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在地球上如何模拟月壤?

在地球上如何模拟月壤?

  广义的月壤是指覆盖在月球基岩之上的所有月表风化物质,甚至包括直径为几米的岩石。狭义的月壤则是根据月球样品的分类来定义的。 美国阿波罗计划负责月球样品地面接收的部门在对样品进行分类时,把直径不小于1厘米的团块归为岩石,称为月岩(Lunar Rocks);直径小于1 厘米的颗粒才是狭义上的月壤(Lunar Soil)。
  
  月壤研究包括化学成分、物理力学性质、微波辐照特性、光照反射特性、月尘特性,以及形成演化机制研究等多方面,对了解月球的形成与演化、月球探测仪器设备的地面标定、月球探测器的地面试验验证等具有重要的意义。
  
  在地面开展的不同领域的科研活动对月壤模拟材料的要求是不同的。例如,绕月探测器装载微波辐射计对月球进行微波观测,收集月球的微波辐射资料,对月壤厚度等做出评估,着重模拟月壤的微波介电特性;从月壤中提取氧气或对月壤进行烧结的研究,注重模拟月壤的化学成分。在研究着陆缓冲、航天员和月球车在月球上行走、月球取样、月壤力学性质原位测试、开挖、建造基地等问题时,着重模拟月壤的物理力学性质,如孔隙比、密度、内摩擦角、内聚力等。
  
  月壤颗粒的分选性普遍较差,颗粒直径以小于1 毫米为主,绝大部分颗粒直径在30微米至1毫米之间,中值粒径在40微米至130微米之间,平均为70微米。月壤的颗粒的形状从球形到极端棱角形,形态各异,长条状、次棱角状和棱角状的颗粒形态相对更为常见,锯齿状粒形使月壤颗粒之间互锁,相互滑行困难。
  
  月壤颗粒的平均比重与其中不同颗粒类型(如玄武岩、矿物碎片、角砾岩、粘合集块岩、玻璃等)的相对含量有关。大部分月壤颗粒的比重为2.3至3.2不等,绝大部分在2.9以上,明显高于地球土壤的颗粒比重。
  
  月壤研究一直是月球探测的重要组成部分,国内外均开展了大量探测活动,研究成果丰富。我国的“玉兔号”月球车上携带的4种探测仪器中,红外光谱仪可用于探测月壤的矿物成分,粒子激发X射线谱仪可用于探测月壤的元素丰度,测月雷达的探测任务则是月壤的厚度。
  
  为了在地球上获得能够模拟月壤主要特征的月壤模拟材料,在对从月球取回的月壤进行大量研究的基础上,采用与月壤化学成分和矿物成分基本相同的地球火山灰、玄武岩、钛铁矿等矿物,经机械破碎、筛分,并按一定比例配制,获得与月壤性质较为接近,能较真实地模拟月壤主要化学性质和物理力学性质的模拟月壤。
  
  美国是开展模拟月壤研究较早的国家,由美国国家航空航天局约翰逊空间中心主持研制的模拟月壤JSC-1,是由富含玻璃的玄武岩质黑色火山灰和火山砾沉积经研磨制成,颗粒平均相对密度为2.9。其化学成分、矿物组成、粒度分布和力学性质(压缩系数、内聚力、内摩擦角等)与阿波罗14登月点的低钛月海月壤相似。
  
  嫦娥工程极大地推动了我国模拟月壤研究的发展,2004年起,中国科学院就开始了以化学组分为控制目标的模拟月壤CAS-1、NAO-1的研究工作。其中CAS-1初始原料为吉林省辉南、靖宇的玄武质熔岩。其制备工艺为:将采集的火山渣在阴凉干燥通风处自然风干,剔除杂质后,采用球磨机将其研磨成粉末状,并充分混合均匀,研磨过筛,烘烤后冷却至室温。
  
  2005年,为了在地面实现月面的地形地貌模拟,中国空间技术研究院开始对巡视器原理样机的移动性能进行测试,利用吉林靖宇地区的火山灰,研制了TYII系列工程模拟月壤,将火山灰研磨后通过粒径级配制成。


  
巡视器地面试验月壤模拟效果

  
  照片显示了巡视器地面试验中使用的模拟月壤,以及玉兔号月球车在真实月面工作时的情景,在地面上开展的月壤模拟效果还是比较接近实际月球表面情况的。(南山)