0 引 言
月球作为距离地球最近的天体，是人类深空探测的首选目标。我国探月工程正稳步推进，计划在2028年前发射两款月球探测器，并预计于2030年建成月球科研站的基本型。为国际月球科研站选址和初步建设提供支撑[1-3]。为了满足月球科研站的建设和运行需求，必须对月球上的多种资源进行高效的原位利用。这些资源包括太阳能、核能和水冰资源等[4]。其中，水冰资源尤其值得重视，月球两极的水冰资源具有重要的应用价值与科学意义。水冰可以用作科研站建材、航天员的生命保障物质、植物培育的条件和氢氧能源的制备原料[4-6]；通过对月球水冰中氢同位素丰度的分析可以探究水的来源，从而帮助揭示月球的形成和演化历史[7-10]。目前，月球两极永久阴影区的水冰资源提取面临三个难点：（1）难以同时兼顾开采深度与开采规模；（2）月壤导热率低，机械强度高；（3）水汽容易逸散至四周并重新凝结。为了满足月球水冰资源高效规模化开采的需求，本文计划采用面向月球两极永久阴影区水冰资源的原位提取热钻针方法。通过开展热钻针结构设计，以及热钻针涡流加热及传热分析，据此开展月球水冰钻进及加热验证试验，从而优化月球水冰的钻进工艺及加热规程参数。该项目成果可为水冰资源提取机具设计及作业规程设定提供理论指引和技术参考。
1 技术现状
1.1 开采方法
1998年，Duke等[11]提出原位微波提取水冰、阴影区异地提取和光照区异地提取三种提取系统，如图1 所示。（1）原位微波提取水冰。其工作原理是光伏阵列将太阳光转化为电能，随后电力通过电缆输送到永久阴影区域。这些电力为针对水冰的移动微波发生器提供动力。微波能量会选择性地加热和蒸发冰体。水蒸汽从风化层迁移出来，并被收集在位于地表正上方的冷板上，最终从冷板上提取出固体冰。（2）阴影区异地提取。其原理是将冰/风化层混合物从永久阴影区域内的表面机械挖掘出来，并由流动站运送到提水炉。将月球水冰装入处理室并密封，通过加热使其融化并蒸发，收集过程中产生的蒸汽，并通过密封且高度绝缘的蒸汽管道将其输送出永久阴影区域，蒸汽通过管道从阴影区域流出后被冷凝，收集并储存在罐中。（3）光照区异地提取。其工作原理是将月球水冰挖掘出来并用拉索铲斗运出阴影区。如果冰/风化层混合物较为坚硬，则会使用小型爆炸将其破碎成更小的碎片，以便于运送到永久阴影之外进行处理。在阳光照射的区域，将月球水冰放入太阳能炉中，利用太阳能对其进行融化。
2019年，Sowers等[13]提出了一种热采矿方法，如图2 所示。热量可以通过集中阳光直接施加到地表，也可以通过放置在钻孔中的导电棒或加热器，或两者结合的方式同时施加到地下。热量将冰升华成蒸汽，蒸汽从表面逸出后被覆盖在加热表面的圆顶形帐篷捕获。帐篷中的蒸汽通过开口排放到帐篷外的冷阱中，并在那里重新冻结。
嗅探器式的探测原理是利用带穿孔杆的空心深槽螺旋钻钻进月壤，水冰的挥发物通过钻杆上的孔流到冷阱；移动式原位水提取的原理是先把钻杆钻入月壤，将含冰月壤装进钻杆上的容屑槽，然后将钻杆提拉到加热管内，使水冰蒸发；冰心提取器的原理是使用冰心提取器钻入月壤并获取一个冰心，加热器运行使水冰升华，然后通过内外壁的空间使水蒸汽进入冷阱装置。
2020年，Brisset等[16]提出了一种新的提取方法，如图4 所示。该方法的特点是钻针长度较长，水蒸汽被上方圆顶收集后进入冷阱。
综上所述，尽管国内外团队对水冰资源提取装置开展了长期探索，提出了多种参考方法，但目前仍存在提取范围小、提取效率低、维护成本高及结构复杂等诸多问题。作为月球基地的重要资源，月球水冰资源需要实现大规模、高效率的提取。针对以上存在的弊端和工程实际的需要，本文拟采用群针贯入的提取方法。
2 月球水冰提取方法选择与设计
2.1 月球水冰提取方法对比
月球水冰提取位置总结主要分为：原位提取和离位提取，两种方法对比如表1 所示。
表 1 提取位置对比Table 1 Comparison of extraction locations |
| 提取位置 | 原位提取 | 离位提取 |
| 优点 | 直接提取携带水资源转移，不需要搭建专用输送线路，节约能源；持续工作，可以支撑长线工作 | 类似地球上资源提取方法，技术相对成熟；加热提取不在永久阴影区进行，规避能源不足的问题 |
| 缺点 | 提取设备较为复杂，部分技术仍不成熟；提取所需能量较大，需要提前储存加热能量 | 搭建较长的运输线路，难度大，维护成本高；单次集中提取，不利于长期供给使用 |
根据目前利用水冰资源的主要场景，采用原位提取的方式更为适宜，通过专用的水冰资源提取月球车，可以长期对水冰资源进行提取和使用，不仅节约能源，还能降低人工维护的成本。
目前提出的月球水冰提取方法中，主要的几种有效加热方式及优缺点如表2 所示。
表 2 加热方式对比Table 2 Comparison of heating methods |
| 加热方式 | 感应加热 | 电阻加热 | 微波加热 | 太阳能直接加热 |
| 优点 | 加热元件不必深入月表以下，结构简单，易于实现；加热速度快 | 技术成熟，加热效率高，热量纵向分布更均匀；对材料要求低，几乎可以加热任何材料 | 微波可以直接作用于月壤中的水分子，能量传递精准 | 直接利用太阳能，利用效率高；加热所需结构简单；无污染，适合长期使用 |
| 缺点 | 需要高导热材料将热量传递至月壤以下；能量不能直接传递到月壤，损失大 | 加热元件要深入月表以下，难免使用电刷结构，寿命短，需定期维护，成本高 | 微波发生器维护成本高；当月壤中的水含量不高时，加热效率大打折扣 | 月球两极永久阴影区太阳能能量不足；月球表面多尘，无论透镜和太阳能板易受覆盖影响 |
感应加热技术无需使用易损部件，具有寿命长和维护成本低的特点，能实现对水冰资源的长期开采。该技术采用非接触式加热方式，能够产生大量集中的能量，从而保证了水冰资源的提取率。
2.2 月球水冰提取方法设计
本文提出一种基于涡流感应加热原理的水冰热钻，其结构示意如图5 所示。该装置的工作原理如下：首先，利用高导热钻针钻入月壤内部；然后，在月表上方采用涡流加热线圈对钻针进行感应加热；依靠钻针的高导热特性，将热量从月表上方传递至钻针，再进一步传递到月壤深处，从而将月壤中的水分蒸发出来。
在设计钻针时，主要需考虑导磁性、导热系数、密度和强度等参数。大部分金属材料（低碳钢除外）通常不具备磁性，如果采用整体式钻针，仅使用低碳钢难以完成钻进任务，因此整体式钻针并不可行。此外，钻针直径较小，难以实现镶齿结构；而镀层式在钻头处的镀层容易脱落，需要频繁维护以修复磨损的镀层，这一目标难以实现；相比之下，焊接式钻针可以利用硬质合金制成钻头，从而实现对月壤的有效钻进。钻杆材料选用45钢，其具有良好的导磁性，能够满足感应加热的要求，同时45钢的强度和耐磨性也能保证钻针在钻进过程中不会发生明显的弯曲和严重的磨损。本文方法的最高温度仅为200 ℃左右，且考虑到月表的高真空环境，钻针材料的脱碳现象几乎可以忽略不计。
为了满足提取月表以下300 mm深度的需求，钻针设计长度为400 mm，直径设置为7 mm，并在钻杆周围设计了深度为1 mm的容屑槽。
3 感应加热效能分析
3.1 感应加热效能理论分析
为了探究影响感应加热的主要因素，并为后续仿真模拟提供理论支持，首先对线圈附近钻杆的加热功率进行原理公式推导。建立如图6 所示的理论模型，设置线圈长度为l，钻针半径为R，线圈匝数为N。线圈中的电流为I且满足$I = i\cos 2{\text{π }}ft$ ，其中i为电流幅值，电流有效值$\bar I = {\text{0}}{\text{.707}}i$ 。
在钻针中，热效应的功率满足焦耳定律：
式中， J表示钻针中的电流密度，单位为A/m2，满足$J = \sigma E$ ；$\sigma $ 为电导率，单位为S/m； E表示感应电场强度，单位为N/C；V表示钻针体积，单位为m3。
根据法拉第电磁感应定律，感应电场强度为：
式中， ${{{\Phi }}_B}$ 表示穿过闭路径所包围的曲面的磁通量，单位为Wb，满足$ {{{\Phi }}_B} = {\int_S {\vec B \cdot {\mathrm{d}}\vec S} } $ 。
根据麦克斯韦-安培定律，线圈中只存在交变电场，无位移电流，钻针中的磁场强度为：
式中， ${I_f}$ 表示闭路径所包围的曲面的自由电流，单位为A；
为了简化计算过程，选取图6 中矩形所示的闭合路径作为电位移通量的计算路径。在垂直于钻针轴线的BC、DA两段上，由于钻杆的磁导率远高于空气，磁力感线主要集中在钻杆内部，且方向几乎与钻杆平行，因此可以认为在这两个方向上的磁场强度积分为0。在沿钻针轴线方向的路径上，AB段恰好垂直于线圈的每一匝导线，因此磁场强度为0。那么只有在CD路径上，磁场强度的积分不为0，只需对CD路径的磁场强度积分进行计算。
设在钻针内部的磁场强度为H，那么有：
在钻针中，磁感应强度B和磁场强度H满足：
式中， $\mu '$ 表示钻针材料的磁导率，单位为H/m。
在线圈内磁场强度H在CD路径上几乎无变化，则：
在钻针中，沿轴线r的闭合回路围成的区域的磁通量为：
在一个涡流回路中，电场强度各处大小相等，且沿圆环切线方向。将磁通量代入式(2)得：
将电场强度E和电流I代入式(1)，可得：
根据计算结果，影响加热功率的主要参数分为钻针和线圈两类。（1）线圈匝数N、电流频率f和电流有效值$\bar I$ ；（2）钻针材料决定的电导率$\sigma $ ，相对磁导率$\mu '$ ，钻针半径R以及线圈长度l。其中，钻针相关参数对加热效果的影响尤为显著。
为了考察热量在钻针内部的传递情况，进而探究影响传热效率的主要因素，本文针对钻针轴线方向上的温度分布进行理论公式推导。建立如图7 所示的传热模型，钻针分为加热区域和导热区域，其中导热区域的长度为L，钻针半径为R。加热区域控制温度为T，环境温度T0。取钻针微元为图7 中所示圆柱微元，高为dx。由于钻针的长径比较大，且采用高导热材料，因此可以假设在钻针任意长度处的圆柱微元内的温度分布是均匀的，从而将传热模型简化为一维稳态模型。
根据一维稳态导热微分方程：
式中， $\lambda $ 表示导热系数，单位为W/m·℃； $ \Phi $ 表示微元体积的热源的生成热，单位为W/m3。
低温真空是钻针的工作环境，这决定了钻针与外界进行热量交换的唯一途径是热辐射。对于每个导热区域的微元而言，其内热源主要通过向外辐射散热。根据热辐射热功率公式：
式中， $\varepsilon $ 表示发射率； ${\sigma _b}$ 表示黑体辐射常数，${\sigma _b} = 5.67 \times {10^{ - 8}}{\text{ W/}}{{\text{m}}^{\text{2}}}$ ；A表示向外辐射的面积，单位为m2，对于任意微元，面积满足$A = 2{\text{π}} Rdx$ 。
微元体积的生成热与热辐射功率的关系表达式为：
钻针加热一段时间后，加热区域基本稳定在控制温度附近，所以可以简化为钻针在x=0处满足第一类边界条件，即：
而在另一端，钻针钻尖处材料为硬质合金，其与铬锆铜部分传热系数相差较大，散热效果差，可以简化为这一端向外不散热，那么此处满足第二类边界条件，即：
钻针的温度分布曲线只需在上述两边界条件下，求解以下方程：
由于式(15)无解析解，以实验室提供条件为例进行说明：使用45钢制成的钻针，其传热区域长度为0.35 m，半径为0.003 5 m。加热区域控制温度设置为150 ℃和200 ℃，环境温度为26 ℃，导热系数为50 W/m·℃，对外发射率为0.55。利用绘图软件绘制出温度-距离曲线，如图8 所示。
当加热温度升高50 ℃时，末端温差大约增加8 ℃。提高加热温度能增强轴向温度梯度，但末端温度增幅小于加热端温度的增幅。
3.2 感应加热效能影响参数仿真
为了探究热钻针加热及传热性能，首先从真空环境下的钻针加热开始，建立合适的仿真模型，并着重对影响热钻针热性能的参数进行仿真分析，探究其对热性能的影响规律。在此过程中，钻针被简化为一个没有容屑槽的圆柱体，在仿真软件COMSOL中建立了如图9 所示的仿真模型。其中，紫色区域为钻针，粉色区域为加热线圈，绿色区域为真空。
为了保证仿真模型的试验结果可靠性和可信度，并使其与空针加热试验条件保持一致，仿真模型的初始参数均按照实验室提供的条件设定，即真空度为1 Pa，温度为26 ℃。从钻头位置开始，每隔100 mm设置一个测温点，如图9 中的t1、t2、t3、t4所示。同时，在加热线圈附近设置温控点，即t0，分别设置控制温度为150 ℃和200 ℃。根据这些设置，绘制了四个测温点在加热过程中的温升曲线，以及5 000 s时钻针轴线上的温度分布曲线，如图10 和图11 所示。此外，5 000 s时四个测温点的温度数据如表3 所示。
从图11 和表3 可以看出，四个测温点的温度极差分别达到了61.5 ℃和85.5 ℃，表明钻针的传热性能不佳，热量主要集中在钻针的上部，而未能有效传递到末端，这不利于对月壤深处水资源的提取。
根据式(9)，可以得到线圈匝数N、电流频率f、电流有效值$\bar I$ 、钻针材料电导率$\sigma $ 、相对磁导率$\mu '$ 、钻针半径R和线圈长度l等变量对加热效果有显著影响。但是，电导率和相对磁导率仅与选定的材料特性相关，因此在后续仿真模型中不再对这两个参数进行讨论。
由于钻针直径较小，仿真试验选取了直径D为2、4、6、8、10、12 mm的钻针进行模拟，并绘制测温点t4的温升曲线和轴线温度分布，如图12 所示。在5 000 s时，t4的温度数据如表4 所示。
从图12 和表4 可以看出，钻针直径越大，其末端温升速率和平衡温度也越高，但温升效果的提高程度逐渐减小。此外，钻针直径的增加会给钻进操作带来更大的困难。因此，在选择钻针直径时，应遵循在保证顺利钻进的前提下选择尽可能大的直径这一原则，以保障钻进深度足够的同时，热量也能传递到相同的深度。
选择频率f为0.1、0.2、0.5、3.0、5.0、10.0、50.0 kHz，绘制测温点t4的温升曲线和轴线温度分布，如图13 所示。在5 000 s时，t4温度数据如表5 所示。
随着电流频率的增加，加热速率显著提升明显，最终所能达到的温度提升较高，但是当频率超过5.0 kHz时，加热速率和最终平衡温度几乎不再提高，因此电流频率的选择并非越高越好。
线圈匝数$N$ 分别选择10、20、30、40，绘制测温点t4温升曲线和轴线温度分布，如图14 所示。同时，列出5 000 s时t4的仿真数据，如表6 所示。
从图14 和表6 可以看出，增加线圈匝数能够提高加热性能，但趋肤效应会大幅削弱匝数对加热性能的提升效果。更多的线圈匝数会使得加热部分结构过大，为了节省空间的同时能够得到较好的加热效果，线圈匝数不必过多，取适当小值即可。
电流$\bar I$ 分别选择20、30、40、50 A，绘制测温点t4温升曲线和轴线温度分布，如图15 所示。同时，列出5 000 s时t4的仿真数据，如表7 所示。
从图15 和表7 可以看出，电流的增大能够提高加热性能。但是，在高频条件下，电流对加热性能的提升效果较差。尤其在电流接近20 A时，其增大对性能的提升作用变得更加不明显。
线圈长度$l$ 分别选择6、8、10、12、14 mm，绘制t4温升曲线，如图16 所示。在5 000 s时，t4的仿真数据如表8 所示。
从图16 和表8 可以看出，线圈长度对加热效果的影响几乎与频率无关。尽管缩短线圈长度确实能够提高加热速率，但这种提升效果较弱，这与理论分析相悖。造成这种现象的可能原因是：虽然缩短线圈长度可以提高加热功率，但同时也会使热量更加集中在较小的区域内，从而削弱了加热效果的提升。而且，这种提升效果仅在被加热元件与线圈长度尺寸相近时更为明显。因此，在选择线圈长度时，应综合考虑空间占用问题，在保证绕线方便的情况下，线圈长度应尽量缩短。
3.3 感应加热效能试验
利用实验室现有的样机开展加热试验，试验装置如图17 所示。从钻头开始，每隔100 mm粘贴一片T型热电偶，共设置四处测温点，并在热电偶和钻针之间涂抹一层导热硅脂，以确保两者紧密结合，避免因容屑槽处凹凸不平导致的测温误差。
将真空罐抽至1 Pa的真空度，并保持温度为26 ℃，设置加热时间为1.5 h，加热结束后收集数据并绘制各测温点的温升曲线。分别设定控制温度为150 ℃和200 ℃，加热完成后，记录t1、t2、t3、t4各测温点的温升情况，并取前5 000 s的温度数据。试验结果图如图18 和图19 所示。
3.4 理论、仿真和试验结果对比
选取前5 000 s的温度数据，并将结果与仿真模型的输出进行对比绘制，生成实际试验与仿真模型结果的对比，如图20 和图21 所示。同时，绘制对照表，如表9 和表10 所示。
表 9 150 ℃试验与仿真对照表Table 9 Comparison of experimental and simulated data at 150 °C |
| 项目 | t1/℃ | t2/℃ | t3/℃ | t4/℃ |
| 仿真 | 110.0 | 70.6 | 53.5 | 48.5 |
| 试验 | 108.1 | 72.4 | 52.4 | 45.2 |
| 差值 | −1.9 | −1.8 | +1.1 | +3.3 |
表 10 200 ℃试验与仿真对照表Table 10 Comparison of experimental and simulated data at 200 °C |
| 项目 | t1/℃ | t2/℃ | t3/℃ | t4/℃ |
| 仿真 | 140.0 | 84.5 | 61.2 | 54.5 |
| 试验 | 147.0 | 91.2 | 61.1 | 50.2 |
| 差值 | −7.0 | −6.7 | +0.1 | +4.3 |
选取加热5000 s后轴线温度分布，将理论、仿真和试验结果对比，如图22 和图23 所示。
从图22 、图23 可以看出，三条曲线的差值均在10 ℃以内，三线吻合度很高。表明理论分析和仿真结果均具有较高的可信度和可靠性。因此，后续研究可以借助这些理论和仿真模型对试验进行有效预测。
4 结 语
本文针对月球两极永久阴影区水冰资源的高效提取，提出了一种基于涡流感应加热原理的热钻针提取方法。通过理论分析、仿真与真空环境试验相结合的研究方法，验证了该技术的可行性与有效性。主要研究成果总结如下：
（1）本文创新性地将涡流感应加热技术应用于月球水冰的原位提取领域，提出了一种高导磁复合钻针与感应线圈协同作用的热能传导机制。通过焊接式钻针结构设计，在保证钻进能力的同时，满足了感应加热的电磁特性需求。
（2）建立了涵盖电磁-热-结构多物理场的耦合分析模型，揭示了钻针直径、线圈参数与电流频率等关键参数对传热效能的影响规律。仿真结果表明，当钻针直径达到8 mm、工作频率为10 kHz时，可实现钻尖温度54.5 ℃的传热效果，从而验证了纵向传热通道建立的可行性。
（3）搭建了真空度1 Pa条件下的热针感应加热试验平台，试验数据与仿真结果的温度分布曲线高度吻合。在200 ℃的控制温度下，400 mm钻针末端的温度可达50.2 ℃，证实了非接触式加热方式在真空环境下的适用性，为月面极端工况下的工程实施提供了重要的试验依据。
本文成果为我国“嫦娥”七号等后续探月工程的水冰资源提取任务提供了新型技术方法。未来将通过月面模拟试验场的全流程验证，推动感应加热式热钻技术向工程应用转化，助力国际月球科研站的建设与深空探测能力的提升。