【高科技】月球钻探的挑战与前景

1、前言

月球钻探对于人类研究月球表面的物质组成、月球起源、地球气候和水域潮汛现象、未来资源等问题具有重大战略意义。与常规陆上钻探活动不同，月球钻探活动会面临诸多挑战。

月球表面从上到下主要包括表面风化层、喷发层、结构扰乱层以及破碎层等。钻探井位一般有三种选择：月球高地、月海（月球表面比较低洼的地方）和月球极地。相较于月球极地钻探而言，月球高地和月海的钻探风险系数较低，阿波罗正是在此完成钻探取样任务。阿波罗11 ～ 17 号飞船都带有月球表面钻机和带钻头的岩心管。1972 年，阿波罗17号实现了2.986m 的钻探取样深度。

2、月球钻探的挑战

（1）月球环境

月球和地球的环境在大气层、重力加速度、表面温度、地震活动、月壤温度梯度、宇宙射线的强度、磁场强度等方面都有较大差别。地球大气压1atm，月球表面只有10 ～ 15atm；地球重力加速度9.81m/s2，月球重力加速度1.62 m/s2 ；月球表层温度梯度1.5℃ /m，地层温度梯度一般在2.5 ～ 3.0℃ /100m。

（2）钻探设备的运送

钻探设备由地球运往月球只能依靠火箭，这就大大限制了钻探设备的尺寸和重量。钻井液、钻杆或连续油管设备也无法运送到月球表面。另外，由于月球表面的极端环境，钻探过程必须完全实现自动化。

（3）着陆器的设计

着陆器必须能够通过地球上技术人员的指令，精准到达指定钻探区域（400m×400m）。为了容纳钻井及科学仪器载荷，着陆器的质量应控制在800 ～ 900kg。这个载荷限制使得着陆器无法携带钻井动力系统的燃料，因此，月球钻探的能量只能依靠太阳能。图1为月球着陆器示意图。

（4）钻进方式

转盘驱动、顶驱及连续油管等钻进方式通常都需要携带较多、体积较大的钻探工具。登月舱不可能摆放很长的取样管或钻杆，因而不便于运送至月球表面。安装螺旋取芯工具的电缆钻井方式被认为是月球钻探的最佳方式（图2）。该种方式所需设备质量轻、体积小，可以大幅降低运送至月球设备的费用。

月球钻探设备的稳定性往往比机械钻速重要的多。月球阳面持续时间随钻探位置的不同而变化，一般100 ～ 274 天。钻机动力的来源主要靠设备上的太阳能电池板。一旦系统运行出现故障，在月球背面的时候则无法完成设备的启动。

（5）井壁稳定

月球表面风化严重，主要覆盖有岩石碎屑、角砾等成分的月壤。月壤成分内聚力小、结构松散，同时极低的温度使得月球岩石内部应力较高。上述因素给月球钻探时的井壁稳定带来挑战，同时会降低岩芯收获率。

（6）井眼清洁与携岩

月球表面既没有空气也无水，如何及时排除钻进过程中产生的岩屑，如何冷却钻头，如何处理卡钻等事故都是摆在科研人员面前的难题。

（7）岩样的采集与返回

月球岩样是分析月球起源、矿物成分组成的关键。在月球取芯采样过程中，还应尽力避免不同层位岩芯的污染以及相关易挥发物质的丢失。

3、月球钻探的前景

与地球上的钻探相比，月球上的线缆钻探方式看似原始、简单，但是由于不同的钻井环境以及遥远的空间距离，对钻井和采样自动化控制有着非常高的要求。这需要更多的年青一代参与到月球钻探中来，设计、制造出可以全自动化运行的微型（2m）钻机。月球钻探的发展，必将为空间科学、油气工业在自动控制、人工智能以及材料科学方面提供重大发展机遇。

图1 月球着陆器示意图

（a） （b）

图2 带有螺旋取芯工具的电缆钻探系统