夹爪机构应处于同一 $X-{\textit{Z}}$ 平面内。取芯器分段存放于样本保真腔内，自掘进机器人搭接装置通过收放机构的精密卷绳器伺服控制实现竖直方向的收放操作。执行取芯操作时， $X-{\textit{Z}}$ 坐标机器人夹持搭接装置与自掘进机器人连接，而后通过圆柱坐标定位选取取芯器形成自掘进取芯机器人， $X-{\textit{Z}}$ 坐标机器人竖直移动将取芯器取出。样本保真腔花键轴中心留有通孔，自掘进取芯机器人通过该孔通向月面，由孔壁与自掘进取芯机器人气压膨胀固定环接触实现月球首钻的自支撑。取芯器回收后仍存储于样本保真腔的原腔孔中，并与自掘进机器人脱离，自掘进机器人再与其他腔孔中的取芯器连接实现下一级的取芯操作。大深度取芯机器人系统设有两个具有同样功能的自掘进机器人，其中一个作为备份。

自掘进取芯机器人由搭接装置、自掘进机器人本体和取芯部3部分组成。样本保真腔中配备两类取芯器，分别适用于月壤和月岩取芯，自掘进机器人可根据取芯情况切换连接月壤或月岩取芯器，以实现月壤/月岩的取芯操作，如图8所示。自掘进机器人包含气囊自支撑模块、气压轴压加压模块、旋转驱动模块和超声振动钻进模块。自掘进取芯机器人外壁设有气压膨胀固定环，在取芯过程中与孔壁接触提供支撑固定，以提供旋转钻进过程中的把持力，实现自掘进机器人钻进操作。气压轴压加压模块主要用于月壤/月岩钻进过程中轴向加压，用以提供钻进过程的轴向压力。旋转驱动模块包括旋转电机及减速装置，提供自掘进取芯机器人钻进过程钻头切割月壤/月岩所需的转动。超声振动钻进模块主要实现自掘进取芯机器人钻进过程中的辅助振动冲击，与旋转驱动模块共同实现“回转+冲击”钻进模式。取芯部包含钻杆和取芯器，存储于样本保真腔的特定腔孔内，取芯部钻杆末端安装有钻头，取芯器放置于钻杆内侧，其内部套有保真膜，实现月壤取芯过程中的无滑差钻进并能保持月壤样本的原位湿度、层序、光通量、质地等信息。

自掘进取芯机器人由连接管线与着陆器进行通信及能量、流体传输，通过气压膨胀固定环组锁紧孔壁提供取芯过程的自支撑，如图9所示。因此，自掘进取芯机器人取芯深度不受钻杆长度限制，可实现月球大深度取芯。在首钻取芯过程中，自支撑由气压膨胀固定环组与花键轴通孔孔壁的摩擦锁紧提供，后面逐级取芯支撑都通过上一级取芯后管/孔壁与气压膨胀固定环组之间的摩擦锁紧实现。

3.2 保真取芯系统设计

对于月壤，取芯完成后，保真膜开口端通过旋转锁紧装置进行收合密封，保持月壤原位存储环境；对于月岩，钻头上部安装有自锁卡爪，可卡断月岩并通过密封阀门进行保真密封，从而实现月岩的保真取芯操作。

密封后的月壤/月岩样本存储于取芯器内，并与自掘进取芯机器人一同通过收放机构回收到月面进行存储，而钻杆和钻头则留在取芯孔内。取芯器返回月面后，通过柱坐标机器人定位存放于原腔孔内，该腔孔可获取取芯深度原位温度、压力等信息，并提供相同环境保持。自掘进机器人在存储取芯器后与其脱离，而后与其他取芯器连接，进入取芯孔内与钻杆搭接，进行下一级取芯操作。样本保真腔的每一个腔孔可提供不同的温度、压力等环境保持，以满足不同深度月球样本原位环境保持的需求。样本保真腔在取芯完成后，由着陆器上的空间机械臂进行封装，并放入着陆器上的样本回收舱中，返回地球。

由于月壤/月岩钻取过程中会产生热量，直接影响钻取月球样本的温度保持。因此，需在月壤/月岩钻取过程中进行温度控制调节。通过在钻头内部开设微流道流通冷却剂，用以冷却钻头在月球样本钻取过程中产生的热量，冷却剂可采用液氮或其他惰性冷却剂。通过温度传感器实时测量月球样本进入取芯器区域的温度，用以反馈控制冷却剂阀门流量，实现钻头冷却温度调节及原位地质温度的保持。同时，取芯管内亦可通过开设冷却剂微流道实现在月壤/月岩钻取及存储过程中的温度保持。钻头冷却及月球样本温度保持原理如图10所示。

月球大深度保真取芯探矿是极具挑战的重大科技构想，中国地质大学鄢泰宁等^[29]曾总结了月球表面钻探必然面对的技术难题，并把这些问题归类为电源问题、取芯器质量尺寸功耗、活动部件润滑、钻头冷却、取芯钻进过程中轴向压力、月壤回收等6大问题，并提供相应的解决方案。本文通过月球大深度保真取芯探矿机器人系统实施方案设计，以另一个角度回答了鄢泰宁等提出的问题。因此，本文提出的月球大深度保真取芯探矿机器人系统技术实施方案相较于现有方案具有颠覆性特征，将为月球及其他行星大深度保真取芯提供技术参考。

4 结　论

通过对月球地质环境、月壤成分、钻进过程中月壤力学行为等特性的分析，提出月球大深度保真取芯探矿构想，并设计了月球大深度保真取芯探矿机器人系统具体实施方案，系统总结了月球大深度保真取芯探矿机器人设计需解决的核心技术难题及解决方案。现阶段研究的主要结论有：

1）月球大深度保真取芯探矿机器人系统可搭载月球着陆器于月面着陆，通过着陆器空间机器人手臂吊装到特定位置实现取芯操作。

2）大深度取芯可利用具有自支撑、自掘进功能的取芯机器人，通过多级分段取芯实现；通过自掘进取芯机器人模块化设计实现取芯器的搭接与存储。

3）自掘进取芯机器人取芯器的存储与搭接可由柱坐标机器人辅助实现，取芯完成后保真腔可脱离机器人驱动结构，实现密封返回。

4）自掘进机器人通过气压实现轴向钻进驱动和自支撑锁定，通过电机旋转复合超声振动方式实现“回转+冲击”钻进操作。

5）采用高分子复合材料保真膜实现无滑差取芯过程中的“保湿、保质、保光”；通过微流道流体热量控制，实现取芯过程中的钻头冷却与温度保持；在样本保真腔腔孔内设置密封、氮气加压及保温装置，实现样本返回过程的“保温、保压”。

本研究将为未来人类进行大深度保真取芯探矿提供理论基础与技术实施方案参考。