火星水冰采集技术发展现状及方案设想

靳 宇，舒文祥，张伟伟，姜生元，崔庆新，白晶莹，赖晓明

1 引言

火星探测是我国乃至世界深空探测的重要内容之一。建立火星基地，实现火星资源原位利用对降低探测成本及对火星资源的深度利用有重要的意义，原位水资源是支撑地外长期有人探测以及未来空间移民的基础。大量火星地貌及表面物质成分的研究表明，火星上曾经存在地表水冰[1]。这使原位制备纯水、氢气、氧气以及其他物资成为可能。因此，火星水冰资源的原位利用技术研究有着重要的意义。

火星水冰采集技术是实现其原位利用的基础，本文针对火星水冰采集技术，首先对火星水冰的存在形式进行研究并分类，通过调研与分析国内外火星水冰资源采集技术发展现状，结合在月球水冰探测与采集领域的技术储备，进行火星水冰资源采集技术的系统研究，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，水资源主要以水冰的形式赋存。已知的水冰储库主要有表土之下的地下冰层和两极冰盖[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 地下冰层

地下冰是地壳岩土内所含冰的统称，覆盖了火星1/3的浅层地下。在目前的火星气候及温压条件下，地下冰稳定存在于40°以上中高纬地区地表以下几厘米至几十厘米深度处，图1为大致的火星水资源分布图[4]。

图1 火星表层水资源分布图[4]Fig.1 Mars water distribution map[4]

2.1.1 裸露水冰(撞击坑、陨坑水冰)

2003年发射的火星快车轨道器上搭载的高分辨率立体相机(HRSC)获取了火星水冰的直接影像[5]。在位于火星1343轨道上轨道器拍摄的15 m分辨率地面照片中，北极附近一撞击坑底部可见一块明亮的圆形水冰。2009年Byrne等[1]利用火星勘测轨道器上搭载的高分辨率成像科学设备(HiRISE)分析了火星北半球中高纬地区(43°N~55°N)的5处新鲜陨坑，对陨坑深度及其中暴露的地下冰进行了研究。结果显示，5处样本点的冰层深度分布各异，但均包含了一个厚度小于1 m的相对纯净的冰层。2014年Dundas等[2]研究火星中纬-高纬地区新鲜陨坑的水冰情况，研究显示，北半球39°N以上中高纬地区的新鲜陨坑中普遍可观察到暴露的地下冰，而在低纬区域则少有发现，水冰中砂石含量很低，成分主要为纯净水冰，而非冻土，如图 2所示。2018年Dundas等[6]通过HiRISE影像研究了±55°处火星风化表层之下暴露的8处地下冰层。这些暴露出的地下冰位于地表以下约1~2 m处，上覆冻土或表层沉积物，厚度约大于100 m。冰层的高反射率及CRISM光谱特征显示其组成是较纯净的水冰，但在反复的升华作用中，随着水冰消失，会出现一定沉积物和岩屑。

图2 HiRISE影像上新鲜陨坑中的水冰变化[2]Fig.2 Water ice changes in fresh craters on the Hi-RISE image[2]

2.1.2 地下水冰

2005年发射的火星勘测轨道器搭载的浅层雷达绘制的火星北半球中纬度地区水冰分布图表明该区域的碎石表层下广泛埋藏着冰层，冰层的位置一般都在平顶山或悬崖的底部周围，且通常位于峡谷和撞击坑内[7]。

2007年在火星北极区北方大平原着陆的凤凰号着陆器是首个降落在火星极区的探测器，它在火星北极区域利用机械臂成功地在表层几厘米深的坑中挖掘出白色冰块，这些冰块在暴露于火星北极夏季温暖的空气之后由固体升华成了水蒸气，如图3所示[8-9]。此外，凤凰号还观察到了-65℃气温下火星表面的霜冻现象[10]。观测结果显示，浅层地下冰在火星松散地表土之下大量富集，平均深度4.6 cm。如此深度的地下冰对应的大气含水总量是3.4×1019m3。凤凰号发现的表层土之下水冰的存在形态主要有2种：冻土和纯净水冰，就地挖掘得到的含冰物质中90%都是冻土，纯净水冰仅占少数[11]。

图3 凤凰号着陆器发现纯净地下水冰[8]Fig.3 Phoenix discovers pure ground water ice[8]

2.2 极地水冰

火星极地水冰主要分布在火星北极和南极高原[12-13]。

火星北极高原主要由北极残留冰盖、水冰和灰尘组成的数千米厚的北极层状沉积和基底单元组成。北极残留冰盖由厚度均一的水冰组成，表现出低于一般地表冰的返照率与高光谱特征，暗示北极残留冰盖中的冰主要由大颗粒、不含尘土的纯净冰块组成[14-15]。

火星南极高原主要由南极残留冰盖、数千米厚的南极层状沉积和山脊构造组成[16]。南极残留冰盖由几米厚的高返照率固态CO2组成，本身并无水冰成分，但是在其边缘或内部的某些区域可见暴露出的下伏层状沉积中的水冰[17-19]。

图4 未来火星水冰取水2种典型方式[20]Fig.4 Two typical ways of taking water from Mars in the future[20]

3 火星水冰采集技术

目前，NASA针对火星地下水冰采集所考虑的主要技术手段有2种[20]：①浅层水冰采集技术，即移除水冰上方碎石等杂质，将水冰暴露然后进行采集；②Rodriguez Well技术，即钻探并打通碎片/冰渍土层，然后通过热量传输构建并维持地下蓄水池，根据使用需求随时从蓄水池中将液态水抽取利用。2种水冰取水方式如图4所示。

3.1 浅层水冰采集技术

图5为2种浅层水冰采集技术[21]。①先是利用机械钻等方式在地面钻取一个深度可达水冰物质沉积层的孔，随后利用地面微波/太阳能等加热装置对成孔区域进行辐照加热，使得水冰物质受热挥发，并顺着收集罩和管路进入存储装置中液化存储。②先利用机械钻等方式在地面钻出多个孔，孔深要达到水冰物质的沉积深度，随后在钻孔中插入加热棒，在电热能、微波或者太阳能的作用下加热成孔区域，使得水冰物质受热挥发，最后实现在存储装置中的液化存储。

美国正在研制一种移动就位取水器(MISWE)，即采用浅层水冰采集技术，如图6(a)所示。MISWE利用深槽螺旋钻提取表层剖面星壤，然后转移到处理舱中加热提取星壤中的水分。图6(b)即为处理舱组件、冷阱罐和螺旋钻的剖面图。其在火星模拟条件下实现了40 min内，通过消耗0.9 Whr/g的能量，提取了土壤中92%的水[22]。

图5 2种浅层水冰采集技术[21]Fig.5 Two shallow water ice collection technologies[21]

图6 MISWE及其处理舱组件、冷阱罐和螺旋钻的剖面图[22]Fig.6 MISWE and its process chamber assembly,cold trap tank,auger[22]

3.2 Rodriguez Well技术

根据NASA的研究可知，挖掘到地下冰沉积物需要大量去除覆盖层。去除覆盖层的质量将随着冰沉积物的埋藏深度而呈几何上升，并且当埋藏深度超过2~3 m时，去除覆盖层所需代价和水冰采集量将失去平衡。而且利用机械采集方式开采硬度较大的冰层可能会很困难，尤其是冰层中夹带着岩石或者沙子，可能需要比采集颗粒状样本更高的挖掘能量。将覆盖层去除之后水冰物质将直接暴露，这时水冰物质极其不稳定，可能在环境的作用下升华逃逸[20]。

Rodriguez Well技术的基本内涵是钻透覆盖物层，然后地下水冰融化并形成一个地下液态水池，在需要的时候将其抽取出来，该技术可实现大面积水资源提取，适合未来火星探测任务大规模开展。

如图7所示，先利用钻孔技术钻进一个深度可达冰盖的孔，然后将冰盖融化形成一个液态水池，并通过泵将液态水输送至地面装置中。针对不同的水冰物质存在区域和形式，NASA提出了机械式、电热式和热水式3种不同的钻进方案，如图8所示。其中，机械式钻进方案是碎片/冰渍土层钻采的唯一方式，该方法同时也可用于积雪层以及固态水冰层的钻采。NASA前期已经针对机器人钻孔取芯任务提出了很多设计。其缺点在于钻孔深度、直径受到限制。电热式和热水式钻采方案即使用“热”水射流在冰上形成一个洞。热水钻只能用于冰层钻进，该技术容易获得更大直径或深度的孔。热水钻产生的水射流必须足够热以能融化冰，然后保持足够长的液体以便从孔中抽出。该过程开始阶段需要一定量的外界水源，但随后使用已融水钻进到一定的深度[20]。

图7 Rodriguez Well水冰采集技术方案示意图[20]Fig.7 Schematic diagram of the Rodriguez Wellwater ice collection technology[20]

就应用于火星而言，机械钻是唯一能够钻穿覆盖层的方案。如果冷却层相对较薄或不存在，机械钻可以继续钻入冰中足够深度，随后冰融化操作可以开始；如果在覆盖层下遇到厚厚的坚固层或高度破裂的冰层，可以使用热水钻来达到冰井的深度。因此，在钻探开始之前，需要使用地面穿透雷达或测试钻孔对候选钻探现场进行初步调查。

图8 不同类型的水冰钻取装置[20]Fig.8 Different types of water ice drilling devices[20]

Rodriguez Well技术自20世纪50年代后期开始使用，但是其消耗的总功率和提取的效率通常都不满足火星作业的要求，所以必须在未来寻找一种低功耗、高效率的Rodriguez Well技术运行方案。Rodriguez Well需要在输入热量和取水率之间保持平衡，所以在操作期间，利用分析工具进行监控，使其处于动态平衡，以防止“坍塌”(停止生产)或过渡产生水。一旦启动，其需要不间断的热源以防止水箱重新冷冻。根据EMC研究，存在2种方法使得Rodriguez Well能够保持热水循环：使用电动加热器和使用热交换器捕获发电系统的废热。所使用的电力可能来自于太阳能或者核能，除了提供太阳能电池阵列外，太阳能还需要具备电力储存能力[20]。

4 火星水冰就位勘察及采集方案设想

以火星剖面水冰纵深分布特性勘察和水冰资源采集为目标，针对0.03~10 m深度范围内的水冰物质(包含冰壤胶结物、冰层2种典型形态)，开展绳系式掘探器、水冰采集方案研究，为未来火星水冰资源取样分析以及大规模转化利用提供基础。

4.1 火星水冰就位勘察方案

针对含冰星壤，提出绳系式掘探器方案。掘探器系统由绳系式掘进器、星表支持设备、星表水处理设备和样品采集与转移装置4大部分构成。初始状态下，绳系式掘进器收纳在星表支持设备内，图9(a)为掘进器系统潜入作业状态。绳系式掘进器与星表支持设备通过具有合脐缆单元连接，星表支持设备为绳系式掘进器提供能源供应与信号控制，使其能够自主潜入至星壤剖面预定深度。相较于常规钻取和机械铲挖方式，绳系式掘探器方案能够选择性地采集各深度样本至星表，并由外部水处理设备进行精确分析，实现火星纵深剖面水冰分布的精准勘察。

图9 绳系式掘探器及固体颗粒样本采集过程示意图Fig.9 Schematic diagram of rope-type detector and the solid particle sample collection process

利用如图9(b)所示的料斗及滑轮组构成的样本采集与转移装置，可实现对大潜入深度下的该固体碎屑颗粒的采集及传送，该方式结构简单、可靠性高。固体颗粒的收集和运移由带有料斗的绳索完成，绳索两端分别盘绕在安装于星表支持设备内的2个导轮上，2个导轮分别位于星表支持设备的排出孔和物测平台旁边，2个导轮均带有采样电机，绳索中部环绕在绳系式掘探器尾端的环扫导轮组上，物测平台带有样品承接的采样皿，可在导轨上将样品运送至水处理设备的各个工位。

相比于固体样本，经过初步处理的气态样本能更方便地测试出其中的化学组分，获得更为准确、有效的测试数据。其次，气态样本更有利于传送与处理。将原位固体颗粒样本装置所采集到的各特征位置颗粒样本在挥发物深度热诱导工位深度加热至挥发。利用气体管路将生成气态样本传送至各个气体样本分析工位。原位火星壤气态挥发物制备及传送装置如图10所示。

气态样本的传输路径如图10(b)所示，采样皿将颗粒采集料斗获得的固体样本传送至挥发物深度热诱导工位，利用该工位将固体颗粒加热至挥发。气态样本在管道中的传送过程需要做好足够的样本保护措施。传送气态样本的管道需要较好的密封性，且管道本身不与气态样本发生反应，防止样本污染。为防止气态挥发物样本在传输的过程中冷却凝华，需要在气道的包覆层上加以热控装置。气态样本作为固体颗粒样本的一种补充，同样可以选择性地采集不同深度的样本。通过多源传感系统传感数据、作业进程数据，初步确立作业对象特征，进一步采集特征位置处的颗粒制备气态样品并分析，最终实现水冰物质的精准判断。

图10 气态样本制备及传送示意图Fig.10 Gaseous sample preparation and transfer diagram

在本方案中，绳斗采样装置是火星水冰模拟样本采集的关键。除此之外，绳系式掘探器的螺旋槽也可用于一定目标量样本的采集。如图11(a)所示，利用采样器末端螺旋槽较深且密的特点，将样本存储在螺旋槽中，当钻进到一定深度后回收取水器，随后将螺旋槽上的固态样本收集起来；或者直接对其进行加热收集气态样本，随后通过高速回转将固态样本抛洒出去，以便进行下一次钻进采集。从图11(b)的试验验证中可以看出，末端螺旋槽中充满了固态样本。但是这种方案也有一个缺点，那就是被样本包裹的螺旋槽将失去排屑能力，所以在钻进一定深度后需要将就位取水器回收到星表支持设备中进行样本转移处理。否则，轻者影响就位取水器的正常潜入作业，重者导致卡死工况的产生。综上可知，这种方式只能作为一种辅助方式，并不能完全代替绳斗式样本采集方案。

图11 绳系式掘探器螺旋槽采样设想及试验验证Fig.11 Schematic diagram of rope-type detector spiral groove sampling and the experimental verification process

4.2 极地大范围高纯水冰采集方案

针对极地大范围高纯水冰采集方案，根据已有的研究成果可知Rodriguez Well是一种可行的方案。所以，基于此提出如图12所示的方案。

图12 极地大范围高纯水冰采集方案示意图Fig.12 Schematic diagram of large-scale water ice collection at Mars polar

从图中可以看出，该方案首先需要利用机械钻去除表层的风化层，直至钻进到冰层为止。随后，将带有加热装置的泵下放至冰层处，利用加热装置持续加热，使得已经融化的冰层保持液态，待需要时用泵抽出。

除了上述方案外，又提出了一种适用于极地大范围高纯水冰采集的电热钻方案。电热钻使用电阻加热来融化冰层，这种类型只能适用于冰层钻进。在地面应用中，电热钻的最典型用途是创建钻孔或切割冰芯。在钻孔过程中产生的液态水必须在其重新冷冻之前通过泵输送到地面或定期提升到地面容器中。电热钻在接近压力熔点的冰中(例如，大约高于-10℃的冰)特别有用，其中机械钻具有使得周围冰熔化后再冻结的风险。钻头使用具有热流体(通常是水或乙二醇)的闭合回路代替电阻加热来融化雪或冰。此类钻头的目的是简单地熔化冰以便实现下潜，而不是利用切割使冰层以固体形式保存，因此能够在比取芯钻低得多的温度下实现钻进。

5 小结

1)含冰星壤指的是含水量在10%~50%范围内的，主要分布于0.03~10 m深度范围内；冰层指的是含水量在90%以上，主要分布在5~10 m深度范围内。

2)相较于机械铲挖、常规钻取等方式，绳系式掘探器方案更加适应含冰星壤，具有深度跨度大、功耗低、可选择、结构简单、可靠性高的优点。

3)极地大范围高纯水冰采集方案是参照现有的比较成熟的Rodriguez Well技术，主要针对含水率高于90%的冰层样本，这类样本通过加热融化然后采集的方法采集，效率更高、功耗更低、可靠性更高。