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“白云说隧”之漫说月球隧道气动开挖法
2023-05-07 09:00:19 ℃自古以来,人们就对月球寄予了真情期望的遐想和充满诗意的赞美。古代,人们只能通过肉眼观察以及自己的想象来满足对月球的好奇心,因此诞生了“吴刚折桂“这样的美妙神话。自20世纪50年代开始,人类已经开始了对月球的空间探测,直到1969年美国阿波罗11号实现载人登月的梦想,人类开始利用科学方法对这一古老的天体进行研究。
月球探测的意义主要有以下几点:
1)为下一步进行深空探测提供了一个跳板。随着技术的不断成熟,可以在月球基地上建设空间转运站与发射场。2)可以在月球上建造庞大的“太空实验室”,开展一系列天文学、空间科学、近代物理学、生物工程学等的研究,研制和生产一系列特殊生物制品与特殊材料。3)可以利用月球丰富的矿产资源和能源。已探明在月壤中含有丰富的氦-3,利用氦-3进行核聚变具有反应能量大、污染较低等优点。月海玄武岩中还含有大量的钛、铁等资源。
随着嫦娥五号探测器的成功返回,探月工程取得了重大进展,未来的目标是建立有人值守的月球基地。由于月表没有大气层的保护,会受到陨石撞击,而且没有白昼黑夜;
因此,地下空间将是月球基地的最佳选择。然而,采用地球上常规的挖隧道方法建立月球基地,不仅困难重重,而且不是合适的方法。
首先是运输问题。动辄几t、甚至数十t的施工设备运输到月球,对现在的技术水平来说,几乎不可能;
即使将设备拆成零件,也会存在高昂的运输成本。
其次是月壤的高度磨损性。月壤颗粒在放大数倍之后,棱角分明。如果施工设备在这样的环境下工作,设备损耗会非常大,从而带来在月球环境维护设备以正常施工的难题。在地球上开挖隧道可以用炸药爆破,但在月球缺氧的环境下,化学爆炸是无法实现的。
鉴于上述原因,提出了采用压缩空气进行月壤开挖的新方法。
气动开挖这一理念最早由Schaefer、Zacny等提出。该方法表述为压缩气体进入真空环境时快速膨胀,气体分子与月壤颗粒相互碰撞,会产生炸药爆炸的效果,气体分子的动能转化为月壤颗粒的动能;
月壤颗粒将获得很高的速度,可以随气体经挖掘管运动到指定位置。该方法巧妙地利用了月球的高真空环境、月壤的无水导致的粉状特性和低重力以及火箭自带压缩气体的便利,因此不仅清洁、高效,而且没有运转复杂的机械设备,十分有利于月表环境的月壤开挖。
笔者研究团队早在10年前,应用气动开挖的理念研发了整套试验设备,用于模拟高真空环境下的气动法月壤采集。提出了气质体量效率的概念,即单位质量的压缩气体所能挖掘到的月壤质量,用于衡量压缩气体的挖掘效率。通过对挖掘管的姿态研究,即挖掘管插入月壤深度对气体质量效率的影响,发现挖掘管的插入深度和气体质量效率呈线性相关,挖掘管插入月壤深度越深,气体质量效率越高。通过研究压缩气体气压值与气体质量效率的关系,发现存在“最优压缩气体气压值”,即在同等条件下,在该气压值下单位压缩气体所能挖掘到的月壤是最多的。相关研究成果可以在知网上搜索《JSC-1A模拟月壤气动开挖试验研究》进行了解。
该研究获得了教育部高等学校博士学科点专项科研基金、长江学者和创新团队发展计划的资助,根据其研究成果提出的《基于气动法的月壤无人取样装置》获得了国防科工局举办的月球探测载荷创意设计征集活动“二等奖”。未来,希望我国航天事业的同行在笔者团队研究的基础上,继续对月表地下营地建设、月壤采集及开挖装置等方面开展研究,确保我国在探月工程领域走在世界的前列。
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