月球土壤模拟物钻探扰动下力学特性变化的定量测量研究

《iScience》：Quantitative measurement of changes in mechanical properties of lunar soil simulant caused by drilling disturbances

　　本刊推荐：针对月球钻探过程中月壤力学特性易受扰动影响这一关键问题，研究人员开展了“钻探扰动引起月壤模拟物力学特性变化的定量测量”主题研究。通过设计探针阻力测量法，定量分析了钻探参数（深度、转速、螺距等）对月壤密度（降低13%）和内摩擦角（增加13.8%）的影响规律，建立了钻具结构与力学特性的耦合关系模型，为深空探测任务中钻具设计和取样精度提升提供了重要理论支撑。

　　

随着各国深空探测计划的推进，月球样本获取成为揭示月球演化历史、资源分布和太阳系形成过程的关键途径。其中深层样本因其包含更完整的地质信息而显得尤为重要。然而，月球钻探面临着无冲洗介质、极低钻压、能量供应受限等苛刻条件，历史上阿波罗计划、月球号以及嫦娥系列任务均遭遇过钻具卡死、取样失败等事故。这些问题的根源在于月壤独特的力学特性——颗粒形态极不规则、孔隙率高，且对外界扰动极为敏感。传统研究将月壤特性视为恒定值，忽略了钻探过程可能引发的特性变化，导致理论计算与实测数据存在30%-85%的误差。

为突破这一技术瓶颈，成都理工大学的研究团队在《iScience》发表论文，创新性地提出基于探针阻力测量的钻探扰动定量评估方法。研究人员通过对比钻探前后同一位置探针贯入阻力的变化，结合土壤力学理论推导，建立了密度与内摩擦角变化的计算模型。该方法首先在两组相同容器中制备月壤模拟物CUG-1A，分别测量未扰动状态下的初始阻力和钻后扰动阻力，通过差值量化钻具结构与力学特性的关联性。

关键技术方法包括：1）基于普朗特尔-赖斯纳理论的贯入阻力模型构建；2）采用正交实验设计分析钻深（80-120 mm）、钻径（30-40 mm）、转速（30-90 rpm）、螺距（20-40 mm）等参数影响；3）通过3D打印制造差异化钻具；4）利用机械臂精准控制探针测量位置（最小间距L_min=15 mm）。

模型验证与参数筛选

通过图1所示的力学模型分析，确认被动土压力模型比静止土压力模型更符合实测数据（图2）。研究发现内摩擦角（影响范围30.97 N）和贯入深度（22.66 N）对阻力的影响显著大于密度（3.53 N）和黏聚力（1.02 N），因此后续研究聚焦于密度和内摩擦角这两个关键参数。

初始力学特性测量

自然堆积状态下月壤模拟物的密度与深度呈正相关（ρ=1.68×10^-4Z+1.683），内摩擦角随深度线性增加（φ=7.17×10^-2Z+36.65）。当模拟深度达2 m时，密度增长21.7%至2.057 g/cm³，内摩擦角提升39.2%至51.1°（图4）。

钻后扰动规律分析

18组正交实验表明（图5），钻探导致月壤密度平均降低0.22 g/cm³（降幅13%），最大降幅出现在地表10 mm处；内摩擦角平均增加5.07°（增幅13.8%），峰值多出现在孔深中部（平均位置87.7 mm）。这种"密度减小而内摩擦角增大"的现象揭示了钻探扰动的特殊机制。

参数影响机制

钻深和钻径的增加会减弱密度扰动，而转速60 rpm、螺距30 mm时密度降幅最大（12.23%）。内摩擦角扰动受螺距影响最显著，30 mm螺距时增幅达15.92%，峰值位置受钻径和螺旋叶片厚度控制（35 mm钻径时峰值深度66.7 mm）。转速提升虽有利于排屑，但会加剧内摩擦角扰动。

结论与展望

本研究首次实现了钻探扰动的定量化测量，证实月壤力学特性变化与钻具参数存在强耦合关系。优化建议包括：优先满足取样量需求的最小钻径、较高转速（≥60 rpm）、较大螺距（40 mm）和2 mm螺旋厚度。该成果为嫦娥系列等深空探测任务的钻具设计提供了理论依据，尤其对避免钻具卡滞、提高取样质量具有重要指导意义。研究局限在于地球重力环境与月球的差异，未来需在低重力条件下进一步验证模型适用性。