火星水冰采集技術發展現狀及方案設想

靳 宇，舒文祥，張偉偉，姜生元，崔慶新，白晶瑩，賴曉明

1 引言

火星探測是我國乃至世界深空探測的重要內容之一。建立火星基地，實現火星資源原位利用對降低探測成本及對火星資源的深度利用有重要的意義，原位水資源是支撐地外長期有人探測以及未來空間移民的基礎。大量火星地貌及表面物質成分的研究表明，火星上曾經存在地表水冰[1]。這使原位制備純水、氫氣、氧氣以及其他物資成為可能。因此，火星水冰資源的原位利用技術研究有著重要的意義。

火星水冰采集技術是實現其原位利用的基礎，本文針對火星水冰采集技術，首先對火星水冰的存在形式進行研究并分類，通過調研與分析國內外火星水冰資源采集技術發展現狀，結合在月球水冰探測與采集領域的技術儲備，進行火星水冰資源采集技術的系統研究，提出火星水冰采集方案。

2 火星水冰存在形式

在干冷的火星上，水資源主要以水冰的形式賦存。已知的水冰儲庫主要有表土之下的地下冰層和兩極冰蓋[1-3]，分布特征如表1所示。

表1 火星水冰分布特征Table 1 Water ice distribution characteristics on mars

2.1 地下冰層

地下冰是地殼巖土內所含冰的統稱，覆蓋了火星1/3的淺層地下。在目前的火星氣候及溫壓條件下，地下冰穩定存在于40°以上中高緯地區地表以下幾厘米至幾十厘米深度處，圖1為大致的火星水資源分布圖[4]。

圖1 火星表層水資源分布圖[4]Fig.1 Mars water distribution map[4]

2.1.1 裸露水冰(撞擊坑、隕坑水冰)

2003年發射的火星快車軌道器上搭載的高分辨率立體相機(HRSC)獲取了火星水冰的直接影像[5]。在位于火星1343軌道上軌道器拍攝的15 m分辨率地面照片中，北極附近一撞擊坑底部可見一塊明亮的圓形水冰。2009年Byrne等[1]利用火星勘測軌道器上搭載的高分辨率成像科學設備(HiRISE)分析了火星北半球中高緯地區(43°N~55°N)的5處新鮮隕坑，對隕坑深度及其中暴露的地下冰進行了研究。結果顯示，5處樣本點的冰層深度分布各異，但均包含了一個厚度小于1 m的相對純凈的冰層。2014年Dundas等[2]研究火星中緯-高緯地區新鮮隕坑的水冰情況，研究顯示，北半球39°N以上中高緯地區的新鮮隕坑中普遍可觀察到暴露的地下冰，而在低緯區域則少有發現，水冰中砂石含量很低，成分主要為純凈水冰，而非凍土，如圖 2所示。2018年Dundas等[6]通過HiRISE影像研究了±55°處火星風化表層之下暴露的8處地下冰層。這些暴露出的地下冰位于地表以下約1~2 m處，上覆凍土或表層沉積物，厚度約大于100 m。冰層的高反射率及CRISM光譜特征顯示其組成是較純凈的水冰，但在反復的升華作用中，隨著水冰消失，會出現一定沉積物和巖屑。

圖2 HiRISE影像上新鮮隕坑中的水冰變化[2]Fig.2 Water ice changes in fresh craters on the Hi-RISE image[2]

2.1.2 地下水冰

2005年發射的火星勘測軌道器搭載的淺層雷達繪制的火星北半球中緯度地區水冰分布圖表明該區域的碎石表層下廣泛埋藏著冰層，冰層的位置一般都在平頂山或懸崖的底部周圍，且通常位于峽谷和撞擊坑內[7]。

2007年在火星北極區北方大平原著陸的鳳凰號著陸器是首個降落在火星極區的探測器，它在火星北極區域利用機械臂成功地在表層幾厘米深的坑中挖掘出白色冰塊，這些冰塊在暴露于火星北極夏季溫暖的空氣之后由固體升華成了水蒸氣，如圖3所示[8-9]。此外，鳳凰號還觀察到了-65℃氣溫下火星表面的霜凍現象[10]。觀測結果顯示，淺層地下冰在火星松散地表土之下大量富集，平均深度4.6 cm。如此深度的地下冰對應的大氣含水總量是3.4×1019m3。鳳凰號發現的表層土之下水冰的存在形態主要有2種：凍土和純凈水冰，就地挖掘得到的含冰物質中90%都是凍土，純凈水冰僅占少數[11]。

圖3 鳳凰號著陸器發現純凈地下水冰[8]Fig.3 Phoenix discovers pure ground water ice[8]

2.2 極地水冰

火星極地水冰主要分布在火星北極和南極高原[12-13]。

火星北極高原主要由北極殘留冰蓋、水冰和灰塵組成的數千米厚的北極層狀沉積和基底單元組成。北極殘留冰蓋由厚度均一的水冰組成，表現出低于一般地表冰的返照率與高光譜特征，暗示北極殘留冰蓋中的冰主要由大顆粒、不含塵土的純凈冰塊組成[14-15]。

火星南極高原主要由南極殘留冰蓋、數千米厚的南極層狀沉積和山脊構造組成[16]。南極殘留冰蓋由幾米厚的高返照率固態CO2組成，本身并無水冰成分，但是在其邊緣或內部的某些區域可見暴露出的下伏層狀沉積中的水冰[17-19]。

圖4 未來火星水冰取水2種典型方式[20]Fig.4 Two typical ways of taking water from Mars in the future[20]

3 火星水冰采集技術

目前，NASA針對火星地下水冰采集所考慮的主要技術手段有2種[20]：①淺層水冰采集技術，即移除水冰上方碎石等雜質，將水冰暴露然后進行采集；②Rodriguez Well技術，即鉆探并打通碎片/冰漬土層，然后通過熱量傳輸構建并維持地下蓄水池，根據使用需求隨時從蓄水池中將液態水抽取利用。2種水冰取水方式如圖4所示。

3.1 淺層水冰采集技術

圖5為2種淺層水冰采集技術[21]。①先是利用機械鉆等方式在地面鉆取一個深度可達水冰物質沉積層的孔，隨后利用地面微波/太陽能等加熱裝置對成孔區域進行輻照加熱，使得水冰物質受熱揮發，并順著收集罩和管路進入存儲裝置中液化存儲。②先利用機械鉆等方式在地面鉆出多個孔，孔深要達到水冰物質的沉積深度，隨后在鉆孔中插入加熱棒，在電熱能、微波或者太陽能的作用下加熱成孔區域，使得水冰物質受熱揮發，最后實現在存儲裝置中的液化存儲。

美國正在研制一種移動就位取水器(MISWE)，即采用淺層水冰采集技術，如圖6(a)所示。MISWE利用深槽螺旋鉆提取表層剖面星壤，然后轉移到處理艙中加熱提取星壤中的水分。圖6(b)即為處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖。其在火星模擬條件下實現了40 min內，通過消耗0.9 Whr/g的能量，提取了土壤中92%的水[22]。

圖5 2種淺層水冰采集技術[21]Fig.5 Two shallow water ice collection technologies[21]

圖6 MISWE及其處理艙組件、冷阱罐和螺旋鉆的剖面圖[22]Fig.6 MISWE and its process chamber assembly,cold trap tank,auger[22]

3.2 Rodriguez Well技術

根據NASA的研究可知，挖掘到地下冰沉積物需要大量去除覆蓋層。去除覆蓋層的質量將隨著冰沉積物的埋藏深度而呈幾何上升，并且當埋藏深度超過2~3 m時，去除覆蓋層所需代價和水冰采集量將失去平衡。而且利用機械采集方式開采硬度較大的冰層可能會很困難，尤其是冰層中夾帶著巖石或者沙子，可能需要比采集顆粒狀樣本更高的挖掘能量。將覆蓋層去除之后水冰物質將直接暴露，這時水冰物質極其不穩定，可能在環境的作用下升華逃逸[20]。

Rodriguez Well技術的基本內涵是鉆透覆蓋物層，然后地下水冰融化并形成一個地下液態水池，在需要的時候將其抽取出來，該技術可實現大面積水資源提取，適合未來火星探測任務大規模開展。

如圖7所示，先利用鉆孔技術鉆進一個深度可達冰蓋的孔，然后將冰蓋融化形成一個液態水池，并通過泵將液態水輸送至地面裝置中。針對不同的水冰物質存在區域和形式，NASA提出了機械式、電熱式和熱水式3種不同的鉆進方案，如圖8所示。其中，機械式鉆進方案是碎片/冰漬土層鉆采的唯一方式，該方法同時也可用于積雪層以及固態水冰層的鉆采。NASA前期已經針對機器人鉆孔取芯任務提出了很多設計。其缺點在于鉆孔深度、直徑受到限制。電熱式和熱水式鉆采方案即使用“熱”水射流在冰上形成一個洞。熱水鉆只能用于冰層鉆進，該技術容易獲得更大直徑或深度的孔。熱水鉆產生的水射流必須足夠熱以能融化冰，然后保持足夠長的液體以便從孔中抽出。該過程開始階段需要一定量的外界水源，但隨后使用已融水鉆進到一定的深度[20]。

圖7 Rodriguez Well水冰采集技術方案示意圖[20]Fig.7 Schematic diagram of the Rodriguez Wellwater ice collection technology[20]

就應用于火星而言，機械鉆是唯一能夠鉆穿覆蓋層的方案。如果冷卻層相對較薄或不存在，機械鉆可以繼續鉆入冰中足夠深度，隨后冰融化操作可以開始；如果在覆蓋層下遇到厚厚的堅固層或高度破裂的冰層，可以使用熱水鉆來達到冰井的深度。因此，在鉆探開始之前，需要使用地面穿透雷達或測試鉆孔對候選鉆探現場進行初步調查。

圖8 不同類型的水冰鉆取裝置[20]Fig.8 Different types of water ice drilling devices[20]

Rodriguez Well技術自20世紀50年代后期開始使用，但是其消耗的總功率和提取的效率通常都不滿足火星作業的要求，所以必須在未來尋找一種低功耗、高效率的Rodriguez Well技術運行方案。Rodriguez Well需要在輸入熱量和取水率之間保持平衡，所以在操作期間，利用分析工具進行監控，使其處于動態平衡，以防止“坍塌”(停止生產)或過渡產生水。一旦啟動，其需要不間斷的熱源以防止水箱重新冷凍。根據EMC研究，存在2種方法使得Rodriguez Well能夠保持熱水循環：使用電動加熱器和使用熱交換器捕獲發電系統的廢熱。所使用的電力可能來自于太陽能或者核能，除了提供太陽能電池陣列外，太陽能還需要具備電力儲存能力[20]。

4 火星水冰就位勘察及采集方案設想

以火星剖面水冰縱深分布特性勘察和水冰資源采集為目標，針對0.03~10 m深度范圍內的水冰物質(包含冰壤膠結物、冰層2種典型形態)，開展繩系式掘探器、水冰采集方案研究，為未來火星水冰資源取樣分析以及大規模轉化利用提供基礎。

4.1 火星水冰就位勘察方案

針對含冰星壤，提出繩系式掘探器方案。掘探器系統由繩系式掘進器、星表支持設備、星表水處理設備和樣品采集與轉移裝置4大部分構成。初始狀態下，繩系式掘進器收納在星表支持設備內，圖9(a)為掘進器系統潛入作業狀態。繩系式掘進器與星表支持設備通過具有合臍纜單元連接，星表支持設備為繩系式掘進器提供能源供應與信號控制，使其能夠自主潛入至星壤剖面預定深度。相較于常規鉆取和機械鏟挖方式，繩系式掘探器方案能夠選擇性地采集各深度樣本至星表，并由外部水處理設備進行精確分析，實現火星縱深剖面水冰分布的精準勘察。

圖9 繩系式掘探器及固體顆粒樣本采集過程示意圖Fig.9 Schematic diagram of rope-type detector and the solid particle sample collection process

利用如圖9(b)所示的料斗及滑輪組構成的樣本采集與轉移裝置，可實現對大潛入深度下的該固體碎屑顆粒的采集及傳送，該方式結構簡單、可靠性高。固體顆粒的收集和運移由帶有料斗的繩索完成，繩索兩端分別盤繞在安裝于星表支持設備內的2個導輪上，2個導輪分別位于星表支持設備的排出孔和物測平臺旁邊，2個導輪均帶有采樣電機，繩索中部環繞在繩系式掘探器尾端的環掃導輪組上，物測平臺帶有樣品承接的采樣皿，可在導軌上將樣品運送至水處理設備的各個工位。

相比于固體樣本，經過初步處理的氣態樣本能更方便地測試出其中的化學組分，獲得更為準確、有效的測試數據。其次，氣態樣本更有利于傳送與處理。將原位固體顆粒樣本裝置所采集到的各特征位置顆粒樣本在揮發物深度熱誘導工位深度加熱至揮發。利用氣體管路將生成氣態樣本傳送至各個氣體樣本分析工位。原位火星壤氣態揮發物制備及傳送裝置如圖10所示。

氣態樣本的傳輸路徑如圖10(b)所示，采樣皿將顆粒采集料斗獲得的固體樣本傳送至揮發物深度熱誘導工位，利用該工位將固體顆粒加熱至揮發。氣態樣本在管道中的傳送過程需要做好足夠的樣本保護措施。傳送氣態樣本的管道需要較好的密封性，且管道本身不與氣態樣本發生反應，防止樣本污染。為防止氣態揮發物樣本在傳輸的過程中冷卻凝華，需要在氣道的包覆層上加以熱控裝置。氣態樣本作為固體顆粒樣本的一種補充，同樣可以選擇性地采集不同深度的樣本。通過多源傳感系統傳感數據、作業進程數據，初步確立作業對象特征，進一步采集特征位置處的顆粒制備氣態樣品并分析，最終實現水冰物質的精準判斷。

圖10 氣態樣本制備及傳送示意圖Fig.10 Gaseous sample preparation and transfer diagram

在本方案中，繩斗采樣裝置是火星水冰模擬樣本采集的關鍵。除此之外，繩系式掘探器的螺旋槽也可用于一定目標量樣本的采集。如圖11(a)所示，利用采樣器末端螺旋槽較深且密的特點，將樣本存儲在螺旋槽中，當鉆進到一定深度后回收取水器，隨后將螺旋槽上的固態樣本收集起來；或者直接對其進行加熱收集氣態樣本，隨后通過高速回轉將固態樣本拋灑出去，以便進行下一次鉆進采集。從圖11(b)的試驗驗證中可以看出，末端螺旋槽中充滿了固態樣本。但是這種方案也有一個缺點，那就是被樣本包裹的螺旋槽將失去排屑能力，所以在鉆進一定深度后需要將就位取水器回收到星表支持設備中進行樣本轉移處理。否則，輕者影響就位取水器的正常潛入作業，重者導致卡死工況的產生。綜上可知，這種方式只能作為一種輔助方式，并不能完全代替繩斗式樣本采集方案。

圖11 繩系式掘探器螺旋槽采樣設想及試驗驗證Fig.11 Schematic diagram of rope-type detector spiral groove sampling and the experimental verification process

4.2 極地大范圍高純水冰采集方案

針對極地大范圍高純水冰采集方案，根據已有的研究成果可知Rodriguez Well是一種可行的方案。所以，基于此提出如圖12所示的方案。

圖12 極地大范圍高純水冰采集方案示意圖Fig.12 Schematic diagram of large-scale water ice collection at Mars polar

從圖中可以看出，該方案首先需要利用機械鉆去除表層的風化層，直至鉆進到冰層為止。隨后，將帶有加熱裝置的泵下放至冰層處，利用加熱裝置持續加熱，使得已經融化的冰層保持液態，待需要時用泵抽出。

除了上述方案外，又提出了一種適用于極地大范圍高純水冰采集的電熱鉆方案。電熱鉆使用電阻加熱來融化冰層，這種類型只能適用于冰層鉆進。在地面應用中，電熱鉆的最典型用途是創建鉆孔或切割冰芯。在鉆孔過程中產生的液態水必須在其重新冷凍之前通過泵輸送到地面或定期提升到地面容器中。電熱鉆在接近壓力熔點的冰中(例如，大約高于-10℃的冰)特別有用，其中機械鉆具有使得周圍冰熔化后再凍結的風險。鉆頭使用具有熱流體(通常是水或乙二醇)的閉合回路代替電阻加熱來融化雪或冰。此類鉆頭的目的是簡單地熔化冰以便實現下潛，而不是利用切割使冰層以固體形式保存，因此能夠在比取芯鉆低得多的溫度下實現鉆進。

5 小結

1)含冰星壤指的是含水量在10%~50%范圍內的，主要分布于0.03~10 m深度范圍內；冰層指的是含水量在90%以上，主要分布在5~10 m深度范圍內。

2)相較于機械鏟挖、常規鉆取等方式，繩系式掘探器方案更加適應含冰星壤，具有深度跨度大、功耗低、可選擇、結構簡單、可靠性高的優點。

3)極地大范圍高純水冰采集方案是參照現有的比較成熟的Rodriguez Well技術，主要針對含水率高于90%的冰層樣本，這類樣本通過加熱融化然后采集的方法采集，效率更高、功耗更低、可靠性更高。