“白云說隧”之漫說月球隧道氣動開挖法

自古以來，人們就對月球寄予了真情期望的遐想和充滿詩意的贊美。古代，人們只能通過肉眼觀察以及自己的想象來滿足對月球的好奇心，因此誕生了“吳剛折桂“這樣的美妙神話。自20世紀50年代開始，人類已經開始了對月球的空間探測，直到1969年美國阿波羅11號實現載人登月的夢想，人類開始利用科學方法對這一古老的天體進行研究。

月球探測的意義主要有以下幾點：

1)為下一步進行深空探測提供了一個跳板。隨著技術的不斷成熟，可以在月球基地上建設空間轉運站與發射場。2)可以在月球上建造龐大的“太空實驗室”，開展一系列天文學、空間科學、近代物理學、生物工程學等的研究，研制和生產一系列特殊生物制品與特殊材料。3)可以利用月球豐富的礦產資源和能源。已探明在月壤中含有豐富的氦-3，利用氦-3進行核聚變具有反應能量大、污染較低等優點。月海玄武巖中還含有大量的鈦、鐵等資源。

隨著嫦娥五號探測器的成功返回，探月工程取得了重大進展，未來的目標是建立有人值守的月球基地。由于月表沒有大氣層的保護，會受到隕石撞擊，而且沒有白晝黑夜；因此，地下空間將是月球基地的最佳選擇。然而，采用地球上常規的挖隧道方法建立月球基地，不僅困難重重，而且不是合適的方法。

首先是運輸問題。動輒幾t、甚至數十t的施工設備運輸到月球，對現在的技術水平來說，幾乎不可能；即使將設備拆成零件，也會存在高昂的運輸成本。

其次是月壤的高度磨損性。月壤顆粒在放大數倍之后，棱角分明。如果施工設備在這樣的環境下工作，設備損耗會非常大，從而帶來在月球環境維護設備以正常施工的難題。在地球上開挖隧道可以用炸藥爆破，但在月球缺氧的環境下，化學爆炸是無法實現的。

鑒于上述原因，提出了采用壓縮空氣進行月壤開挖的新方法。

氣動開挖這一理念最早由Schaefer、Zacny等提出。該方法表述為壓縮氣體進入真空環境時快速膨脹，氣體分子與月壤顆粒相互碰撞，會產生炸藥爆炸的效果，氣體分子的動能轉化為月壤顆粒的動能；月壤顆粒將獲得很高的速度，可以隨氣體經挖掘管運動到指定位置。該方法巧妙地利用了月球的高真空環境、月壤的無水導致的粉狀特性和低重力以及火箭自帶壓縮氣體的便利，因此不僅清潔、高效，而且沒有運轉復雜的機械設備，十分有利于月表環境的月壤開挖。

筆者研究團隊早在10年前，應用氣動開挖的理念研發了整套試驗設備，用于模擬高真空環境下的氣動法月壤采集。提出了氣質體量效率的概念，即單位質量的壓縮氣體所能挖掘到的月壤質量，用于衡量壓縮氣體的挖掘效率。通過對挖掘管的姿態研究，即挖掘管插入月壤深度對氣體質量效率的影響，發現挖掘管的插入深度和氣體質量效率呈線性相關，挖掘管插入月壤深度越深，氣體質量效率越高。通過研究壓縮氣體氣壓值與氣體質量效率的關系，發現存在“最優壓縮氣體氣壓值”，即在同等條件下，在該氣壓值下單位壓縮氣體所能挖掘到的月壤是最多的。相關研究成果可以在知網上搜索《JSC-1A模擬月壤氣動開挖試驗研究》進行了解。

該研究獲得了教育部高等學校博士學科點專項科研基金、長江學者和創新團隊發展計劃的資助，根據其研究成果提出的《基于氣動法的月壤無人取樣裝置》獲得了國防科工局舉辦的月球探測載荷創意設計征集活動“二等獎”。未來，希望我國航天事業的同行在筆者團隊研究的基礎上，繼續對月表地下營地建設、月壤采集及開挖裝置等方面開展研究，確保我國在探月工程領域走在世界的前列。