摘要
月球一直以来是人类太空探测的主要对象。月球钻探是获取月球地层信息最为直观的方法，也是人类探测月球主要的手段之一。本文介绍了目前国内外月球钻探的技术现状，归纳出月球钻探的主要技术挑战，并以此针对性研制了月球钻探模拟试验台以及相关试验钻杆。通过开展针对不同螺距、钻压、转速、冲击频率等参数的钻探试验，总结出适用于月球钻探的工艺参数及适配钻杆。最后，本文结合模拟试验结果，对未来月球钻探技术的发展进行了思考，以期对相关研究提供有益的借鉴。
作为离地球最近的天体，月球自古以来一直是人类太空探测的目标。月球富含着人类所急需的矿藏，特别是月壤中蕴藏着丰富的氦-3，作为清洁能源对于未来资源匮乏的地球来说，是至关重要
20世纪60—70年代，美国和苏联开始了军备竞赛，探月和登月是一个国家整体实力的象征，于是掀起了月球探测的高潮，此间催生和促进了一系列新技术的产生和应用。我国探月工程起步较晚，但随着近些年发展也取得了举世瞩目的成就。
美国Apollo系列探月计划是20世纪60年代与苏联冷战时期为航空军备竞赛而开启的。Apollo-1号于1967年首次发射升空，但因设计问题，不幸失火并导致3名宇航员牺牲。而后经过2年半的重新设计以及多次飞行试验，Apollo-11号于1969年7月16日发射升空，于7月20日成功登月。这是人类历史上第一次登上月
Apollo-11号登月成功后，通过人工钳、耙、铲、锤击等方法取得了21.55 kg样
图1 Apollo-11号宇航员月表取样
自Apollo-15开始，宇航员开始使用阿波罗月面钻机ALSD（Apollo Lunar Surface Drill）进行月面钻探试验（
图2 Apollo-15号宇航员所用月壤取样及起拔工具
| 编号 | 实施时间 | 取样 方式 | 取样重量/kg | 取样直径/mm | 钻机功率/W | 钻杆转速/（r·mi | 钻机自重/kg | 钻进给进力/N | 钻进速度/（mm·mi | 样品成分 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Apollo-11 | 1969年7月 | 人工钳、耙、铲、锤击取样 | 21.55 | 20 | 玄武岩、角砾岩、月壤、月尘 | |||||
| Apollo-12 | 1969年11月 | 34.6 | 20 | 玄武岩、克里普岩、月壤 | ||||||
| Apollo-14 | 1971年2月 | 42.6 | 20 | 复杂角砾岩 | ||||||
| Apollo-15 | 1971年7月 | 人工操作回转钻取兼手工取样 | 77.0 | 40 | 456 | 280 | 13.4 | 钻机自重+人工给进 | 70~150 | 月海玄武岩和多种非月海玄武岩 |
| Apollo-16 | 1972年4月 | 95.0 | 40 | 斜长岩、辉长岩受冲击形成的角砾岩 | ||||||
| Apollo-17 | 1972年12月 | 110.5 | 40 | 玄武岩、桔黄、灰色角砾岩 |
在20世纪60—70年代冷战时期，苏联总共进行了29次的探月试验，其中Luna-16、Luna-20、Luna-24成功无人月表取样并返回。
Luna-16于1970年9月12日发射，是苏联第一次成功取回月壤样本的月球探测器。如
图3 Luna-16月球钻机
1—钻机；2—返回舱；3—月壤样品与岩心管密封示意；4—机械臂水平摆动示意
Luna-24于1976年8月9号发射，其钻探采样装置与Luna-16和Luna-20的差别很大。如
图4 Luna-24月球钻机
1—带螺旋槽的转鼓；2—外壳和驱动机构；3—导轨；4、6—支架；5—螺旋取心钻杆；7—钻头；8—拉绳；9—回转器；10—样品舱；11—返回舱
| 编号 | 实施时间 | 取样方式 | 取样重量/kg | 取样直径/mm | 钻机功率/W | 钻杆转速/（r·mi | 钻机自重/kg | 钻进给进力/N | 钻进速度/（mm·mi | 样品成分 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Luna-16 | 1970年9月 | 机械臂式钻探取样 | 0.101 | 16 | 280 | 500 | 13.6 | 120 | 57 | 玄武岩质火成岩碎屑、熔融玻璃状结构碎屑 |
| Luna-20 | 1972年2月 | 0.05 | 16 | 280 | 500 | 13.6 | 120 | 57 | 斜长岩碎片 | |
| Luna-24 | 1976年8月 | 平行滑轨式钻探取样 | 0.17 | 8 | >100 | 27 | 钢绳驱动加压 | 80~240 | 分层的细粒月壤和月尘，长石颗粒 |
我国探月方面的研究起步较晚，于2004年正式开展并命名为“嫦娥工程”。嫦娥工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”3个阶段，目前探月研究处于第一阶段“无人月球探测”。嫦娥工程第一阶段又分为“绕”、“落”、“回”3步，其中2020年发射的“嫦娥五号”，完成第三部“回”。嫦娥五号的成功实施，使中国成为继美国Apollo计划和苏联Luna计划后成功实现了月球钻探采样的第三个国家，实现了月面无人采
钻探系统（
图5 “嫦娥五号”取样机具
纵观国内外月球钻探工程，月球钻探钻深较浅、获取的岩样少，主要是由于月表特殊的作业环境对钻探有诸多不利影响，具体如下：
（1）微重力：月球的质量为地球质量的1/80，体积为1/50，月表的重力加速度约为地球上的1/6。由于月表的微重力，在月表钻探所需钻压仅由钻机自重提供是远远不够的。
（2）无水：由于月表大气层无水，若按传统陆地钻进方法会无循环介质，造成孔底岩屑无法及时排出、钻头因温升过高而失效等问
（3）月表温度：由于月球几乎没有大气层，没有了大气热传导，导致月表的昼夜温差很大。在白天，太阳辐射直接照射在月表而导致其温度迅速升高，高温可达130~150 ℃；在夜晚，太阳辐射消失而导致月表温度降低，温度可达-180~-160 ℃。如此大的昼夜温差对钻机机械材料的性能是一个极大的考
（4）月尘及碎石层：月球表面覆盖着一层细小的灰尘，在钻探过程中会受到扰动悬浮飘散，易造成钻机运动部件的卡阻或损坏；月壤下部碎石层，存在诸多小块孤石卡阻钻头，易造成钻头不进尺等事故。
月球钻探模拟试验主要是通过模拟月表钻探工况对不同钻具及钻探工艺参数进行试验测试，通过试验结果以期优化钻具设计及钻探工艺参数的选择。开展月球钻探模拟试验主要包括试验台的搭建、试验钻具的研制及模拟试验等内容。
为更好地模拟月球钻探实际工况，试验台架需具有多功能性、月表环境可模拟性和可靠稳定性。试验台如
图6 试验台架总体方案
1—试验台架；2—滑轮及钢丝绳；3—拉力计；4—驱动电机；5—激光转速传感器；6—动力头；7—扭矩传感器；8—螺旋钻具；9—土样筒；10—配重箱；11—卷扬
动力头及驱动电机主要提供钻具的回转运动，同时为解决月球微重力环境下钻压不足的情况，设计有冲击机构以此检测钻具在冲击运动下的钻进效果，如
图7 试验台关键部件
螺旋钻具（
图8 螺旋钻杆结构示意
由于我国月球钻探属于无人自主钻探，在此可参考我国嫦娥五号及苏联Luna系列月球钻探所使用螺旋钻杆的参数进行设计，如
| 名称 | 钻杆外径/mm | 钻杆内经/mm | 取心直径/mm |
|---|---|---|---|
| Luna-16/20 | 26 | 18 | 16 |
| Luna-24 | 8 | ||
| 嫦娥五号 | 32.7 | 15 |
在钻杆外径为定值时，螺距会随着螺旋升角α改变而改变。在螺旋排土过程中，月壤与螺旋叶片的摩擦角必须要大于螺旋升角才能被顺利排出，即：
| （1） |
式中：——叶片与月壤的摩擦系数，取0.35；——螺距，mm；——槽底直径，mm。
计算得≤26.4 mm。
参考Luna-24螺距为16 mm，初步暂定本试验用螺旋钻杆螺距分别为14、16、18、20、22 mm进行横向对比试验。
螺旋输屑过程中，月壤会受到一个向上的力和随着螺旋钻杆旋转的运动。月壤旋转的速度还使其受到一个离心力，将其甩到孔壁使其与孔壁摩擦，此摩擦力阻碍了螺旋间月壤的向上运动。因此钻杆需要一定的转速来克服螺旋对月壤的反作用力和月壤与螺旋之间的摩擦力，此速度为临界转速，钻杆的转速要大于临界转速才能顺利地排
通过查阅文献，临界转速按如下计算公式计算：
| （2） |
式中：——临界转速，r/min；g——重力加速度，取9.8 m/
由于条件所限，本次钻探试验用月壤采用普通沙子代替。模拟月壤与普通沙子的主要物理力学参数如
| 参数指标 | 密度/（g·c | 内聚力/kPa | 内摩擦角/（°） |
|---|---|---|---|
| 模拟月壤 | 1.45~1.90 | 0.21~1.71 | 20~21 |
| 普通沙子 | 1.45~1.90 | 2.0~13.7 | 16.5~18.2 |
图10 试验过程中起始与结束位置
本组试验模拟月球钻机在月表微重力环境下靠自重进行钻进的效率。动力头重力为450 N，根据月表重力为地球重力的1/6，调节配重至钻压为75 N。根据
| 螺距/mm | 螺纹升角/（°） | 转速/（r·mi |
|---|---|---|
| 14 | 8.5 | 118 |
| 16 | 9.6 | 119 |
| 18 | 10.8 | 123 |
| 20 | 12.0 | 125 |
| 22 | 13.1 | 128 |
本次试验依次选取螺距为14、16、18、20和22 mm的单、双螺旋钻杆开展，试验参数选取转速分别为100、150、200、250、300 r/min进行试验，试验结果数据如
| 螺距/mm | 类型 | 试验参数 | 转速/（r·mi | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | |||
| 14 | 单螺旋 | 时间/s | 71 | 39 | 38 | 38.5 | 39.5 |
| 功耗/J | 930.4 | 584.75 | 757.67 | 799.3 | 424.68 | ||
| 双螺旋 | 时间/s | 47.5 | 36.5 | 35 | 39 | 39 | |
| 功耗/J | 655.4 | 574.7 | 415.5 | 389.4 | 228.52 | ||
| 16 | 单螺旋 | 时间/s | 76.5 | 45 | 45.5 | 36 | 39 |
| 功耗/J | 1062.37 | 1347.67 | 562.48 | 698.1 | 276 | ||
| 双螺旋 | 时间/s | 53 | 46.5 | 35 | 22 | 22 | |
| 功耗/J | 510.3 | 453 | 514.6 | 452.8 | 465.1 | ||
| 18 | 单螺旋 | 时间/s | 67.5 | 56 | 36 | 34 | 33.5 |
| 功耗/J | 684.7 | 564.3 | 551 | 374.6 | 249.78 | ||
| 双螺旋 | 时间（s） | 58 | 40 | 29.5 | 31.5 | 22 | |
| 功耗/J | 546 | 653.4 | 508.6 | 368.5 | 214.5 | ||
| 20 | 单螺旋 | 时间/s | 66 | 57 | 44.5 | 32 | 25 |
| 功耗/J | 810.79 | 542.6 | 329.18 | 328.36 | 399.71 | ||
| 双螺旋 | 时间/s | 59 | 48.5 | 40.5 | 30 | 22.5 | |
| 功耗/J | 740 | 669.6 | 389.5 | 499.4 | 329.7 | ||
| 22 | 单螺旋 | 时间/s | 69.5 | 50 | 35 | 32.5 | 24 |
| 功耗/J | 899 | 534.7 | 716.5 | 452.5 | 305.4 | ||
| 双螺旋 | 时间/s | 46.5 | 36 | 34 | 32 | 21 | |
| 功耗/J | 756 | 412 | 451.9 | 358.2 | 214.6 | ||
通过本次试验可得：
（1）钻进所用时间随回转速度增大而减少，因此在功耗允许情况下尽可能增加转速。
（2）对比相同螺距单、双螺旋钻杆，在转速一定情况下，双螺旋钻杆比单螺旋钻杆钻进所用时间短，消耗的功少，因此后续的试验钻杆选定为双螺旋类型。
（3）钻进时间及功耗随转速增加而减少，但当转速提高到300 r/min出现因进尺过快导致卡钻等现象，结合试验台架本身能力及试验的平稳性，选定250 r/min作为后续试验的最佳回转速度。
（4）对比不同螺距在初始转速为250 r/min时钻探所用的时间和耗能，当螺距≥18 mm时数据差异不大，在此选定螺距18 mm钻杆用于后续试验。
根据上述试验结论，螺旋钻杆选用螺距为18 mm双螺旋钻杆、钻压75 N、转速250 r/min。试验冲击频率分别为2.5、3、3.5、4、4.5 Hz，每个冲击频率试验2次，试验数据如
| 类型 | 冲击频率/Hz | 耗时/s | |
|---|---|---|---|
| t1 | t2 | ||
| 冲击 | 2.5 | 22.5 | 21.5 |
| 3.0 | 19.1 | 18.6 | |
| 3.5 | 18.3 | 18.1 | |
| 4.0 | 18.0 | 17.9 | |
| 4.5 | 18.2 | 17.8 | |
| 不冲击 | 27.2 | ||
通过本次试验可得：
（1）有冲击运动钻探耗时明显比无冲击运动钻探耗时短；当冲击频率上升到3.5 Hz以后，钻探耗时趋于平稳，无明显减小。
（2）相比无冲击纯回转钻探过程，在有冲击运动钻探试验过程中，钻杆回转速度变化幅值不大，无明显速度衰减，整个钻探过程流畅无明显卡滞。
（3）冲击钻探过程中，后半段所用时间明显多于前半段，这是因为随着钻进深度的增加，钻孔对钻杆的阻力也随之增加，钻杆的冲击效果也越来越弱。
根据试验结论，螺旋钻杆选用螺距为18 mm双螺旋钻杆；转速250 r/min。试验钻压分别为45、75、105和135 N，共做2组试验进行对比，试验结果如
| 钻压/N | 耗时/s | |
|---|---|---|
| t1 | t2 | |
| 45 | 58.6 | 53.5 |
| 75 | 27.1 | 27.1 |
| 105 | 20.7 | 19.2 |
| 135 | 15.2 | 14.4 |
通过本次试验可得：
（1）随着钻压的增大，钻进所耗时间逐步减少；
（2）在试验中观察，钻压为45 N和75 N下钻进速度与回转扭矩波动较为平稳，但当钻压增加至105 N和135 N时，两参数的波动幅度开始增大，这是由于随着钻压的增加钻机输出扭矩不足所造成的。
月球在深空探测中的地位无可撼动，目前对于月球钻探的最大钻深仅为3.05 m，这对于人类了解月球内部结构，揭示月球形成和演化过程乃至后期的资源勘探开发及人类居住基地建设是远远不够的，因此，未来我国无人月球钻探向深部进军势在必行，对此有如下思考与展望：
（1）月球钻探最为主要的是取心作业，随着未来钻深的增加，无论是美国Apollo系列的人工提钻取心以及我国嫦娥五号和苏联Luna系列无人单回次翻袋式取心方式均不适用。在此可借鉴目前陆地钻探成熟的绳索取心工艺，既能提高取心作业效率，还能实现取心钻杆留在孔内起到护壁效果。
（2）我国嫦娥五号和苏联Luna系列月球钻机是固定于登陆器之上，随登陆器落月后只能在固定的位置进行钻探作业，存在诸多不确定因素；对月未来的月球深钻，可考虑将钻机及月球车结合，利用月球车的可移动性，通过雷达进行物探选址后再针对性开展钻探作业。
（3）通过本文模拟试验结果，对于未来月球深钻，需在微重力环境下尽可能加大钻压以提高钻进效率，在此可考虑在钻机加装锚固装置以提高抓地力；同时在保证钻机功耗及取心质量前提下，提高转速也有益于钻进效率的提高；最后，冲击运动有助于钻进过程的效率及平稳性，但动力头冲击效果随着钻深的加大而衰减，可考虑利用孔底动力来提供冲击运动。
（4）螺旋干钻是解决月球钻探无循环介质输屑最为主要的方法，但是随着未来钻深的加大，其全孔输屑摩阻也随之加大，这对于低功耗月球钻机是巨大的挑战。因此需研究新的工艺方法以解决全孔螺旋输屑摩阻大的难题。
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