0 引 言
目前，深空探测和月球基地建设已经成为各国航天活动的竞争热点和重要发展方向。美国、欧洲和俄罗斯等国家和地区政府部门制定了多项宏伟的深空探测任务规划（如“阿尔忒弥斯”计划[1]、“月球村”[2]等），同时积极制定政策吸引民间企业参与，获得美国太空探索技术公司（SpaceX）、洛马公司等航天企业积极响应。中国也在稳步开展深空探测任务，2004年“嫦娥”工程正式立项，标志着我国深空探测任务的正式启动；2020年12月17日，“嫦娥”五号月面采样成功带回1 731 g月壤样品，标志着我国探月“三步走”任务圆满完成[3]；2024年6月25日，“嫦娥”六号成功返回1 935 g月壤样品，实现了世界首次月球背面采样返回任务[4]。目前，中国计划开展“嫦娥”七号任务拟对月球极区采样探测，“嫦娥”八号任务拟实施原位资源采样与利用验证，两者将共同构建月球科研站基本型，为后续国际月球科研站的规模化构建与高效益运营奠定基础[5]。
在传统运载方式下，物质能源的补给一直是制约长期探测任务的核心难题。因此，原位资源的采集与利用已成为支撑未来深空探测活动的核心技术。自2009年月球陨坑观测和遥感卫星受控撞向月球南极地区的永久阴影区溅起的尘埃云观测水冰浓度达到5.6±2.9 wt%[6]以来，月球水资源的原位提取和利用成为研究热点。美国国家航空航天局的资源探测者任务上“月壤与环境科学及氧与月球挥发物提取”有效载荷[7]、欧空局的“用于商业空间开发和运输的资源观测与开采系统”[8]、印度的“月船”四号月球极地探索计划（Lunar Polar Exploration Project，LUPEX）联合任务等，都计划开展月球水资源的原位提取与利用技术验证[9]，为未来的月球基地水资源规模化开采积累技术。
月球极区永久阴影区水资源的原位提取与利用需要解决两大关键问题：（1）月球极区水冰月壤模拟与特性认知。月球冻土在复杂空间风化作用下形成的特殊颗粒形状和水-土结合特性，造成月球水冰月壤特性与地球冻土存在显著差异，且相关信息匮乏。因此，亟须加强对水冰月壤机械力学特性的认知，并发展地面模拟制备技术，为月球水资源提取载荷的研制提供基础支撑。（2）水冰月壤高效开采与水汽分离技术。月球水资源提取任务面临资源约束和苛刻的作业环境，水冰开采与水汽分离载荷需结合月球水冰月壤剖面的赋存特性，采用高效方法实现冻土规模化开采与水汽分离。
本文针对未来月球水冰资源规模化开采的需求，聚焦月球水冰月壤特性认识与模拟、水资源高效采集与提取这两个关键问题。研究梳理了相关水冰月壤的关键特性，介绍了适合月球水冰提取载荷验证用水冰月壤模拟方法，比较了不同水汽加热分离方法的效率，并提出了适合月面环境下月壤采集、密封与加热分离方法，以及水资源规模化开采关键技术，为未来我国月球基地水资源原位利用提供参考。
1 月球极区水冰月壤模拟技术
月壤是月球表面的岩石经历长期太空风化形成产物，其化学成分、岩石类型和矿物组成非常复杂。月表水来源主要有以下三种说法：（1）彗星或微陨石以低速撞击永久阴影区表面后，部分水得以存留；（2）太阳风注入矿物与氧元素结合形成羟基或水分子，这些物质从低纬度向极区迁移并汇聚至冷阱，随后在热环境扰动下向下层垂直扩散，最终迁移到次表层；（3）月球内层水在热流作用下转移至表面。以上三种途径形成的水都经历了数亿年的冷热循环，最终以“脏冰”的形式与月壤结合。
月球极区水冰提取用模拟月壤的基本要素包括岩石/矿物组构、相对密实度、颗粒级配、含水率和环境温度五个方面。月球极区位于高地区域，矿物组分以斜长质月壤为主，并混合少量溅射混杂玄武岩月壤。因此，月球极区模拟月壤的原料可以选择地面斜长岩/辉长岩为主，辅以玄武岩/橄榄岩为辅混合组成。前期北京卫星制造厂有限公司“嫦娥”系列型号的模拟月壤曾用于验证月面采样封装等载荷，其相关原料可以沿用于月球极区水提取载荷验证。其中，玄武质模拟月壤原料主要采用长白山火山岩和南京玄武岩，斜长质模拟月壤原料主要采用承德斜长岩和随枣辉长岩。极区月壤剖面的相对密实度形成条件和月球其它地方基本相似，可参考Lunar Sourcebook[10]中给出月壤密实度规律：0~0.3 m深度的平均相对密实度为65%，0.3~0.6 m为90%，0.6 m以下为99%。由于极区受到的太空风化强度相对中低纬度较弱，其颗粒级配的粒度相对中低纬的月海月壤和高地月壤略粗。根据月壤水冰遥感探测载荷雷达[11]、中子探测仪[12]和光谱仪[13]结果，月壤0~0.3 m深度的含水量约为1%~3%，0.3~3.0 m约为4%，3.0~5.0 m约为5.6±2.9%。永久阴影区的低温环境可达到−230 ℃，需要采用液氦等作为介质进行降温；为降低成本，一般采用液氮将温度降至−180 ℃作为代替方法。
模拟水冰月壤的制备工艺方法主要包括混水法、混冰法和气凝冰法三种。混水法是将配置好颗粒级配的模拟月壤与水混合；为保证加水的均匀性与含水量准确，需采用喷雾添加并翻转搅拌，最后取样测量。混冰法是将冰块粉碎成细小颗粒后，在低温条件下与预制好的级配模拟月壤原料均匀混合。气凝冰法模拟月球环境水冰的迁移过程，需要在真空和低温环境下使升华的水汽凝华在低温模拟月壤颗粒表面，其制备难度最大。
模拟月壤的密实方法主要有振动夯实法和压实法两种：振动夯实法通过施加与模拟月壤固有频率相近的振动激励，使颗粒充分流动填充空隙，从而实现快速密实，适用于无水模拟月壤和混冰法制备的水冰。压实法适用颗粒之间摩擦系数较小的土壤。混水法制备的含水模拟月壤因液态水润滑作用，适合采用压实法进行密实。压实过程会重组颗粒与水的结合状态，而气凝冰法模拟月壤的密实过程会导致水汽与土壤的结合方式发生改变。在水冰低温环境设置过程中，混冰法和气凝冰法制备的冻土状态容易控制；混水法在将水和模拟月壤混合好后，温度控制过程的影响较大，需要采用阶梯温度控制方法逐步降温，否则容易出现冻裂或水局部聚集等缺陷。
现有的三种模拟水冰月壤制备工艺中，混水法首先控制含水量和密实度，然后施加温度环境控制；混冰法首先施加温度环境控制，然后控制含水量和密实度；气凝冰法首先控制温度和真空环境，难以实施含水量和密实度控制。三种方法制备的水冰月壤在力学性能上差异较大，气凝冰法制备的水冰冻土难以压实，强度最低；混冰法可以压实，但模拟月壤颗粒之间未与水充分连接，强度次之；混水法通过液态水将模拟月壤颗粒充分连接，强度最高。高密实度的月壤形成多孔介质，水蒸气流动困难，造成月壤中水汽迁移行为复杂；月面水冰月壤经历长期周期循环冻融循环后，状态可以等效为充分均匀混合，因此地面模拟水冰月壤适合采用混合水法工艺。
2 月球水冰月壤采集与提取技术分析
2.1 月壤水冰采集技术分析
水冰月壤力学特性是影响月壤水冰高效采集的关键力学参数。描述月壤力学强度的物理量主要包括单轴压缩强度和抗剪强度。单轴压缩强度一般通过制备标准圆柱形试样开展测试。采用北京卫星制造厂有限公司模拟月壤，针对典型的月球极区水冰月壤剖面（相对密实度99%/含水率4%，相对密实度65%和74%/含水率3%），北京卫星制造厂有限公司采用混水法制备了标准试样，并经过阶梯降温至-180 ℃以下进行力学测试（如图1 所示）。试验结果表明，月壤的含水率和相对密实度对水冰月壤强度影响显著，相对密实度99%/含水率4%的模拟水冰月壤单轴压缩强度为15~20 MPa；相对密实度74%/含水率3%的模拟水冰月壤单轴压缩强度为3~4 MPa；相对密实度65%/含水率3%的模拟水冰月壤单轴压缩强度为2~3 MPa。这些结果与Atkinson等[14]的测试规律（见图1 ）接近。采用同样的混水工艺制备低温剪切盒用标准小样后，测试结果如图2 所示。相对密实度99%含水率4%的模拟水冰月壤内摩擦角约为56°，黏聚力为322 kPa；相对密实度99%含水率3%的模拟水冰月壤内摩擦角约为50°，黏聚力为276 kPa。从上述单轴试验和剪切试验可以看出，月球极区水冰月壤具有较高的强度，但其力学特性与含水量和相对密实度密切相关。
图 1 不同含水模拟月壤−180 ℃以下单轴压缩强度Fig.1 Uniaxial compressive strength of lunar soils simulants with different water contents below −180 ℃ |
因含冰月壤的机械强度较高，传统的采用普式难以适用。目前，水冰的开采模式主要包括以下三种：（1）引入外部能源进行原位加热冻土；（2）利用大型机械进行规模化逐层挖掘开采月壤；（3）采用次表层井内挖掘提取。
原位加热水冰方法相对简单，无需对高强度冻土进行大规模切削。但该方法存在两方面限制：（1）月壤水资源主要分布在次表层以下，越往深处，水资源含量越高，外部引入的能源难以规模化地与深处的水冰资源接触；（2）在永久阴影区，水冰资源以“脏冰”的形式分散存在，表面加热难以有效接触到周边分散的冻土，导致水资源提取效率低下。相比之下，规模化逐层挖掘方法可以将水冰月壤动土进行挖掘并转移，通过搅拌或均匀铺薄等方法提高水汽分离效率。然而，高密实度高含水量水冰的强度已接近岩石，规模化逐层挖掘方法的能量消耗巨大，对挖掘器械的要求也极高。文献[15]研究表明，挖掘过程中所需的横向切削力和纵向压力均随含水率和切削面积快速增加；在月面载荷的切削力承载范围内作业，单次挖掘量较少，导致挖掘效率非常低下。次表层井内挖掘方法可配合水冰丰度探测载荷，实现对高水冰含量月壤的定点纵深开采。螺旋钻取方法可实现水冰月壤的高效率切削和输运。切削扭矩和切削压力可以通过钻进参数和钻具切削刃的锋利度进行控制，适合应对无水月壤与水冰冻土复杂分布区域。同时，切削产生的热量约有50%进入月壤[16]，可有效降低月壤强度；剩余的50%热量进入切削刃并向上传导，同样可以加热月壤以分离水汽，能量利用效率较高。井下螺旋钻进挖掘方法涉及水冰动土的多相态变化（见图3 ）[17]，其中水汽迁移与作用行为复杂，在复杂空间挖掘环境下存在冻钻、卡钻等风险，因此需要采用智能钻进规程进行控制。
2.2 水资源提取技术分析
水冰月壤中水资源的提取过程涉及水冰在受热条件下发生相变，转化为气体并与月壤分离。在此过程中，水资源的加热行为以及气体在多孔月壤介质中的流动速度是决定水提取效率的关键因素。根据水冰月壤加热热源的位置，水资源提取方法可分为两类：（1）月壤传热方式。通过容器壁或表层月壤吸收热量，再逐步传导至次深层月壤进行加热。（2）内部直接加热相变方式。采用微波等可穿透性技术直接加热月壤中水资源，使其相变后主动向外扩散。
月壤传热方式可以采用多种加热方法，如太阳光、电阻加热片、核能、电涡流等。此方式必须通过发热面附近的月壤将能量传导至远处，因此月壤的热导系数对水冰加热效率影响显著。为提高水冰吸收热能的效率，可以增加与水冰冻土的接触面积；但这会导致结构复杂化，同时热量损失面积也会增加。同时，月壤的相对密实度越低，整体热导率越差，水汽向外渗透越容易；反之，月壤相对密实度越高，整体热导率越高，水汽向外流动则更困难。因此，在月壤传热方式下，水资源提取效率上限较低，水提取速度较慢。相比之下，内部直接相变方法以微波加热为代表。由于微波可以直接穿透月壤，而水冰月壤中水的介电常数与月壤介电常数差异极大，微波能量主要被月壤中的水冰吸收，因此加热效率高。同时，水资源被加热气化后会产生极大的体积变化，在月壤约束下产生巨大压强，将月壤孔隙撑大，从而加速水汽从月壤孔隙中逸出。
3 月球水冰资源提取试验系统方法设计
月球水冰资源开采站是未来月球基地建设的重要工程任务之一。按照未来月球基地建设规划，首先需要先建设小型月球水冰资源提取试验系统，以验证一系列关键技术，为未来永久阴影区规模化水冰采矿站奠定基础。由于搭载资源有限，试验系统可能搭载在月球车或飞跃器等设备上，运动到目标位置以开展月球水资源提取验证。因此，月球水冰资源提取试验系统需要在作用力和功耗有限的条件下，高效采集水冰并提取水汽。
对月球水冰采集与提取的分析表明，基于钻取的井内挖掘方法可以有针对性地提取高丰度的水冰月壤。基于兼容微波加热和月壤传导加热的思路，同时兼顾水冰月壤采集与提取过程水汽密封的需求，设计了月球水冰资源开采试验系统方法（见图4 ）。
试验系统由冲击模块、回转模块、加载模块、钻具模块和加热存储模块五个模块组成。其中，冲击模块对钻具施加冲击，实现高强含水冻土的高效破碎，提高含水月壤的切削提取效率。回转模块通过电机和减速器驱动钻具运动，实现水冰月壤样品切削，同时钻进过程可传递冲击载荷提高切削效率。加载模块包含一级和二级加载机构，一级机构通过电机和丝杠带动钻具模块、加热存储模块和回转模块向下运动压紧于月壤表面防止水汽泄漏；二级机构通过加载电机和钢丝绳，带动回转电机和钻具切削月壤。钻具模块在加载模块、冲击模块、回转模块的带动下，实现含水月壤的破碎切削与碎屑输运。加热存储模块实现切削输运后的水冰月壤存储功能及水冰月壤高效加热功能。
试验系统工作流程如下：
（1）加载模块一级机构开始工作，带动加载模块二级机构、回转模块、冲击模块、钻具模块和加热存储模块整体向下运动，直至接触月面并完成锚定，随后加载模块的一级机构停止工作。
（2）回转模块与冲击模块启动，加载模块的二级机构也同时启动，小型化地外水提取系统开始同步执行月壤切削钻进、切屑螺旋运移、样品的刷样转移，并进入加热存储模块（见图5 （a））。
（3）当达到目标取样量/深度后，回转模块、冲击模块和加载模块停止工作。
（4）加热存储模块可采用微波或电加热输入口对含水月壤进行加热，同时后端的水汽冷凝系统开始进行水汽收集。
（5）水汽收集完成后，加热输入关闭，加热存储容器旋转轴转动180°，月壤可以从下密封套预留管内排出（见图5 （b））。
（6）二级加载机构提钻，一级加载机构提起，加热存储器旋转轴旋转180°回到初始状态，见图5 （a），准备进入下一个区域进行取样。
上述月壤水冰资源试验系统方法从多个角度全面优化了水资源提取效率，具体体现在以下4个方面：（1）通过回转冲击方式驱动钻具切削水冰的月壤，充分利用水冰月壤的脆性和钻具优良的切削能力，最大化月壤采集效率。（2）为了最大化利用钻进热和微波转化热能，系统对月壤水汽流动的各个环节实施了密封。具体地，回转模块与下密封套上部采用波纹管进行密封，下密封套通过多层密封结构嵌入月壤内部以实现密封；月壤排粉通道位于月壤密封结构内部，可以减少加热存储模块机构密封的要求。（3）系统兼顾微波穿透加热的高效性，以实现冻土水资源的快速分离。同时，电加热传导方式通过搅拌和翅片设计进一步提高了加热效率。泄漏微波及热量也被控制在密封环面内，这有助于对钻具周边冻土进行水汽分离，从而提高水资源提取效果。（4）采集到的月壤被封闭存储在单独容器内，后续可输送至其他环节进行进一步利用。
4 未来月球水资源规模化提取任务关键技术探讨
未来月球科研站将建立采冰站等基础设施，以支撑宇航员开展长期科学考察与开发工作。然而，月球表面的特殊环境与资源限制对采冰站内的水资源提取作业带来了诸多挑战：（1）月面高真空环境下，月壤中水汽的挥发与迁移规律复杂；（2）水冰次表层分布不均匀且具有高强度特性，这给采集与输运带来了较大困难；（3）微重力及强资源限制条件下，水冰资源提取载荷可利用的能量有限。针对上述问题，未来水冰资源规模化提取技术需要攻克以下关键技术：
（1）井下冻土定点规模化采集与输运技术。月球水冰富集区域主要在月表1 m以下，利用雷达或中子仪等设备精确定位富矿采收点，能够实现冻土的规模化采集，效率最高。利用无水月壤的低功耗特点，直接钻探至目标点位后开展横向剖面规模化开采与破碎冻土输运，可避免地面井下坑道支撑挖掘等复杂流程，快速获取目标冻土。但井下冻土采集需要突破有限空间内高强度冻土的大范围破碎以及长距离弱约束冻土的高效输运等技术难题。
（2）能量可控传递下水汽密封与分离技术。在水冰冻土采集与水资源提取过程中，会产生多种能量形式：冻土切削过程中钻具的摩擦生热及电机发热、水汽分离产热设备的传导能量及泄漏能量、水汽冷凝释热等。为最大化提高水资源提取效率，需着力提高主热源水汽分离效率；尝试将钻具摩擦生热、产热设备泄漏能量及水汽冷凝释热等损失的能量用于辅助水提取；同时，从各环节提高密封能力，减少水汽损失。
（3）水资源收集、提纯与存储技术。从“脏冰”中分离出的水蒸气带有大量粉尘等杂质，直接冷凝会污染后续利用的设备，因此需要提纯后再存储利用。同时，水汽冷凝效率与分离效率的不匹配会导致密封腔室内气压急剧上升，突破密封能力后导致水汽大量泄漏。针对未来月球科研站长期利用需求，亟须突破水资源高效收集、提纯与长期存储技术。
5 结 语
本文结合月球永久阴影区水冰采集与提取需求，分析了月壤水冰模拟和含水模拟月壤制备工艺方法。基于含水模拟月壤机械力学特性，对现有的月壤采集与水汽提取利用方法进行了对比研究，提出了适合未来搭载验证的水资源提取试验系统方法。同时，结合未来月球科研站采冰站建设目标，本文提出了一系列关键技术，并得出如下结论：
（1）月球水资源提取用水冰月壤适合采用混水法、压实和阶梯制冷的工艺方法。
（2）通过对比分析，钻取+微波方法被确定为一种高效的水资源采集与提取方法。在此基础上，本文提出了月壤水冰资源试验系统方法，该方法可以实现多次钻进密封与水汽高效分离的一体化操作。
（3）针对月球采冰站规模化水提取的需求，目前亟须突破的关键技术包括：井下冻土定点规模化采集与输运技术、能量可控传递下水汽密封与分离技术，以及水资源收集、提纯与存储技术。