0 引 言
月球水冰资源作为未来月面探测活动的关键物质保障，是维持深空探测可持续发展和国际月球科研站自主运行的核心战略资源。它不仅能提供生命维持系统必需的水源，还能通过电解转化为氢氧燃料，从而奠定月面能源供给体系的基础。目前，月球水冰资源的高效开采与转化技术已成为全球航天大国竞逐深空战略优势的核心焦点。
月球两极永久阴影区（Permanently Shadowed Regions，PSRs）由于长期缺乏太阳辐射，温度稳定维持在110 K以下的极端低温环境，这种独特的“冷阱”效应使得水分子能够被长期捕获并保存[1]。近年来，通过月球勘测轨道飞行器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）的雷达观测，月球中子探测器（Lunar Exploration Neutron Detector，LEND）的中子通量测量，以及月船1号月球矿物测绘仪（M3）的红外光谱数据等多源遥感探测手段，科学家们已获得确凿证据表明月球两极PSRs内存在显著的水冰富集现象。2009年，月球观测和遥感卫星（Lunar Crater Recognition and Observation Satellite，LCROSS）撞向南极Cabeus永久阴影区，测得该区的水冰丰度为5.6±2.9 wt%，据此数据推算，全月水冰总量为几十亿吨[2–5]。目前，月球两极永久阴影区内存在水冰资源这一结论已成为月球探测领域共识。
在月面真空低温极端条件下，极区水冰资源受热致相变机制的影响，呈现受热脱附-遇冷凝华的动态平衡特性。因此，目前月球极区水冰资源开采方案主要采用热激励方式（如光热聚焦、电磁感应、电阻加热、辐射加热等）来驱动水冰发生固-气相变，并结合低温冷凝捕集系统实现资源回收。与科学探测任务对样品的微量、高保真的需求不同，工程化开采需着重解决规模化生产中的多相流传质效率、系统能效比及极端工况设备的可靠性等核心问题。目前，对于月球极区水冰资源的提取方案主要包括光热提取法、热管提取法、钻进提取法、挖掘提取法、微波加热法等，各类方案的工作原理如图1 所示，表1 总结了各类方案的开采范围及其优缺点。
表 1 水冰提取方法的特点对比Table 1 Comparison of the characteristics of water ice extraction methods |
| 提取方法 | 提取原理 | 开采范围 | 优点 | 缺点 | 案例 | |
| 离位挖掘 提取 | 挖掘→转移→加热→ 冷凝收集 | 表层及次 表层干壤 | （1）密闭腔室内加热，提取速率高，热损失少；（2）可挖掘并处理不同深度月壤 | （1）冰壤抗剪强度大难开挖； （2）提取步骤复杂，可靠性低 | 美国国家航空航天局 “凤凰”号[17] | |
| 原位 提取 | 钻进 提取 | 钻进→加热→ 冷凝收集 | 次表层冰壤 | （1）形成半密闭腔室加热，提取速率快；（2）开采深度大；（3）技术成熟度高 | （1）开采规模受钻进尺寸限制； （2）月壤易黏附钻具上，影响 后续开采 | Honeybee PVEx [13]/ 钱学森实验室[18] |
| 光热 提取 | 聚光→加热→ 冷凝收集 | 表层冰壤 | （1）利用阳光可持续性开采，开采成本低；（2）系统复杂度低，使用寿命长 | （1）升华滞后，难以开采次表层冰壤；（2）提取效率低， 能量效率低 | 科罗拉多矿业大学[14] | |
| 热管 提取 | 热管插入→加热→ 冷凝收集 | 次表层冰壤 | （1）开采深度大；（2）插入月壤内部，提取速率快，能耗小 | （1）存在升华滞后问题； （2）存在泄漏风险 | 科罗拉多矿业大学[19] | |
| 微波 提取 | 微波加热→冷凝收集 | 表层/次表层 冰壤/干壤 | （1）微波穿透月壤，开采深度大；（2）直接作用水冰分子，减少能量浪费 | （1）设备功率要求较高； （2）受月壤介电特性制约 | 美国国家航空航天局[20] | |
综上所述，当前国内外研究机构提出的多种月球水冰资源提取方案均难以满足月球水冰资源规模化与高效化开采需求。挖掘式提取法难以适用高机械强度月壤水冰的开采；钻进提取方案受钻具尺寸限制，难以提高开采规模；光热提取法则受月壤低热导率制约，难以开采次表层内的月球水冰资源；微波加热提取等方案则仍处于概念验证阶段，其实际效能仍需系统验证。综合上述方案特征及水冰开采难题，本文提出一种结合“钻进”与“热管”技术优势的群针式原位热提取方法，可实现月壤霜冻层及次表层水冰资源的一体化开采，为月面水冰资源规模化开发提供了新的技术路径。
1 群针式水冰热提取方案设计
针对上述难题，本文提出了月壤水冰群针式原位热提取方案，如图2 所示。该方案基于“钻进-热导-密封-捕集”一体化设计理念，采用细径螺旋钻针实现高强度月壤水冰的快速突破，通过分布式钻针热源网络提升传热效率，密封转移腔室可有效抑制水汽逸散，高效冷凝收集器快速冷凝收集水蒸气，从而维持低温低压环境，保持水蒸气向冷凝器内的持续定向迁移的驱动力。系统工作时，钻针同时承担月壤破碎、水冰传热和气体传导三重功能，协同热学梯度场调控，可有效解决水冰提取时传热效率低、提取效率不足等问题。该一体化系统实现钻进破碎、相变激励与蒸气捕集的同步操作，攻克了月面极区水冰资源开采的能效瓶颈。
群针式水冰热提取方案的工作原理和流程如下：
（1）初始定位。利用自重使样机压入月壤表层，形成密封转移腔室。
（2）月壤钻进。采用回转切削方式的阵列式钻针贯入月壤次表层。
（3）热致挥发。通过感应加热使钻针升温，热量经针-壤界面传导至水冰，促使水冰直接升华。
（4）输运扩散。在浓度梯度与压力差驱动下，水蒸气经转移腔室输运至冷凝器。
（5）冷凝收集。水蒸气被冷凝器低温翅片捕获，在其表面凝华为固态水冰。该方案能源来源于太阳光能聚集。
（6）资源利用。将钻针从月壤内拔出，恢复初始状态，等待下次水冰提取任务。同时，将收集的固态水冰加热融化，转化为液态水，用于后续资源利用，例如直接饮用或用于氢氧转换。工作流程及水冰的相态变换如图3 所示。
2 群针式水冰热提取系统设计
依据月球水冰资源群针式原位热提取总体方案的功能需求，设计了月球水冰资源群针式原位热提取原理样机。该样机由群针钻进单元、加热温控单元、冷凝收集单元和数采控制单元构成，与真空低温系统、月壤模拟物等测试验证辅件集成，构建月面拟实环境下的水冰提取验证平台，如图4 所示。
2.1 群针钻进单元
群针钻进单元由群针组件、回转驱动组件和恒力进给组件组成，其核心功能是实现月壤的高效钻进作业。钻针的设计需满足以下两个关键要求：（1）高效切削破碎月壤水冰混合物；（2）优化排屑速率，以维持适当的热接触状态。理想的排屑设计应使钻后月壤自然回填钻针与孔壁之间的间隙，形成“准堵钻”状态，从而保障传热接触面积。本文方案的恒力进给驱动模块由进给电机、丝杠、钻进平台和恒力弹簧组成。该模块可对钻针施加恒定最大拉力，当单个钻针遭遇大颗粒阻碍时，受阻钻针自动停止工作，而其他钻针继续钻进，从而确保整体钻进效率。该设计适用于月壤中可能存在的局部硬质颗粒工况。
2.2 加热温控单元
加热温控单元由感应加热组件和温控组件构成，主要功能包括以下三点：（1）实现月壤水冰高效加热；（2）防止水蒸气输送过程中非预期冷凝；（3）维持系统关键部件正常工作温度。本文方案采用感应加热技术，实现钻针快速加热，通过钻针与月壤之间的传热驱动水冰相变。感应加热组件与钻针的耦合效率及钻针传热性能共同决定温度分布，这直接影响水冰的挥发速率，是感应加热组件设计时主要考虑的因素。针对蒸汽转移过程中的冷凝风险，在蒸汽流经的转移腔室及通道设置温控组件，确保温度始终高于临界冷凝阈值。
2.3 冷凝收集单元
冷凝收集单元由冷凝器和转移腔室组成，负责实现水汽传输与冷凝收集功能。转移腔室由样机底部压入月壤，形成相对密封空间，有效阻隔水蒸气泄漏至月面真空环境。冷凝器通过维持低温低压环境，促使水汽定向迁入，并采用吸附冷凝方式将水蒸气转化为冰霜。冷凝器捕获效率取决于接触面积、表面特性及气体流阻等要素。本文方案的冷凝器采用多翅片构型，在兼顾收集效率与设备质量的同时，可实现有限体积内收集更多的水冰质量。同时，考虑到扩散管路需满足防止水蒸气扩散过程冷凝和冷凝器内部低温两个条件，需设置温控组件及隔热件，如图5 和图6 所示。
2.4 数采控制单元
数采控制单元由传感器组件、数据采集模块和驱动控制器组成，主要实现关键参数监测与执行控制。针对水冰提取过程，重点监测温度、压力、钻压、位移及感应电流等参数确保试验正常进行，并验证水汽挥发状态及后续模型准确性。
2.5 测试验证辅件
测试辅件包括能源系统、真空低温系统及月壤水冰模拟物，用于地面模拟验证试验。真空低温系统通过真空罐和制冷系统营造月面拟实低温真空环境。
月球水冰群针式原位热提取原理样机采用模块化集成设计方法，构建月面水冰规模化开发的多物理场耦合验证平台，通过钻进-传热-冷凝功能单元的闭环协同，为方案工程可行性提供系统性验证基础。
3 月壤水冰热致挥发特性分析
月壤水冰热致挥发过程包含月壤传热、水冰升华及水蒸气扩散三个相互关联的基本物理过程，以下将针对这些过程进行理论分析。
月壤水冰作为固-冰混合物，其热物理性质会随水冰含量的变化而动态改变。基于傅里叶传热定律，本文采用等效热参数法构建了月壤水冰的传热模型。
综合考虑相变过程对传热过程的影响，建立了传热模型如下[24]：
式中，ρe、Ce和λe分别表示样本的密度、热容和导热系数的有效值，可根据混合理论进行计算：
式中，θi、θs和θg分别为样本中水冰、月壤和水蒸气的体积分数。
式中，λd为干燥（不含冰）样本的导热系数，λw为饱和样本的导热系数。
水冰相变过程会消耗大量热量但温度保持不变，该部分作为内部热源可得：
式中，mi为相变界面处冰升华速率，∆Hs为升华潜热。
根据现有研究成果，真空状态下纯冰平面的挥发质量速率表达式为[25]：
式中，esat,i为饱和蒸汽压，Mw为挥发气体摩尔质量，R为摩尔气体常数。
在T>110 K的温度区间内，饱和蒸汽压表达式为：
综上，结合纯冰挥发模型中挥发质量速率表达式，可得水冰的挥发质量速率mi为：
式中，kp是月壤颗粒结构饱和蒸汽压修正系数，Ap为水冰的挥发面积[26]，表达式为：
式中，V为月壤样本包络体积，wvol为水冰与月壤体积比。
水冰含量变化由挥发质量确定，基于此建立质量控制方程为：
由于水蒸气必须从月壤孔隙扩散至月表才能被有效采集，且扩散方向是确定的，因此可以建立月壤水冰的单通道扩散模型。基于多孔介质的毛细管束分形理论，单位体积内的总流量Qg可以通过对单根毛细管的气体体积流量qg（λ）在横截面上的积分来计算[26]：
式中，μ为气体黏度；b为气体滑移因子，α为气体稀薄效应系数，L0为微元梯度方向上直线长度，Df为孔隙面积分形维度数，DT为迂曲度分形维度。
通过以上理论解析月壤传热-水冰升华-蒸气扩散的协同作用机制，构建月壤水冰热致挥发模型，揭示极端月面环境下水冰资源相变迁移的热力学约束规律，为后续开采装备热-流耦合仿真及参数优化提供理论框架。
4 结果分析
基于以上理论，建立月壤水冰热致挥发模型。首先利用COMSOL Multiphysics仿真平台，通过耦合固体传热模块与偏微分方程模块，实现热量传递方程与质量传递方程的耦合，进而实现月壤水冰样本升温与升华扩散过程的仿真模拟。仿真模型的俯视图如图7 所示。
仿真初始参数设定如表2 所示。通过在钻孔处施加边界热源Tdp，计算月壤温度及水冰的挥发量变化。其中，当钻针温度Tdp=100 ℃，钻针直径Rdp=10 mm，钻针间距Lit=120 mm时，设置加热时长为20 h，月壤温度变化如图8 所示，水冰含量变化如图9 所示。
表 2 仿真参数表Table 2 Simulation parameter table |
| 参数类型 | 试验参数 | 参数值 |
| 样本参数 | 样本初始温度T0/℃ | −130 |
| 样本初始含水率η/wt% | 5 | |
| 样本尺寸Φ | 300 mm×300 mm | |
| 环境参数 | 环境压强pe/Pa | 10−9 |
| 钻针参数 | 加热温度Tdp/℃ | 30、50、100、200、300 |
| 钻针直径Rdp/mm | 6、8、10、12、14 | |
| 钻针间距Lit/mm | 60、90、120、150、180 |
从图8 可以看出，钻针周域为高温核心区，温度可达50 ℃以上，而外围区域由于升华滞后效应，形成了显著温度梯度。此外，钻针阵列的分布通过热场叠加效应有效构建了热源网络，提升了月壤水冰的传热效率。温度梯度场将驱动挥发水汽驱动向中间地带（对应垂向的转移腔室）定向迁移，可有效抑制蒸气向低温边界的无序扩散，提高水冰的收集效率。
从图9 可以看出，钻针周域为主要挥发区域。水冰相变界面初期呈现圆形分布，但随着时间推移，圆形界面逐渐扩大，并逐步演变为偏向中心钻针的椭圆形形态，再次验证了阵列式钻针分布通过热场叠加效应，有效拓展了热作用区域。水冰相变界面的演化规律是设计钻针阵列分布参数的重要依据。合理的阵列分布可在同等功耗条件下，实现水冰提取效率的最大化，同时降低设备结构冗余度。
钻针参数及排布方式对月壤水冰热传导速率和水冰挥发速率存在影响。因此，本文着重探究了钻针直径（Rdp）、间距（Lit）、数量（ndp）和加热温度（Tdp）等关键参数对水冰挥发速率的影响规律，结果如图10 ~13 所示。
图 10 加热温度（Tdp）对水冰挥发速率的影响Fig.10 Effect of heating temperature (Tdp) on water ice volatilization rate |
图 11 钻针直径（Rdp）对水冰挥发速率的影响Fig.11 Effect of drill needle diameter (Rdp) on water ice volatilization rate |
图 12 钻针间距（Lit）对水冰挥发速率的影响Fig.12 Effect of drill needle spacing (Lit) on water ice volatilization rate |
定义功耗Qw为输入功率与水冰挥发质量的比值。费效比定义为功耗与基准功耗Qw，j的比值，其中基准功耗实在钻针温度Tdp=100 ℃，钻针直径Rdp=10 mm，钻针间距Lit=120 mm条件的功效，表达式如式（11）和（12）所示。计算不同关键参数下的费效比，当费效比ηw<1时，表明系统能效劣化。结果如图14 ~17 所示。
图 14 加热温度（Tdp）对功耗及费效比的影响Fig.14 Effect of heating temperature (Tdp) on power consumption and cost-effectiveness ratio |
图 15 钻针直径（Rdp）对功耗及费效比的影响Fig.15 Effect of drill needle diameter (Rdp) on power consumption and cost-effectiveness ratio |
图 16 钻针间距（Lit）对功耗及费效比的影响Fig.16 Effect of drill needle spacing (Lit) on power consumption and cost-effectiveness ratio |
根据图10 ~17 的仿真结果，获得以下影响规律：
（1）加热温度（Tdp）。从图10 可以看出，升高加热温度可显著提升月壤水冰的传热效率，进而提高水冰的挥发速率。当加热温度从30 ℃提升至300 ℃时，20 h内水冰挥发量由0.38 kg提升至1.72 kg，费效比降为0.7。因此，在选择加热温度时，应在设备功率允许范围内，尽量选择较高的温度，以提升水冰提取速率。通过图9 局部放大图可以看出，在初期水冰的挥发速率较大，但随后逐渐降低，这是由于“升华滞后”效应所致：当钻针附近的月壤水冰升华形成干壤层后，其热导率显著降低，阻碍了热量向更外围区域的传递，表现为相变界面迁移速率趋缓，从而影响了外围水冰的温升和升华过程。
（2）钻针直径（Rdp）。增大钻针直径会线性扩展针壤间热传导界面面积，从而提高水冰挥发速率，促进热量向月壤水冰内部的传递效率。然而，钻针直径的增大会导致费效比增大，并且当钻针直径超过12 mm时，水冰挥发速率的提升效果趋于饱和。此外，过大的钻针直径会显著增加钻进阻力，加大月壤水冰的突破难度。因此，在实际应用中，钻针直径不宜过大，建议控制在10 mm以内，以获得最佳综合性能。
（3）钻针间距（Lit）。在初期，减小钻针间距可通过热场叠加效应显著增强热传导效率，相邻热源形成的非线性热耦合加速了水冰温升过程。在挥发后期，较小间距（如Lit=60 mm）的挥发速率显著降低，而较大间距（如Lit=180 mm）在14 h后反而呈现上升趋势。这是因为随着时间的推移，热影响区逐渐扩大，而密集排布导致干化层过早交叠，形成连续热阻屏障，反而降低了热传导效率及水冰挥发速率。然而，间距增大将导致费效比增加，因此钻针间距选择需综合考量挥发速率、费效比、加热时长等参量的影响，建议间距选择在90~120 mm。
（4）钻针数量（ndp）。钻针数量的增加会引起热传导界面面积的线性增长及热场叠加效应的增强，因此可显著提升水冰挥发速率。但过多钻针将显著增加样机的结构设计复杂度，并导致系统功率需求大幅提高，费效比出现显著增大。因此，在实际工程应用中，建议将钻针数量控制在6个以内，以实现性能与功耗的最佳平衡。
5 结 语
月球水冰资源作为深空探测活动的关键物质保障，其原位开发能力将直接影响月球基地建设与载人探测任务的可持续性。本文针对月球水冰资源高效化及规模化开采需求，提出了一种创新性群针式原位热提取技术方案，并完成了系统设计。通过理论建模与数值仿真，验证了技术的可行性。本文提出的月球水冰资源群针式源位热提取方案采用阵列式细径螺旋钻针、密封转移腔室及翅片式冷凝等系统设计，能够有效突破月壤水冰开采难度大、传热效率低、水汽收集难集等工程技术难题，实现了“钻进-热导-密封-捕集”一体化。通过建立水冰热致挥发动力学模型，系统分析了月壤水冰在感应加热作用下的温升特性、挥发特性及其影响因素。数值模拟结果表明，该方案在月球极端环境下具有可行性。钻针直径、间距、数量及加热温度等关键参数对水冰挥发速率具有显著影响。本文研究成果为月球水冰原位开发提供了新的技术途径，对于未来月球基地水资源供给系统的设计与实现具有重要的工程指导价值。后续将研制原理样机，并构建真空低温验证平台，通过开展真空条件下的水冰提取试验，验证方案的实际可行性及理论模型的准确性。