超臨界二氧化碳射流火星采樣技術研究

楊曉峰 黃彥如 龐勇

(1 中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083)(2 北京衛星制造廠有限公司，北京 100094)

火星是太陽系八大行星之一，屬于類地行星。火星與地球頗為相似，火星的自轉速度與地球幾乎相等，有四季交替的氣候變化，火星大氣層中也存在臭氧層，可以吸收太陽光中的紫外線，有高原、平原等地貌，某些地區甚至還有豐富的水資源存在，為火星創造了有利于生物生長發育的條件[1-2]。經過長期的天文觀測和空間探測，科學家推斷火星最有可能存在過生命或適宜生命繁衍[3]，也是最有可能供人類移居的星球。因此，火星探測研究將為在火星建立永久居住基地，擴展人類生存疆域奠定基礎，對人類的未來生存和發展有著十分重大的意義。

鉆探取樣是火星探測的重要內容，目前世界各航天強國對火星的探測取樣工作明顯加速，尤其美國洞察者號火星探測取樣器已經于2018年登陸火星并開始嘗試對火星地層進行鉆探取樣，并計劃在2030年前后選擇合適地區實施載人火星登陸。中國計劃在2020年發射火星探測器，對火星進行初步探測，并計劃在2030年前后實施火星取樣返回工作，獲取火星地層結構數據[4]。但火星地質條件復雜，尤其是硬巖地層鉆進困難阻礙了火星地層探測的成效，開發火星復雜環境下有效的硬巖鉆進技術和取樣裝置勢在必行。

本文從火星采樣技術研究現狀出發，提出了原位利用火星豐富的二氧化碳資源開發超臨界二氧化碳射流輔助破巖的技術構想。圍繞火星復雜地層破巖這一主題，分析了超臨界二氧化碳射流輔助破巖的機理、可行性和應用前景，介紹了超臨界二氧化碳火星采樣系統的基本組成，論述了超臨界二氧化碳射流輔助破巖的關鍵技術和難點，旨為火星鉆探采樣技術研究的深入推進提供思路和研究參考。

1 火星采樣技術研究現狀

火星氣候和地質環境條件極其復雜，尤其是堅硬巖層分布廣泛，低氣壓、低重力、強輻射及晝夜溫差大等不利因素極大地增加了硬巖破碎難度[5]，如果沿用傳統方法破巖，就會在一定深度出現鉆進受阻、停滯和鉆具破壞等情況。從20世紀50年代至今，世界多個國家對地外天體鉆進取樣技術進行了諸多探索,火星采樣技術也在不斷進步。美國好奇號火星車的采樣系統主要由微型鉆機、取樣鏟、篩分機和計量器構成，同巖屑運移系統、巖屑處理分析系統等高度模塊化集成為一體，再通過機械臂搭載于好奇號火星車的前部[6-7]。在實際鉆探取樣中，依靠機械臂的移動、轉動實現對取樣地點的精準定位，鉆進過程的鉆壓力由機械臂壓縮鉆具與鉆機之間的儲能彈簧提供，并由機械臂對鉆進深度進行實時補償，但好奇號取樣器只能鉆取松軟地層，而且鉆取深度較淺，取樣量偏小[8-9]。ESA用于火星探測的獵兔犬-2(Beagle-2)著陸器上安裝有钚回路試驗反應堆(PLUTO)末端采樣器，該采樣器同樣借助機械臂的作用，能夠在任意方向上潛入0.1～-1.5 m深的火星表面的松土層進行多次采樣，但是單次采樣鉆屑質量也僅能達到50 mg[10]。NASA發射的海盜號火星著陸器,采用機械臂末端安裝挖取式自動采樣機構進行采樣，當機械臂向后拖動時,位于采樣機構前端的鏟可以將火星土壤翻松,以便鏟體能以較小的鏟入力完成采樣。該采樣機構的主要優點是結構簡單、可靠性高，但僅適用于淺表層松軟土壤及小型巖石采樣[11]。NASA于2018年發射的洞察號火星探測器原計劃鉆到火星表面以下5 m的深度，以實現火星內部的熱狀態考察[12]，但實際上，在洞察號鉆到50 cm的時候就停止了鉆進，鉆頭也發生了15°的偏移，根本原因就是洞察號在鉆進過程中遇到了堅硬的巖石，無法有效破巖而導致鉆進任務停滯，這一難題至今也沒得到完全有效的解決。

近年來，國內外學者利用理論建模和地面實驗的方法研究復雜地層鉆進取樣過程，分析影響取樣效果的關鍵因素，為優化航天器取樣方法與裝置提供參考依據[13]。Nagaoka等人提出了一種新型正反向雙螺旋鉆進方法，可有效抵消鉆具所受到的土體反作用力，提高鉆進效率，但此鉆進方法對硬件設備要求較高，目前仍在實驗階段[14]。英國薩瑞大學借鑒木蜂產卵原理提出了一種雙向交錯往復鉆進方式，使得鉆進過程中鉆頭前端可獲得更多的鉆壓力，能提高采樣效率，但此鉆進方式對原位土體的破壞較大，所采集樣品被破碎成粉末后輸出，不能有效保持原樣[15-16]。NASA研發的超聲波沖擊式鉆探器(USDC)通過由高頻振動轉換成的低頻沖擊作用實現鉆機的向下鉆進，克服了傳統鉆探器難以在微重力環境下工作的難題[17-18]，但該取樣器對錨固穩定要求較高，而且能耗較大，目前還處于實驗室試驗階段，有待于進一步改進[19]。

實踐中，超臨界二氧化碳(SC-CO2)射流作為一種高效無污染的輔助破巖新方法在地球油氣資源鉆采領域取得了良好效果[20]。利用SC-CO2射流破巖及壓裂能提高單井產量和油氣采收率，目前已成為國內外非常規油氣藏開發領域的研究熱點，同時也為新型高效破巖鉆進技術提供了新的方法和方向?；鹦翘綔y中，利用火星大氣中豐富的二氧化碳資源，借鑒采用SC-CO2射流進行高效破巖取樣，將有利于解決復雜地層采樣困難問題。

2 SC-CO2射流火星輔助破巖的應用

2.1 SC-CO2射流破巖機理

SC-CO2是CO2在超過臨界溫度31.1 ℃和臨界壓力7.38 MPa的條件下形成的一種特殊的超臨界狀態流體(見圖1)。CO2進入超臨界態后，顯現出許多獨特的物理和化學性質，具有液體的高密度，又具有氣體的低黏度和高擴散系數，有良好的傳質性能[21]。此外，SC-CO2的臨界條件易于達到，表面張力為零，不存在毛細管力，因此可以進入任何大于SC-CO2分子的空間，與普通流體相比，SC-CO2可在地層中實現更大范圍的穿透[22-23]。

圖1 CO2相態變化規律Fig.1 Diagram of phase transition of CO2

近年來，國內外學者提出了使用SC-CO2作為鉆井流體來提高射流破巖能力的方法[24-25]。杜玉昆等人[26]和黃飛等人[27]分別針對人工巖心和四川龍馬溪頁巖開展SC-CO2射流破巖實驗，證明了SC-CO2射流輔助頁巖破碎效率優于普通水射流破巖。進一步研究表明SC-CO2射流在破巖過程中表現出許多獨特的性質，起裂壓力低，裂縫形態復雜，以及破裂斷面粗糙等，使其具有卓越的破巖優勢[28]。SC-CO2射流提高破巖效果的主要機制如下。

(1)巖石破碎范圍更廣。與水壓裂縫相比，SC-CO2沖擊下裂縫寬度較大，裂縫面較粗糙，裂縫分布密度較大[29]。SC-CO2壓裂形成的主裂縫相對曲折，且主裂縫周邊派生出很多二次裂縫，二者相互溝通，形成復雜的裂縫網[30]。Inui等人[31]進行的聲發射信號監測結果表明：相同條件下SC-CO2破巖裂縫呈現波狀，能夠誘導更多分支裂縫，形成裂縫網絡。常規水射流和SC-CO2射流破巖效果如圖2、3所示。

(2)鉆具降溫作用更好。鉆進過程中需要將巖石從巖體上破碎并分離出來，刀具在破巖過程中大量放熱，導致其溫度升高，造成密封失效和刀具磨損增加，會降低刀具的使用壽命[32]。SC-CO2具有液體的高密度性質和較大比熱，在地層溫度條件下SC-CO2射流的冷卻作用可保護鉆頭，降低鉆頭切削齒的溫度，避免高溫對鉆頭與鉆桿造成的熱破壞[33]。

(3)鉆屑攜巖能力更強。SC-CO2流體密度大，流動性強，攜巖效果優于空氣和水，且多種工況下攜帶能力較好。沈忠厚等人[23]用數模實驗對不同黏度、不同密度的SC-CO2流體在水平井段的攜巖規律進行了模擬，計算結果表明：SC-CO2流體的攜巖能力比水大幅提高，而且隨密度和黏度的增加而增強。宋維強等人[34]對水平井段的SC-CO2攜巖能力進行了數值模擬，得到同等壓力條件下SC-CO2的巖屑排放能力比水基鉆進液高1.5～3倍。

圖2 常規水致裂巖石示意圖Fig.2 Diagram of rock fractures by water jet

圖3 超臨界二氧化碳射流致裂巖石示意圖Fig.3 Diagram of rock fractures by supercritical carbon dioxide jet

2.2 SC-CO2射流火星輔助破巖可行性及應用前景

火星大氣中CO2占比95.32%[35]，CO2資源豐富，純度高，性質穩定。SC-CO2的臨界條件門檻低，制備裝置簡單。SC-CO2射流主要依靠高密度、高擴散能力進行破巖，而且與地面氣壓條件相比，火星超低氣壓條件下SC-CO2流體的黏度更低，擴散系數更大，更有利于提高破巖范圍和速度。因此將火星大氣中豐富的CO2轉化為SC-CO2射流運用于火星輔助鉆進，可以提高鉆進效率，而且不污染樣品及火星環境，有助于火星硬巖取樣難題的破解。SC-CO2射流火星輔助破巖可行性及優勢如下。

(1)提高破巖效率，降低機具能耗。在火星硬巖破碎困難情況下，SC-CO2易進入巖石微孔隙和微裂縫之中，將射流流體的準靜態壓力傳遞到巖石深部，在巖石內部建立大小不一的流體壓力系統，致使巖石沿著原有裂縫或者弱膠結面開裂或破碎，降低巖石的起裂壓力，加快巖體損傷，擴大穿透范圍，增強破巖效果，進而減小鉆進能耗[36]。

(2)有效解決鉆具冷卻問題。太空無水環境持續鉆進取樣將會導致鉆具溫度急劇上升，如果散熱不當，采樣機具將發生熱變形與熱破壞導致裝備失效。SC-CO2流體在鉆進過程中不斷沖刷、冷卻、潤滑刀具，降低刀具溫度，延長刀具壽命，使取樣工具保持穩定的工作性能[5]。

(3)提高排屑能力，減小鉆進阻力。在火星鉆探過程中，需要及時排除鉆進過程中產生的巖屑，否則鉆進阻力將大幅升高甚至出現卡鉆事故[37]?；鹦潜砻鏇]有液態水，常規條件下空氣攜巖能力有限，會隨鉆進深入而大幅減弱，導致排屑受阻。SC-CO2射流既有液體的高密度又有氣體的高擴散性，能較好地攜帶巖屑并較快地排出鉆孔，減少鉆進阻礙，提高鉆進效率。

(4)資源豐富，降低探測成本?；鹦谴髿庵蠧O2資源充分，而且SC-CO2射流容易制取，裝備簡單，通過SC-CO2射流輔助鉆進，既可以減少裝備開發成本，又可以就地取材，解決輔助能源補給問題，直接起到節能降耗的作用。

3 SC-CO2射流輔助破巖關鍵技術及難點

以射流破巖與鉆進采樣技術研究基礎為依托，本文提出了SC-CO2火星鉆進取樣方法。在火星原位制取SC-CO2基礎上，利用SC-CO2射流輔助火星硬巖地層破碎，實現減阻降溫，提高鉆進取樣效率。在裝置設計上，火星取樣系統主要由SC-CO2射流制取裝置、巖石鉆進裝置、錨固穩定裝置和樣品篩分裝置等分系統構成，具有因地制宜，技術穩定，結構簡單的優點(見圖4)。CO2的超臨界態形成條件較為簡單，當氣體超過臨界溫度31.1 ℃和臨界壓力7.38 MPa以上時就會進入超臨界狀態?？紤]到火星稀薄大氣壓下大氣的易變性，對SC-CO2射流制取裝置進行了優化改進，在CO2收集口安裝一個氣體壓力控制系統，以實現溫度交變過程CO2氣體的穩壓控制。從火星大氣收集的CO2氣體經過濾裝置凈化后，在抽氣泵壓力差的作用下壓入泵腔，再由排氣口將氣體送入升溫加壓裝置，裝置內的加壓泵先將CO2升至臨界壓力7.38 MPa，并由加熱器對CO2加熱至臨界溫度31.1 ℃以上，就實現了二氧化碳的超臨界狀態。SC-CO2經過鉆進裝置噴嘴噴出形成SC-CO2射流，對巖石進行輔助鉆進破碎。

圖4 超臨界二氧化碳火星取樣系統Fig.4 Mars sampling system based on supercritical carbon dioxide

SC-CO2火星鉆進取樣是一項多學科交叉技術，未來需要從理論和技術角度進一步優化研究才能使SC-CO2火星取樣系統更好地發揮作用。在機理研究方面，需要針對火星探測環境下SC-CO2射流流場特性展開研究。SC-CO2射流破巖是一個涉及諸多因素的非線性沖擊動力學問題，且SC-CO2介于氣體和液體之間，屬于物性特殊的相變材料。SC-CO2射流過程中的物性參數隨環境溫度和壓力的變化而不斷變化，射流過程中的相關參數極難控制，單純的實驗研究難以深刻揭示射流過程中SC-CO2物性變化對巖石破碎的影響規律，需要對火星超大溫差、超低氣壓等特殊環境因素對SC-CO2射流特性影響進行深入研究，建立火星SC-CO2射流流場模型，掌握火星環境下SC-CO2射流沖擊特性參數的影響因素。因此，在研究火星探測環境特殊溫度與氣壓條件SC-CO2射流的速度-密度數學模型基礎上，結合射流仿真模型與實驗，得到射流優化參數組合，將為火星硬巖高效破碎采樣新技術提供支撐。

在裝備及工藝方面，火星的復雜環境也對SC-CO2射流探測取樣作業提出了如下更高要求。

(1)取樣裝置錨固穩定和復雜地層自適應性問題?；鹦侵亓ο喈斢诘厍虮砻嬷亓Φ?.38[38]，在微重力環境下實現探測器著陸已不易，取樣作業時施加的力又可能將探測器推離火星，加上火星表面平均風速大，要使取樣設備附著穩固，需要有更好的錨固方法用以穩定取樣裝置[39-40]?；鹦堑目傮w地層包括難以破碎的硬巖、砂巖、冰層、永凍層等，表面起伏較大，巖石各向異性突出[41]，登陸點表面可能是堅硬的巖石,也可能是不穩定的沙丘或凹凸地段，要求火星取樣裝置設計能適應不同地層著陸姿態，跨越各種障礙，具有多點多次采樣能力。

(2)取樣裝置自身能耗及設計優化問題。火星與地球空間距離遙遠，飛船的運載能力受限，加上運載火箭發射能力及成本的影響，探測器的重量不可能無限增加，就取樣裝置而言，在保證合適重量的同時，又要最大限度地優化錨固裝置和設備材質結構以減輕重量。同時，雖然SC-CO2射流制取的條件門檻低，制備裝置相對簡單，但是，火星表面氣壓只有地球表面氣壓的0.6%，密度約為地球大氣的1%[42]，CO2氣體的足量收集仍有一定難度，而且氣體易逃逸，所以SC-CO2射流探測取樣裝置中CO2氣體的高效收集、轉化和密封相關部件也要進行針對性完善。

4 結束語

本文在介紹SC-CO2射流輔助破巖機理的基礎上，分析了SC-CO2射流輔助破巖的可行性與應用前景，提出了SC-CO2射流火星復雜地層鉆進采樣技術方法。在分析火星環境SC-CO2射流流場特性基礎上，對SC-CO2射流火星輔助破巖探測取樣裝置錨固穩定、不同地層適應性、取樣裝置自身能耗等方面進行了優化分析，指出了火星探測環境下SC-CO2射流采樣理論研究和技術工藝的發展完善方向，對完善火星探測技術、推進深空探測高效取樣任務的研究具有重要理論價值和工程意義。未來各航天院所、高校、企業要抓住我國2030年前深空探測整體規劃實施的大好時機，發揮各自優勢，對火星二氧化碳原位利用及SC-CO2射流火星地層高效采樣技術進行協力攻關，有利于盡早實現我國火星鉆探取樣關鍵技術的突破和引領。