典型模擬火星土壤研究進展

　　摘要：火星土壤(簡稱火壤)是廣泛分布在火星表面的細粒風化物質,其物理力學性質是火星著陸及巡視探測需要考慮的重要因素之一。回顧了火壤的探測歷史,根據研制需求的不同,對國內外不同類型模擬火壤的物質組成、物理性質、力學特征等進行了對比分析。在此基礎上,認為在模擬火壤研制方面面臨以下困難和問題:缺少可供參考的火壤深層剖面數據;模擬火壤種類不全面;模擬火壤制備技術有待進一步改善。因此,未來模擬火壤的研制工作需要在以下幾方面加強:①利用地表風化玄武巖剖面,進行模擬火壤剖面類比研究;②開展(含鹽)凍土型、極端工況型等多種類型模擬火壤研制工作;③積極探索模擬火壤研制新方法。

　　本文源自載人航天,2020,26(03):389-402.《載人航天》雜志，于2003年經國家新聞出版總署批準正式創刊，CN:11-5008/V，本刊在國內外有廣泛的覆蓋面，題材新穎，信息量大、時效性強的特點，其中主要欄目有：基礎研究、成果應用、動態等。

　　1、引言

　　火星是地球的鄰星,是太陽系內與地球最為相似的天體,也是人類深空探測的重要目標。當前火星氣候寒冷干燥,表面覆蓋著大量未固結或固結較差的風化物質,被稱為火星土壤(簡稱火壤)[1],根據其粒度和膠結狀況可分為塵埃、砂狀、皮殼狀-團塊狀和塊狀四種類型[2]。多源遙感探測和就位探測數據均指示火壤的主要物質組成與地球玄武巖類似(表1)[3,4]。

　　勇氣號與機遇號搭載的微型熱輻射光譜儀(Mini-TES)[5]、好奇號搭載的化學與礦物學分析儀(CheMin)[6]的就位分析結果表明勇氣號探測器所在的古謝夫撞擊坑和機遇號探測器所在的子午線平原的火壤較為相似,主要由橄欖石、輝石、斜長石、Fe-Ti-Cr尖晶石、磷酸鹽等火成巖礦物和非晶硅、赤鐵礦、納米氧化物、粘土礦物、硫酸鹽+氯化物或硫酸鹽+氯氧化物等蝕變礦物組成[7,8,9,10],而好奇號(MarsScienceLaboratory,MSL)探測器所在的蓋爾撞擊坑內的火壤則由鎂橄欖石(～Fo62)、輝石、斜長石(～An57)、硬石膏、磁鐵礦、赤鐵礦、鈦鐵礦[11,12](表2)等礦物組成,同時含有27±14wt%的非晶態物質,可能是富含Fe3+和揮發分的多相物質,其中包含一種類似硅鐵石的物質。結晶部分礦物組成與古謝夫撞擊坑和玄武質隕石相似,非晶態物質則與夏威夷火山區的風化土壤相似[11]。

　　火星著陸探測困難重重,火壤的物理力學性質對火星著陸及巡視探測十分重要。目前僅能通過已有的火星著陸器及巡視器機械臂對火壤的挖掘和車輪與火壤之間的交互試驗進行估算[20](表3)。為了更好地為火星的著陸與巡視任務做準備,在探測器發射之前,需要在地面盡可能的模擬火星表面進行一系列工程試驗[21],如著陸器沖擊試驗[22,23]、火星車行走試驗[20,24]、火星邊坡穩定性分析[25]、火星車取樣試驗[26]等。此外,科學研究也需要用到大量火壤,如原位資源利用[27]、建筑材料加工[28,29]、火壤原位取水技術[30]、生物培養技術[31]、含水火壤的流變性研究[32]等。

　　然而,人類在最近五十年里的40余次火星探測均未實現火星土壤的采樣返回[33]。在火星探測工程實施和科學研究中,可在地表實驗室里用于研究和測試的真實火星樣品只有火星隕石,且數量極為有限,無法滿足地面工程試驗的大量需求。因而,開展模擬火壤樣品研制工作用來代替真實火壤進行一系列科學研究和工程試驗是十分必要的。目前,美國已經多次成功進行火星著陸探測工作,其模擬火壤技術較為成熟,歐空局和俄羅斯也進行過相關工作,積累了大量的經驗。而中國的火星探測還處在起步階段,計劃在2020年發射火星探測軌道器和火星車,首次進行火星表面巡視探測工作[34]。

　　發射前需要大量模擬火壤進行地面驗證試驗,國內對模擬火壤的需求增大,由于國外模擬火壤產量和出售限制等原因,中國難以進口大量成品模擬火壤,這也促使國內科研團隊開展模擬火壤研制工作。本文在充分調研的基礎上,對國內外不同類型模擬火壤的物理化學特征進行對比分析,總結歸納模擬火壤研制過程中面臨的困難和問題,并對未來模擬火壤工作提出展望,期望為我國將來的火星探測提供參考。

　　2、模擬火壤的研制現狀

　　由于真實火壤形成過程的復雜性和特殊性,地面人工模擬樣品不能做到與真實火壤完全相似,因而模擬火壤往往只能在某些方面達到與真實火壤較為相似,或者模擬某些極端工況下的火壤。目前,公開報道的有四十余種模擬火壤,根據其研制之初的主要用途,通常可分為科學研究用模擬火壤和工程試驗用模擬火壤,其制備工藝也有所差別。

　　2.1 科學研究用模擬火壤

　　該類型的模擬火壤首先要保證物質組成和化學成分與真實火壤盡可能相似,然后再考慮其他性質的相似性。根據其研制目的,主要分為光譜類模擬火壤、天體生物學研究類模擬火壤和原位資源利用類模擬火壤。

　　2.1.1 光譜類模擬火壤

　　光譜類模擬火壤以美國的JohnsonSpaceCenterMarsSimulant(JSCMars-1)型、MarsGlobalSimulant(MGS-1)型和JezeroDeltaSoilSimulant(JEZ-1)型模擬火壤為代表,而國內的則是JiningMartianSoilSimulant(JMSS-1)型模擬火壤(表4)。JSCMars-1型模擬火壤于1998年由美國約翰遜空間中心(JohnsonSpaceCenter,JSC)研制,原材料選自夏威夷火山錐蝕變火山灰和火山渣,經機械破碎、烘干和篩分而成。

　　2005年美國Orbitec公司從JSC獲得JSCMars-1的授權,從同一源區采集原料研制了新一批樣品銷售,并命名為JSCMars-1A。JSCMars-1的研發初衷是光譜型模擬火壤,但目前已被科學界廣泛應用到各類科學研究和探測器工程試驗中[44]。JSCMars-1為粒徑小于1mm的顆粒物,顆粒類型分為兩種,有磁性的部分蝕變較少,主要由斜長石、鈦磁鐵礦及少量的輝石、橄欖石及玻璃組成,粘土礦物含量小于1wt%[39]。無磁性部分與磁性部分礦物種類相同,但隨著蝕變程度增加礦物含量降低,非晶態鐵氧化物含量增加。較之火壤,JSCMars-1化學成分中的SiO2、Fe2O3和CaO與火星表面較為接近,而Al2O3和TiO2含量相對較高,MnO含量偏低,揮發分含量較高(表4)而體密度相對較小(表3)。

　　JSCMars-1是典型的光譜用途模擬火壤,其可見光-近紅外反射光譜與火星上奧林帕斯-亞馬遜的明亮區域的(熱輻射光譜儀(TES)數據反照率≥0.2)光譜特征十分接近(圖1)[39,44,46],這些明亮區域成分以風化玄武巖為主,表面通常被灰塵覆蓋[47],這一特點也是選擇其作為原料的重要依據。光譜數據表明在波長400～1000nm范圍內,二者極為相似,三價鐵特征光譜顯示JSCMars-1中結晶赤鐵礦要低于火星表面。JSCMars-1的光譜在1400nm和1900nm還表現出明顯的水吸收峰,這與原料取自火山灰和火山渣吸水性較強特性相關。JSCMars-1的含水率較高,其在100℃時失水7.8wt%,在600℃時燒失量可達21.1wt%[39],這一特征與火壤有明顯的差異。海盜一號和海盜二號著陸區的火壤在加熱到500℃時測得的含水率均為0.1～1.0wt%[48],好奇號火星車將蓋爾撞擊坑的石巢(Rocknest)風積物加熱到約835℃后測得其含水量為1.5～3wt%,這一揮發分散失溫度指示這部分水存在于火壤的非晶成分中[49]。火星奧德賽探測器搭載的伽馬射線譜儀數據也顯示全球火壤中水分含量基本在3wt%以下[50]。

　　MGS-1型模擬火壤由美國中佛羅里達大學研制,代表了火星表面低含硫礦物類型的火壤,模擬對象為蓋爾撞擊坑石巢區域的風積土壤[51]。原材料選取了來自Stillwater的雜巖、Madagascar的富拉玄武巖和NorthCarolina的斜長石、來自巴西的古銅輝石和來自SanCarlos的高鎂橄欖石。根據好奇號搭載的XRD結晶礦物的分析結果和對非晶態成分的推斷,按照配方比例將礦物(長石、輝石、橄欖石)和玄武質玻璃混合后,再將混合物顆粒與水以及五水偏硅酸鈉(粘合劑)按100:20:2的重量比充分攪拌混合,然后使用微波爐加熱除去水分形成固體塊狀物質,再進行機械研磨,并加入次生礦物(水合二氧化硅、硫酸鎂、水鐵礦、硬石膏、菱鐵礦和赤鐵礦)邊攪拌邊研磨成細粉,篩分出粒徑小于1mm的物質作為最終的MGS-1模擬火壤。

　　MGS-1模擬火壤的反射光譜與之前的模擬火壤和來自火星車和軌道器的數據進行比較的結果顯示,在較短的波長(400～1100nm)下,MGS-1的波形和反射率與好奇號桅桿相機獲得的石巢地區火壤的光譜大致相似(圖1)[51,53]。而在較長波長下,則與火星快車(MarsExpress)搭載的OMEGA光譜儀測得的地反照率區域相似[54]。MGS-1型模擬火壤的自然體密度為1.29g/cm3,而火星探路者號著陸區的模擬火壤被認為體密度為1.07～1.64g/cm3、海盜1號著陸區表面的松散堆積物天然密度約為1.15g/cm3,與已知的火星著陸器和巡視器探測結果基本相符。目前,尚沒有關于MGS-1型模擬月壤的土力學相關研究數據。

　　圖1模擬火壤相對反射光譜與火星遙感光譜對比研究[33,36,44,51]

　　JEZ-1型模擬火壤由MGS-1研制,用于模擬美國Mars2020探測任務預選著陸點Jezero撞擊坑內三角洲的火壤[52]。根據軌道遙感數據對Jezero撞擊坑內三角洲沉積物的探測結果,在MGS-1的基礎上添加了粘土礦物(蒙脫石)、碳酸鎂、硫酸鎂和額外的橄欖石。JEZ-1的粒度小于1mm,平均粒徑約38μm,天然體密度為1.45g/cm3。其他性質尚未見相關報道。

　　JMSS-1型模擬火壤由中國科學院地球化學研究所月球與行星科學研究中心研制[33]。JMSS-1以內蒙古集寧玄武巖為原材料,并添加磁鐵礦和赤鐵礦,配比為93∶5∶2,彌補了集寧玄武巖鐵含量低于火壤的不足。JMSS-1顆粒粒徑小于1mm,顆粒形態呈棱角-次棱角狀。礦物組成主要為斜長石(鈣長石)、輝石(普通輝石)、橄欖石(透鐵橄欖石)、少量鈦鐵礦、磁鐵礦和赤鐵礦,未發現蝕變礦物。JMSS-1和JSCMars-1模擬火壤以及海盜號、火星探路者號、勇氣號、機遇號、好奇號著陸點的真實火壤主量元素含量較為接近,天然體密度為1.45g/cm3,顆粒密度為2.88g/cm3,孔隙度為49.65%,內摩擦角約為40.6°,內聚力為0.33kPa,均與實際火壤相近[33]。JMSS-1型模擬火壤具有與火星玄武巖質火壤相似的化學成分、礦物學和物理力學性質,可用于中國未來火星探測科學研究和工程試驗。

　　2.1.2 天體生物學研究類模擬火壤

　　火星表面存在稀薄大氣和液態水,為生命存在創造了條件。為了在地表模擬火星不同環境下生物的存活情況,多個團隊研制了一系列模擬火壤,代表類型為德國的PhyllosilicaticMarsRegolithSimulant(P-MRS)型和SulfaticMarsRegolithSimulant(S-MRS)型模擬火壤,美國的UniversityofFloridaMarsSimulates(UFAcid-Alkaline-SaltBasaltAnalogSoils)系列和YellowknifeMarssimulate(Y-Mars)型模擬火壤,英國的OpenUniversityMarssimulate(OUEB/SR/HR/CM)系列模擬火壤。

　　P-MRS和S-MRS型模擬火壤由德國航空航天中心(GermanAerospaceCenter,DLR)研制,其原材料主要包括火成巖、層狀硅酸鹽、碳酸鹽、硫酸鹽和鐵氧化物,其中火成巖由輝石、斜長石(輝長巖)和橄欖石(純橄欖巖)組成,除此之外,還添加了一些石英和赤鐵礦[52,55,57],經過混合、破碎,篩分出粒度小于1mm樣品作為P-MRS和S-MRS。P-MRS和S-MRS的物質組成和化學成分(表5)與實際火壤具有一定差別,二者主要模擬火星表面可能存在的兩種不同化學環境。

　　P-MRS用于模擬火成巖在中性pH流體環境下部分礦物蝕變成蒙脫石群(蒙脫石、綠泥石和高嶺石)礦物[58,59],樣品中還包括菱鐵礦和菱鎂礦。S-MRS用于模擬硫酸鹽沉積的酸性環境,除了火成巖和無水氧化鐵外,還包括針鐵礦和石膏[57]。也曾被DLR用來測試ExoMars2018上搭載的拉曼激光光譜儀識別有機物和礦物的能力[55]。此外,二者還被廣泛應用于許多天體生物學實驗,包括微生物研究[56,57]和國際空間站實驗[60,61]。P-MRS和S-MRS的其他性質未見相關報道。

　　UF系列模擬火壤由美國佛羅里達大學研制,主要用于測試火星條件下微生物菌落在不同化學環境模擬物中的存活情況。主要包括玄武巖(無毒對照)、酸性土壤(機遇號著陸點黃鉀鐵礬土壤)、堿性土壤(富碳酸鹽)、風成土壤(火星全球)、高氯酸鹽土壤(鳳凰號著陸點)和高鹽土壤(勇氣號著陸點)六種模擬樣品,原料以明尼蘇達州Duluth玄武巖為基礎,添加不同鹽類,經過研磨后,篩分出粒度小于200μm樣品[64]。

　　Y-Mars型模擬火壤由英國天體生物學中心研制,其模擬對象為蓋爾撞擊坑黃刀灣的Sheepbed泥巖,根據MSL攜帶的X射線衍射儀對其分析結果[65],在地表選擇相同或相似礦物代替,按照一定的重量比混合后在碳化鎢磨粉機中粉碎。Y-Mars的粒徑范圍為0.5～3.0μm,平均值1.2μm,標準偏差為0.5μm。可見到近紅外反射光譜表明Y-Mars的整體反射率更藍,這與大多數火星表面物質(通常覆蓋著灰塵)的反射率相同。在紅外階段具有一定相似性,但缺少～1.4μm和1.9μm與OH/H2O相關的吸收特征,但在2.15～2.3μm卻表現出Al-和Fe/Mg-OH相似的特征。其他相關性質未見有報道。Y-Mars研制的主要目的用于未來的天體生物學研究,與普遍使用的火山物質模擬物相比,火星沉積環境的模擬物具有更大的天體生物學意義[62]。

　　OU系列模擬火壤由英國開放大學研制,用于測試過去或現在不同環境對生命的支持等天體生物學研究,是首批Fe2+/Fe3+比值與火星相似的模擬火壤[63]。根據火星表面四種不同化學環境研制了4種新的模擬火壤及4種Fe改良品種:①玄早期玄武質(EarlyBasaltic,EB)土壤OUEB-1和OUEB-2的模擬對象為Zagamishergottite隕石;②富硫(Sulfur-rich,SR)土壤,OUSR-1和OUSR-2的模擬對象為機遇號著陸點PasoRobles樣品;③富赤鐵礦(Haematite-rich,HR)土壤,OUHR-1和OUHR-2的模擬對象為子午線平原Hema2樣品;④現代火星土壤(ContemporaryMars,CM),OUCM-1和OUCM-2模擬對象為蓋爾撞擊坑Rocknest樣品。OU系列模擬火壤原材料為德國德國埃菲爾地區Mayen的第四紀熔巖流中的響巖質堿玄巖,其他原料如純橄欖巖、石英、石膏、磁鐵礦、黃鐵礦、斜長巖和赤鐵礦、磷灰石、硅灰石和鐵硅酸鹽玻璃則從不同公司購買。

　　樣品經過破碎和篩分,按照不同模擬對象的成分和粒度配置不同樣品。其化學性質都與它們所模擬的對象化學性質相當(在～5wt%范圍內)。OU系列模擬火壤的粒度主要集中在400～900μm,小于300μm樣品含量較少。OUSR-1和OUSR-2天然體密度最高(分別為1.95和1.81g/cm3),而OUEB-1和OUEB-2的最低(分別為1.58和1.56g/cm3)。其孔隙率在47～52%之間,OUHR-1最高,OUSR-1最低。海盜號著陸點火壤的體密度估算為0.57～1.60g/cm3,孔隙率為31%～58%[35,66,67,68],而火星探路者探測區域最高估算可以達到2.0g/cm3[69]。OU系列模擬火壤雖然是為天體生物學研制,其物理性質也與火壤具有一定的相似性,也可用于未來工程測試。

　　2.1.3 原位資源利用類模擬火壤

　　原位資源利用(In-SituResourceUtilization,ISRU)技術是指就地利用地外天體表面的土壤、大氣、水冰、礦物等資源來制造人類長期生存所需物資的技術。隨著ISRU技術的研究需求,多種模擬火壤應運而生。代表類型為新西蘭的UniversityofCanterburyMarsSimulant(UCMars1)型模擬火壤,美國的MarsGlobalSimulant-ClayVariety(MGS-1C)型、MarsGlobalSimulant-SulfateVariety(MGS-1S)型、NortheasternUniversityMarsSimulant(NEUMars1)型和RocknestAugmentedMMS型模擬火壤(表6)。

　　UC(UniversityofCanterbury)Mars1型模擬火壤由新西蘭坎特伯雷大學研制[52,73]。模擬對象為火星古謝夫撞擊坑火壤。UCMars1以新西蘭班克斯半島的橄欖玄武巖和火山玻璃為原料,分別清洗晾干后的樣品經過液壓機破碎后送入顎式破碎機,篩分出粒度大于700μm樣品(～50%),采用0.53mm平板研磨。兩種原料經過不同研磨方式獲得四種樣品,由于樣品中灰塵數量(<45μm)高于火星表面,通過洗滌部分樣品降低灰塵含量。

　　然后在50℃情況下干燥除去多余水分。至此一共產生8種樣品,根據古謝夫撞擊坑樣品特性,從未洗過的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去小于590μm的細粒,并從洗過的橄欖玄武巖和火山玻璃中除去大于300μm的粗粒。最終按照47wt%的橄欖玄武巖(顎式破碎機,2000～590μm),37wt%的洗過的橄欖玄武巖(0.53mm平板研磨,≤300μm),7wt%的洗過的火山玻璃(顎式破碎機,2000～590μm)和9wt%的洗過的火山玻璃(0.53mm平板研磨,≤300μm)的比例混合得到UCMars1型模擬火壤。UCMars1的顆粒形態主要為棱角狀,少量呈次棱角狀,顆粒密度為2.7g/cm3,內摩擦角為35°,與其他模擬火壤34°～53°內摩擦角和古謝夫撞擊坑通過邊坡穩定性估算的內摩擦角13°～38°相符[25]。內聚力沒有相關報道。UCMars1型模擬火壤研制目的是為了測試ISRU技術,目前主要用于建筑和基礎設施開發。

　　MGS-1S型和MGS-1C型模擬火壤由MGS-1研制團隊開發[51],專門用于火星水原位資源利用計劃(MarsWaterIn-SituResourceUtilizationPlan,M-WIP)[74]。MGS-1S型模擬火壤在MGS-1基礎上添加多水硫酸鹽石膏,而MGS-1C型模擬火壤則是添加含水粘土礦物蒙脫石。MGS-1S與MGS-1C粒度均小于1mm,但MGS-1S相對較粗,平均粒度達到119μm,而MGS-1C平均粒度只有24μm。M-WIP的研究結果表明MGS-1C含水粘土型模擬火壤有利于火星上水的提取。就提取水的質量和所需功率而言,MGS-1S硫酸鹽型模擬火壤明顯優于一般火壤和富含粘土的沉積物,并且兩種類型的沉積物相比永久凍土更容易獲取和開采[52]。目前尚沒有關于MGS-1S和MGS-1C的土力學相關研究數據。

　　NEUMars-1型模擬火壤由中國東北大學研制[70],以內蒙古烏蘭察布察哈爾火山群玄武巖作為原材料,經過清洗、烘干、研磨、分選成不同粒徑后,再添加磁鐵礦和赤鐵礦,按照93∶4∶3的重量比混合,以保證鐵含量為16～22wt%。NEU-Mars-1的礦物組成主要為斜長石(47wt%)、輝石(24wt%)、橄欖石(15wt%)、伊利石(9wt%)、褐鐵礦(3wt%)以及其他成分(2wt%),這與“好奇號”探測火壤礦物成分相似,只是NEUMars-1斜長石含量相對較高,橄欖石相對較低,缺少硫酸鹽和碳酸鹽。其化學成分與火壤和其他模擬物相比,NEUMars-1的堿金屬氧化物(Al2O3,Na2O和K2O)含量相對較高,而MgO含量較低。NEUMars-1粒徑主要分布在0.1μm～1200μm,少數粒徑小于100μm,中值直徑為247.172μm。NEUMars-1的玻璃化轉變溫度為547.8℃,結晶溫度為795.7℃。目前,尚沒有關于NEUMars-1土力學相關研究數據。NEUMars-1型模擬火壤研制的主要目的是ISRU技術研究需求,目前主要用于金屬和氧氣的提取。

　　除了以上3種ISRU技術用模擬火壤,美國JSC研究團隊的[75]基于MojaveMarsSimulant(MMS,后文詳細介紹)開發了RocknestAugmentedMMS型模擬火壤,用于測試ISRU水提取技術。通過向MMS樣品中添加含水硫酸鹽(MgSO4·7HO、FeSO4·7H2O)、高氯酸鹽(NaClO4)和粘土礦物(伊利石IMt-2)來匹配蓋爾撞擊坑Rocknest樣品的水揮發曲線。

　　除了以上典型模擬火壤外,科學研究用模擬火壤還有KoreaMarsSimulant(KMS-1)型模擬火壤,KMS-1由韓國漢陽大學研制,用于科學研究和相關工程試驗[52,71,72]。其原料為韓國京畿道北部延川市漢唐崗河沿岸的玄武巖,主要礦物為斜長石(48.9wt%)和橄欖石(31wt%),含少量輝石(14.2wt%)和磁鐵礦(5.8wt%)。KMS-1經過磨盤破碎篩分成兩種粒度,粒度小于3mm的細沙和粒度小于1mm的細塵。其化學成分較之真實火壤富Al2O3、CaO和K2O,貧FeOT、MgO[52]。由于相關資料較少,其具體用途和其他特性不明。

　　2.2 工程試驗用模擬火壤

　　火星表面的重力約為地球表面的三分之一,因此即便化學成分和礦物組成一致,模擬火壤在地表的的力學特性也和真實火壤有一些差異,無法滿足探測器的工程試驗或者極端工況下的試驗。因而部分團隊轉而開始研發工程試驗專用模擬火壤,該類型模擬火壤首要考慮因素是其某些物理力學特性盡可能與真實火壤相近,如顆粒形態、粒徑級配、密度、含水率、內聚力、內摩擦角、承壓等。因而,其原材料的選擇范圍更加廣泛,除了玄武巖之外,一些低密度的礦物(如石英)也在考慮之列,以模擬火星表面的低重力環境下火壤的力學特性。目前,工程試驗用模擬火壤研制種類較多,如MojaveMarsSimulant(MMS)、SaltenSkovI、SurreySpaceCentreMarsSimulate(SSC)系列、EngineeringSoil(ES-X)系列、JilinUniversityMarsSimulant(JLUMars)系列、DLR系列、JetPropulsionLaboratory(JPLlab)系列、MarsExplorationRover(MER)系列模擬火壤等。

　　JSCMars-1型模擬火壤在實際使用中由于吸水性問題在一些試驗中效果不佳。如美國鳳凰號探測器升空前在地面開展工程試驗,模擬火星環境下被挖掘出的永久凍土中水的升華損失,研究者發現干燥的JSCMars-1由于吸水速度過快而很難重現實驗結果[76]。為了解決這一難題,研究者需要選擇吸水性較低的物質替代,因而研制了MMS型模擬火壤[36]。MMS的原材料取自美國加利福尼亞州莫哈維(Mojave)沙漠西部的玄武巖,經過破碎成砂,并收集破碎過程中的粉塵,最終用玄武巖石塊、玄武質砂、灰塵分別模擬火星表面的石塊、火壤及灰塵[36]。MMS主要由斜長石、富鈣輝石和少量的磁鐵礦組成,還含有微量的鈦鐵礦和富鐵橄欖石。

　　與真實火壤的探測結果相比,MMS化學成分中的SiO2、Al2O3和CaO的含量相對較高,而Fe2O3、P2O5和SO3含量則偏低。紫外-可見-近紅外反射光譜表明MMS砂與JSCMars-1較為相似(圖1)。2016年,美國火星花園(MartianGarden)公司采用MMS同樣原料研制了MMS-1型模擬火壤用于商業出售。隨后又開發了增強型模擬火壤MMS-2。MMS-2基于MMS-1在樣品中添加了Fe2O3、MgO、硫酸鹽和硅酸鹽,使其在化學成分上與火星更為相似(表4)。MMS型模擬火壤曾被用來測試早期型號的鳳凰號的機械挖斗和快速主動樣品打包系統,也被用來測試好奇號的鉆取、移動和著陸系統。除此之外,MMS也曾被用來模擬火星高緯度地區年度水循環試驗[76]。

　　SaltenSkovI型模擬火壤由丹麥奧爾胡斯大學研制,用于模擬火星塵埃,旨在通過風洞試驗研究火星塵埃的帶電特征、運動特性和顆粒間吸附性等。SaltenSkovI的原材料取自丹麥的中日德蘭半島暗紅色沉積物,這些沉積物富含針鐵礦、赤鐵礦和磁鐵礦。SaltenSkovI粒徑小于63μm,且顆粒單個粒子的中值粒徑為1μm,這與真實火星塵埃的粒徑比較相近。SaltenSkovI的磁學性質、光學性質、電性質與火星塵埃也較為接近。但由于SaltenSkovI是由純的鐵氧化物組成,與真實的火星塵埃(硅酸鹽成分)差距很大。模擬火星塵埃SaltenSkovI已被廣泛用于空氣動力學、粘附性、內聚力和電學實驗等測試,并被用于風洞試驗[42,77]。

　　SSC系列模擬火壤是由薩里空間中心(SurreySpaceCenter,SSC)研制,用于測試火星車在不同類型模擬火壤中的通過性能。SSC-1型模擬火壤原材料為未清洗的石英砂,粒度從～63μm～1.3mm不等,含有少量粉砂。SSC-2型模擬火壤原材料為石榴子石,由不同粒度石榴子石級配而成,粒度從～45～90μm不等,中值粒徑約為260μm,與JSCMars-1型模擬火壤中值粒徑(～250μm)相近。兩種類型模擬火壤的土力學性質也有部分差異。SSC-1的體密度從1.615g/cm3增加至1.708g/cm3,內摩擦角從39.44°增加至43.97°,內聚力從644Pa降低至616Pa。SSC-2密度從2.227g/cm3增加至2.384g/cm3,內摩擦角反而從43.34°降低至41.93°,內聚力從1021Pa增加至2246Pa。這種異常的出現與模擬火壤原料在顆粒尺寸、級配和體密度的差異有關[43]。

　　ES-X(EngineeringSoil)系列模擬火壤由歐洲空間局研制,用于ExoMars火星車的機動性。ES-X包括火星塵埃模擬物(ES-1)、火星細粒風成沙模擬物(ES-2)和火星粗砂模擬物(ES-3)。其原材料為霞石和石英粉末,再通過粒徑配比研制而成。ES-X的礦物組成、化學成分和磁學性質都與真實火壤的性質差別很大,但是ES-X的粒度分布、顆粒形態都與火壤相似[41,78]。ES-1模擬火壤呈棱角狀,最大粒徑約32μm,最小粒徑小于10μm,接近火星表面塵埃的粒度;ES-2呈棱角-次棱角狀,粒徑介于30～125μm之間,與火星表面風成沙類似;ES-3呈次圓-圓狀,粒徑30～20000μm,能代表火星表面的粗砂[41]。

　　JLUMars系列模擬火壤由吉林大學研制,包括JLUMars1、JLUMars2和JLUMars3三種不同粒徑分布的模擬火壤。其主要用于測試不同粒徑條件下火星巡視探測器的移動性、通過性、試驗和驗證輪壤相互作用[20,79]。JLUMars系列模擬火壤原材料采用吉林省靖宇縣雙山火山的火山渣,經過烘干、機械破碎和篩分,再根據設計的粒徑分布曲線將不同粒度的半成品混合成不同類型模擬火壤。JLUMars系列模擬火壤的顆粒形態呈長條狀和次棱角狀,與JSCMars-1的主量元素含量相近,但與機遇號、勇氣號測得的火壤平均成分存在一定的差距。JLUMars系列模擬火壤天然密度為0.95～1.52g/cm3,孔隙率在43.07%～64.42%之間,顆粒密度為2.67g/cm3,內聚力范圍為0～1.4kPa,內摩擦角范圍為37°～52°,孔隙比、相對密實度等都與實際火壤相近[20,80]。該團隊利用相同原料還開發了JLU5Mars-4型模擬火壤,主要用于著陸器沖擊試驗。JLU5Mars-4的天然密度為0.95～1.13g/cm3,中值粒徑為194μm,含水率為0.19%,其摩擦系數為0.39～0.56,均值為0.46,承載強度6.3～22.5kPa[26]。

　　除以上典型模擬火壤外,工程試驗用模擬火壤還有DLR-A、DLR-B、JPLlab107、JPLLab82、MERYard317和JPLMarsYard幾種類型。德國DLR在ExoMars項目研制過程中,研制了DLR-A和DLR-B兩種類型模擬火壤,用于測試的車輪與火壤的相互作用。DLR-A和DLR-B的內聚力分別為0.19kPa和0.41kPa,內摩擦角分別為24.8°和17.8°[78,81]。美國JPL曾利用JPL系列和MER系列模擬火壤進行火星斜坡穩定性分析及測試火星探測車和其他設備。這四種模擬火壤均經過洗滌去除粉砂,使JPLlab107、JPLLab82、JPLMarsYard的粒度主要分布在0.4～1.0mm的范圍。其中JPLMarsYard依然含有2%的粉砂物質,這可能與其含花崗巖粉末有關。而MERYard是這四種模擬火壤中粒度分布最均勻的[25]。

　　3、模擬火壤研制面臨的困難與問題

　　3.1 缺少可供參考的火壤深層剖面數據

　　目前,人類對火壤特性的認知滯后于月壤,由于尚未實現火壤的采樣返回,僅有火星著陸器和火星車在表面以下十幾厘米范圍內進行過抓、挖、刮、鉆等原位取樣分析工作,缺少火星表面以下幾米范圍內深層火壤的鉆探取樣工作,因而我們對于火壤的物質組成、化學性質和物理力學性質的認知還停留在表層。通過軌道器的遙感數據可以獲得表面以下部分區域火壤剖面的形貌特征,但無法獲知其物理力學特性。如在美國洞察號(InSight)火星探測任務中,提前通過高分辨率影像獲得了著陸區的剖面數據,結合前期對火壤的認知,設計了可以自動鉆探的熱流和物理特性探測儀,原計劃自動鉆探到火表以下約5m的位置[82],但在第一次鉆探到大約30cm位置時,便無法深入,可能原因是深部火壤的特性比預期中更加密實,火壤摩擦力不足[83]。因此,缺少可供參考的火星表面以下幾米深度剖面上土壤物理力學特性變化的數據,嚴重制約了火星深部鉆取用和原位資源利用類模擬火壤的研制工作。

　　3.2 模擬火壤種類不足

　　目前公開發表的模擬火壤種類有四十余種,涵蓋了火星表面不同化學環境下的土壤,除了典型的玄武質土壤,還包括酸性、堿性、粘土型、泥巖型、高氯酸鹽型、氯鹽型、硫酸鹽型、碳酸鹽型、赤鐵礦型等模擬火壤。然而,諸多證據表明火星表面曾經存在流水活動[84,85],也曾發現一些與水相關的沉積構造[86,87]和礦物[4,84,88,89],鳳凰號探測器的挖掘實驗也直接觀測到了火星表面水冰的存在[90,91]。遙感探測的研究結果也表明火星淺表層存在大量的水冰,覆蓋了火星表面1/3面積,穩定存在于40°以上中高緯度或表以下幾厘米至幾十厘米深處[92,93,94]。這些區域是最有可能保存生命或生命遺跡的地方,是當前火星探測的熱點。火星上的水不全是純水,也存在含鹽鹵水[95],在淺表層火壤中的賦存的狀態可能為(含鹽)水冰混合凍土或者純冰層[95,96,97,98]。根據地表含鹽凍土的研究,(含鹽)水冰的參與會改變火壤的結構,導致火壤物理力學性質發生極大的變化,并且氯鹽、碳酸鹽和硫酸鹽等不同成分的鹽類和不同濃度的鹽類產生的影響有所不同[99,100,101]。鳳凰號在火星表面的反鏟作業中遇到的阻力在3～5cm深的凍土界面上隨著火壤深度的增加而變強,這些火壤在外觀和性質上與海盜二號所拍攝和挖掘的粘性較弱的殼狀-塊狀火壤相似,并且認為吸附的H2O是導致火壤性質變化和內聚力強度變化的主要原因[102]。但相關類型火壤模擬研制工作滯后,少量學者進行過相關試驗,如國外學者在JSCMars-1中添加不同含量的蒸餾水冷凍后測試了抗彎強度和彈性模量,未進行取樣試驗[103]。有國內學者利用含冰模擬火壤開展了鉆取試驗[94],但公開資料較少。

　　3.3 模擬火壤制備技術有待進一步改善

　　從模擬火壤研制發展歷程來看,其研制的目的決定了原料的選取,原料的差異決定了制備工藝的區別。傳統模擬火壤的制備方法總結為全巖模擬法和單礦物模擬法。全巖模擬法通常選取礦物成分和化學成分與模擬對象相似的巖石,原料經過烘干后破碎篩分成不同粒級半成品,然后根據模擬對象特性進行混合,原料為單一來源。單礦物模擬法根據研制目的需求選用單一礦物作為原料,或根據模擬對象的物質組成比選用不同礦物作為原料,烘干后分別破碎篩分成不同粒級的半成品,根據模擬對象的特性決定原料的成分和比例并混合。火壤是巖石經過物理和化學風化綜合作用的產物,由于地球和火星巖石演化的差異性,全巖模擬法中地球的天然巖石樣品無法兼顧所有礦物和化學成分的比例相似(如Fe2+/Fe3+)。而單礦物模擬法中,樣品顆粒形態多以礦物碎屑為主,而非火壤的巖石碎屑,其物理力學性質具有一定差異,無法兼顧。

　　4、結論與展望

　　本文對典型模擬火壤的化學性質、礦物種類和物理力學性質進行了統計,提出了當前模擬火壤研究中存在的問題,針對上述問題,本文認為未來模擬火壤的研制工作存在以下趨勢和方向:

　　1)開展模擬火壤剖面研究工作。可在野外選擇風化玄武巖天然剖面進行相關測試工作,結合火星其他數據和輪壤相互作用,在室內構建模擬火壤剖面。

　　2)開展不同類型模擬火壤研制工作。模擬火星低溫環境,開展(含鹽)凍土型模擬火壤、極端工況型等不同類型模擬火壤研制工作,豐富模擬火壤種類。

　　3)積極探索模擬火壤制備新方法。目前,JMSS-1型模擬火壤嘗試采用全巖模擬法添加單礦物進行成分優化,MGS-1型模擬火壤采用新方法融合多種礦物,再進行破碎從在化學成分、光譜特征和物理力學性質方面均做到了一定的相似性,獲得了一定的成果。持續開展新技術和新方法研究,將全巖模擬法和單礦物模擬法有機結合在一起,將是未來模擬火壤制備方法的發展趨勢。

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