地外天体原位资源利用技术研究进展

【作者】 郭峰； 吴嘉宁； 阎绍泽； 杨林华； 许梦龙；

【机构】 北京卫星环境工程研究所； 中山大学航空航天学院； 清华大学机械工程系；

【摘要】 太空探索的范式正在改变。原位资源利用(ISRU=In situ Resources Utilization)技术通过就地取材为将来的地外天体探测任务提供原料资源。"靠所在地供应原料(live off the land)"能够有效降低宇航任务的成本和风险。包括月球、火星、Phobos、Ceres、Encleladus、Europa、Titan、慧星、甚至水星在内等众多地外天体已经被人类发射的多个航天器遥测勘测数据证实含有水资源(自由水或水合物)和其它丰富的金属、非金属等地球稀缺矿产资源。地外天体原位资源利用最常用的开采执行机构是挖掘机和钻机。迄今为止,只有美国、前苏联和中国在月球、火星两个地外天体上成功布置过屈指可数的几个挖掘机和钻机;中国探月工程三期的嫦娥五号于2020年末首次完成了地外天体采样、封装和返回地球,并成功带回1731克月壤。本文主要介绍了美国航天业界的移动式月球采矿车(Lunar Prospecting Rover)系统、WINE式立方星(CubeSat)架构、Phoenix Mars2008着陆器附带的钻头和挖斗装置以及中国的嫦娥五号、小天体采样等最新原位资源利用技术的研究进展。美国目前在地外天体原位资源利用技术研发最为先进,NASA委托诸如Honeybee Robotics、Glenn Research Center、JPL/CalTec等颇具实力的公司和研究机构对ISRU技术展开了全方位研究。早在上世纪六、七十年代,在著名的阿波罗登月工程中,美国发射的Apollo12也在前苏联的Surveyor3着陆点附近载人登月,其登月舱就自带可伸展桁架式采样挖斗,此外阿波罗宇航员还利用手持式冲击钻钻取月壤,阿波罗工程的6次登月总共为美国带回382公斤月壤。创立于1983年的Honeybee Robotics Spacecraft Mechanisms Corporation给Astrobotic公司的月球轮式移动勘探车(RP)配套研制了月岩破碎钻机(MoonBreaker Drill)、气动挖斗(Pneumatic Excavator)和喷沟嘴(Jet Trencher)这三个主要部件,并成功实现了在美国加州远程操控安置于北极的钻机系统执行采冰操作,用以模拟几年后在地球上遥控操作位于月球南极开采含冰月壤的月球勘探车工况,并已在地面ISRU实验室完成了对月壤采样、转运和封装机构的热真空环境模拟试验。WINE式立方星(CubeSat)架构则展示了美国研究机构把立方星与3D打印两种技术相结合,用以原位开发利用小行星资源的新概念技术。前苏联于1966～1968年发射的月球系列着陆勘测器Surveyors实现了人类在地外天体布置的第一个采样挖斗。前苏联还利用Surveyor3和Surveyor7的挖斗成功测量了月球采样所需的挖掘力。1970年9月12日,前苏联发射Luna-16探测器,并用无人仪器采样101克月壤带回地球,成为人类历史上第一个实现在月球上自动取样并送回地球的探测器。截至1976年8月22日的Luna-24采样170克月壤带回地球,前苏联的探月工程共进行了3次无人月球着陆取样计划,共取回大约300克月壤样品。前苏联解体后,俄国在地外天体原位资源利用技术研发方面基本处于停滞状态。中国的地外天体原位资源利用技术起步于2020年12月17日的嫦娥五号成功实现月球采样1731克月壤并返回地球。中国目前已经成为地球上唯一同时在月球和火星上拥有在役轮式移动车的国家,并已完成小天体微重力破岩与样品采集关键技术攻关,中国的ISRU技术正在快速赶上。但CE-5返回器带回的月壤样品数量低于预期的2公斤,充分表明中国科研工作者对月壤在月球超高真空、超低温、大范围高低温交变、强太阳辐照等极端环境条件下的物性亟需详细研究,以为中国将来的地外天体原位资源利用进行全方位的技术储备。更多还原