1、引言

火星是地球的邻星,是太阳系内与地球最为相似的天体,也是人类深空探测的重要目标。当前火星气候寒冷干燥,表面覆盖着大量未固结或固结较差的风化物质,被称为火星土壤(简称火壤)[1],根据其粒度和胶结状况可分为尘埃、砂状、皮壳状-团块状和块状四种类型[2]。多源遥感探测和就位探测数据均指示火壤的主要物质组成与地球玄武岩类似(表1)[3,4]。

勇气号与机遇号搭载的微型热辐射光谱仪(Mini-TES)[5]、好奇号搭载的化学与矿物学分析仪(CheMin)[6]的就位分析结果表明勇气号探测器所在的古谢夫撞击坑和机遇号探测器所在的子午线平原的火壤较为相似,主要由橄榄石、辉石、斜长石、Fe-Ti-Cr尖晶石、磷酸盐等火成岩矿物和非晶硅、赤铁矿、纳米氧化物、粘土矿物、硫酸盐+氯化物或硫酸盐+氯氧化物等蚀变矿物组成[7,8,9,10],而好奇号(MarsScienceLaboratory,MSL)探测器所在的盖尔撞击坑内的火壤则由镁橄榄石(～Fo62)、辉石、斜长石(～An57)、硬石膏、磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿[11,12](表2)等矿物组成,同时含有27±14wt%的非晶态物质,可能是富含Fe3+和挥发分的多相物质,其中包含一种类似硅铁石的物质。结晶部分矿物组成与古谢夫撞击坑和玄武质陨石相似,非晶态物质则与夏威夷火山区的风化土壤相似[11]。

火星着陆探测困难重重,火壤的物理力学性质对火星着陆及巡视探测十分重要。目前仅能通过已有的火星着陆器及巡视器机械臂对火壤的挖掘和车轮与火壤之间的交互试验进行估算[20](表3)。为了更好地为火星的着陆与巡视任务做准备,在探测器发射之前,需要在地面尽可能的模拟火星表面进行一系列工程试验[21],如着陆器冲击试验[22,23]、火星车行走试验[20,24]、火星边坡稳定性分析[25]、火星车取样试验[26]等。此外,科学研究也需要用到大量火壤,如原位资源利用[27]、建筑材料加工[28,29]、火壤原位取水技术[30]、生物培养技术[31]、含水火壤的流变性研究[32]等。

然而,人类在最近五十年里的40余次火星探测均未实现火星土壤的采样返回[33]。在火星探测工程实施和科学研究中,可在地表实验室里用于研究和测试的真实火星样品只有火星陨石,且数量极为有限,无法满足地面工程试验的大量需求。因而,开展模拟火壤样品研制工作用来代替真实火壤进行一系列科学研究和工程试验是十分必要的。目前,美国已经多次成功进行火星着陆探测工作,其模拟火壤技术较为成熟,欧空局和俄罗斯也进行过相关工作,积累了大量的经验。而中国的火星探测还处在起步阶段,计划在2020年发射火星探测轨道器和火星车,首次进行火星表面巡视探测工作[34]。

发射前需要大量模拟火壤进行地面验证试验,国内对模拟火壤的需求增大,由于国外模拟火壤产量和出售限制等原因,中国难以进口大量成品模拟火壤,这也促使国内科研团队开展模拟火壤研制工作。本文在充分调研的基础上,对国内外不同类型模拟火壤的物理化学特征进行对比分析,总结归纳模拟火壤研制过程中面临的困难和问题,并对未来模拟火壤工作提出展望,期望为我国将来的火星探测提供参考。

2、模拟火壤的研制现状

由于真实火壤形成过程的复杂性和特殊性,地面人工模拟样品不能做到与真实火壤完全相似,因而模拟火壤往往只能在某些方面达到与真实火壤较为相似,或者模拟某些极端工况下的火壤。目前,公开报道的有四十余种模拟火壤,根据其研制之初的主要用途,通常可分为科学研究用模拟火壤和工程试验用模拟火壤,其制备工艺也有所差别。

2.1 科学研究用模拟火壤

该类型的模拟火壤首先要保证物质组成和化学成分与真实火壤尽可能相似,然后再考虑其他性质的相似性。根据其研制目的,主要分为光谱类模拟火壤、天体生物学研究类模拟火壤和原位资源利用类模拟火壤。

2.1.1 光谱类模拟火壤

光谱类模拟火壤以美国的JohnsonSpaceCenterMarsSimulant(JSCMars-1)型、MarsGlobalSimulant(MGS-1)型和JezeroDeltaSoilSimulant(JEZ-1)型模拟火壤为代表,而国内的则是JiningMartianSoilSimulant(JMSS-1)型模拟火壤(表4)。JSCMars-1型模拟火壤于1998年由美国约翰逊空间中心(JohnsonSpaceCenter,JSC)研制,原材料选自夏威夷火山锥蚀变火山灰和火山渣,经机械破碎、烘干和筛分而成。

2005年美国Orbitec公司从JSC获得JSCMars-1的授权,从同一源区采集原料研制了新一批样品销售,并命名为JSCMars-1A。JSCMars-1的研发初衷是光谱型模拟火壤,但目前已被科学界广泛应用到各类科学研究和探测器工程试验中[44]。JSCMars-1为粒径小于1mm的颗粒物,颗粒类型分为两种,有磁性的部分蚀变较少,主要由斜长石、钛磁铁矿及少量的辉石、橄榄石及玻璃组成,粘土矿物含量小于1wt%[39]。无磁性部分与磁性部分矿物种类相同,但随着蚀变程度增加矿物含量降低,非晶态铁氧化物含量增加。较之火壤,JSCMars-1化学成分中的SiO2、Fe2O3和CaO与火星表面较为接近,而Al2O3和TiO2含量相对较高,MnO含量偏低,挥发分含量较高(表4)而体密度相对较小(表3)。

JSCMars-1是典型的光谱用途模拟火壤,其可见光-近红外反射光谱与火星上奥林帕斯-亚马逊的明亮区域的(热辐射光谱仪(TES)数据反照率≥0.2)光谱特征十分接近(图1)[39,44,46],这些明亮区域成分以风化玄武岩为主,表面通常被灰尘覆盖[47],这一特点也是选择其作为原料的重要依据。光谱数据表明在波长400～1000nm范围内,二者极为相似,三价铁特征光谱显示JSCMars-1中结晶赤铁矿要低于火星表面。JSCMars-1的光谱在1400nm和1900nm还表现出明显的水吸收峰,这与原料取自火山灰和火山渣吸水性较强特性相关。JSCMars-1的含水率较高,其在100℃时失水7.8wt%,在600℃时烧失量可达21.1wt%[39],这一特征与火壤有明显的差异。海盗一号和海盗二号着陆区的火壤在加热到500℃时测得的含水率均为0.1～1.0wt%[48],好奇号火星车将盖尔撞击坑的石巢(Rocknest)风积物加热到约835℃后测得其含水量为1.5～3wt%,这一挥发分散失温度指示这部分水存在于火壤的非晶成分中[49]。火星奥德赛探测器搭载的伽马射线谱仪数据也显示全球火壤中水分含量基本在3wt%以下[50]。

MGS-1型模拟火壤由美国中佛罗里达大学研制,代表了火星表面低含硫矿物类型的火壤,模拟对象为盖尔撞击坑石巢区域的风积土壤[51]。原材料选取了来自Stillwater的杂岩、Madagascar的富拉玄武岩和NorthCarolina的斜长石、来自巴西的古铜辉石和来自SanCarlos的高镁橄榄石。根据好奇号搭载的XRD结晶矿物的分析结果和对非晶态成分的推断,按照配方比例将矿物(长石、辉石、橄榄石)和玄武质玻璃混合后,再将混合物颗粒与水以及五水偏硅酸钠(粘合剂)按100:20:2的重量比充分搅拌混合,然后使用微波炉加热除去水分形成固体块状物质,再进行机械研磨,并加入次生矿物(水合二氧化硅、硫酸镁、水铁矿、硬石膏、菱铁矿和赤铁矿)边搅拌边研磨成细粉,筛分出粒径小于1mm的物质作为最终的MGS-1模拟火壤。

MGS-1模拟火壤的反射光谱与之前的模拟火壤和来自火星车和轨道器的数据进行比较的结果显示,在较短的波长(400～1100nm)下,MGS-1的波形和反射率与好奇号桅杆相机获得的石巢地区火壤的光谱大致相似(图1)[51,53]。而在较长波长下,则与火星快车(MarsExpress)搭载的OMEGA光谱仪测得的地反照率区域相似[54]。MGS-1型模拟火壤的自然体密度为1.29g/cm3,而火星探路者号着陆区的模拟火壤被认为体密度为1.07～1.64g/cm3、海盗1号着陆区表面的松散堆积物天然密度约为1.15g/cm3,与已知的火星着陆器和巡视器探测结果基本相符。目前,尚没有关于MGS-1型模拟月壤的土力学相关研究数据。

图1模拟火壤相对反射光谱与火星遥感光谱对比研究[33,36,44,51]

JEZ-1型模拟火壤由MGS-1研制,用于模拟美国Mars2020探测任务预选着陆点Jezero撞击坑内三角洲的火壤[52]。根据轨道遥感数据对Jezero撞击坑内三角洲沉积物的探测结果,在MGS-1的基础上添加了粘土矿物(蒙脱石)、碳酸镁、硫酸镁和额外的橄榄石。JEZ-1的粒度小于1mm,平均粒径约38μm,天然体密度为1.45g/cm3。其他性质尚未见相关报道。

JMSS-1型模拟火壤由中国科学院地球化学研究所月球与行星科学研究中心研制[33]。JMSS-1以内蒙古集宁玄武岩为原材料,并添加磁铁矿和赤铁矿,配比为93∶5∶2,弥补了集宁玄武岩铁含量低于火壤的不足。JMSS-1颗粒粒径小于1mm,颗粒形态呈棱角-次棱角状。矿物组成主要为斜长石(钙长石)、辉石(普通辉石)、橄榄石(透铁橄榄石)、少量钛铁矿、磁铁矿和赤铁矿,未发现蚀变矿物。JMSS-1和JSCMars-1模拟火壤以及海盗号、火星探路者号、勇气号、机遇号、好奇号着陆点的真实火壤主量元素含量较为接近,天然体密度为1.45g/cm3,颗粒密度为2.88g/cm3,孔隙度为49.65%,内摩擦角约为40.6°,内聚力为0.33kPa,均与实际火壤相近[33]。JMSS-1型模拟火壤具有与火星玄武岩质火壤相似的化学成分、矿物学和物理力学性质,可用于中国未来火星探测科学研究和工程试验。

2.1.2 天体生物学研究类模拟火壤

火星表面存在稀薄大气和液态水,为生命存在创造了条件。为了在地表模拟火星不同环境下生物的存活情况,多个团队研制了一系列模拟火壤,代表类型为德国的PhyllosilicaticMarsRegolithSimulant(P-MRS)型和SulfaticMarsRegolithSimulant(S-MRS)型模拟火壤,美国的UniversityofFloridaMarsSimulates(UFAcid-Alkaline-SaltBasaltAnalogSoils)系列和YellowknifeMarssimulate(Y-Mars)型模拟火壤,英国的OpenUniversityMarssimulate(OUEB/SR/HR/CM)系列模拟火壤。

P-MRS和S-MRS型模拟火壤由德国航空航天中心(GermanAerospaceCenter,DLR)研制,其原材料主要包括火成岩、层状硅酸盐、碳酸盐、硫酸盐和铁氧化物,其中火成岩由辉石、斜长石(辉长岩)和橄榄石(纯橄榄岩)组成,除此之外,还添加了一些石英和赤铁矿[52,55,57],经过混合、破碎,筛分出粒度小于1mm样品作为P-MRS和S-MRS。P-MRS和S-MRS的物质组成和化学成分(表5)与实际火壤具有一定差别,二者主要模拟火星表面可能存在的两种不同化学环境。

P-MRS用于模拟火成岩在中性pH流体环境下部分矿物蚀变成蒙脱石群(蒙脱石、绿泥石和高岭石)矿物[58,59],样品中还包括菱铁矿和菱镁矿。S-MRS用于模拟硫酸盐沉积的酸性环境,除了火成岩和无水氧化铁外,还包括针铁矿和石膏[57]。也曾被DLR用来测试ExoMars2018上搭载的拉曼激光光谱仪识别有机物和矿物的能力[55]。此外,二者还被广泛应用于许多天体生物学实验,包括微生物研究[56,57]和国际空间站实验[60,61]。P-MRS和S-MRS的其他性质未见相关报道。

UF系列模拟火壤由美国佛罗里达大学研制,主要用于测试火星条件下微生物菌落在不同化学环境模拟物中的存活情况。主要包括玄武岩(无毒对照)、酸性土壤(机遇号着陆点黄钾铁矾土壤)、碱性土壤(富碳酸盐)、风成土壤(火星全球)、高氯酸盐土壤(凤凰号着陆点)和高盐土壤(勇气号着陆点)六种模拟样品,原料以明尼苏达州Duluth玄武岩为基础,添加不同盐类,经过研磨后,筛分出粒度小于200μm样品[64]。

Y-Mars型模拟火壤由英国天体生物学中心研制,其模拟对象为盖尔撞击坑黄刀湾的Sheepbed泥岩,根据MSL携带的X射线衍射仪对其分析结果[65],在地表选择相同或相似矿物代替,按照一定的重量比混合后在碳化钨磨粉机中粉碎。Y-Mars的粒径范围为0.5～3.0μm,平均值1.2μm,标准偏差为0.5μm。可见到近红外反射光谱表明Y-Mars的整体反射率更蓝,这与大多数火星表面物质(通常覆盖着灰尘)的反射率相同。在红外阶段具有一定相似性,但缺少～1.4μm和1.9μm与OH/H2O相关的吸收特征,但在2.15～2.3μm却表现出Al-和Fe/Mg-OH相似的特征。其他相关性质未见有报道。Y-Mars研制的主要目的用于未来的天体生物学研究,与普遍使用的火山物质模拟物相比,火星沉积环境的模拟物具有更大的天体生物学意义[62]。

OU系列模拟火壤由英国开放大学研制,用于测试过去或现在不同环境对生命的支持等天体生物学研究,是首批Fe2+/Fe3+比值与火星相似的模拟火壤[63]。根据火星表面四种不同化学环境研制了4种新的模拟火壤及4种Fe改良品种:①玄早期玄武质(EarlyBasaltic,EB)土壤OUEB-1和OUEB-2的模拟对象为Zagamishergottite陨石;②富硫(Sulfur-rich,SR)土壤,OUSR-1和OUSR-2的模拟对象为机遇号着陆点PasoRobles样品;③富赤铁矿(Haematite-rich,HR)土壤,OUHR-1和OUHR-2的模拟对象为子午线平原Hema2样品;④现代火星土壤(ContemporaryMars,CM),OUCM-1和OUCM-2模拟对象为盖尔撞击坑Rocknest样品。OU系列模拟火壤原材料为德国德国埃菲尔地区Mayen的第四纪熔岩流中的响岩质碱玄岩,其他原料如纯橄榄岩、石英、石膏、磁铁矿、黄铁矿、斜长岩和赤铁矿、磷灰石、硅灰石和铁硅酸盐玻璃则从不同公司购买。

样品经过破碎和筛分,按照不同模拟对象的成分和粒度配置不同样品。其化学性质都与它们所模拟的对象化学性质相当(在～5wt%范围内)。OU系列模拟火壤的粒度主要集中在400～900μm,小于300μm样品含量较少。OUSR-1和OUSR-2天然体密度最高(分别为1.95和1.81g/cm3),而OUEB-1和OUEB-2的最低(分别为1.58和1.56g/cm3)。其孔隙率在47～52%之间,OUHR-1最高,OUSR-1最低。海盗号着陆点火壤的体密度估算为0.57～1.60g/cm3,孔隙率为31%～58%[35,66,67,68],而火星探路者探测区域最高估算可以达到2.0g/cm3[69]。OU系列模拟火壤虽然是为天体生物学研制,其物理性质也与火壤具有一定的相似性,也可用于未来工程测试。

2.1.3 原位资源利用类模拟火壤

原位资源利用(In-SituResourceUtilization,ISRU)技术是指就地利用地外天体表面的土壤、大气、水冰、矿物等资源来制造人类长期生存所需物资的技术。随着ISRU技术的研究需求,多种模拟火壤应运而生。代表类型为新西兰的UniversityofCanterburyMarsSimulant(UCMars1)型模拟火壤,美国的MarsGlobalSimulant-ClayVariety(MGS-1C)型、MarsGlobalSimulant-SulfateVariety(MGS-1S)型、NortheasternUniversityMarsSimulant(NEUMars1)型和RocknestAugmentedMMS型模拟火壤(表6)。

UC(UniversityofCanterbury)Mars1型模拟火壤由新西兰坎特伯雷大学研制[52,73]。模拟对象为火星古谢夫撞击坑火壤。UCMars1以新西兰班克斯半岛的橄榄玄武岩和火山玻璃为原料,分别清洗晾干后的样品经过液压机破碎后送入颚式破碎机,筛分出粒度大于700μm样品(～50%),采用0.53mm平板研磨。两种原料经过不同研磨方式获得四种样品,由于样品中灰尘数量(<45μm)高于火星表面,通过洗涤部分样品降低灰尘含量。

然后在50℃情况下干燥除去多余水分。至此一共产生8种样品,根据古谢夫撞击坑样品特性,从未洗过的橄榄玄武岩和火山玻璃中除去小于590μm的细粒,并从洗过的橄榄玄武岩和火山玻璃中除去大于300μm的粗粒。最终按照47wt%的橄榄玄武岩(颚式破碎机,2000～590μm),37wt%的洗过的橄榄玄武岩(0.53mm平板研磨,≤300μm),7wt%的洗过的火山玻璃(颚式破碎机,2000～590μm)和9wt%的洗过的火山玻璃(0.53mm平板研磨,≤300μm)的比例混合得到UCMars1型模拟火壤。UCMars1的颗粒形态主要为棱角状,少量呈次棱角状,颗粒密度为2.7g/cm3,内摩擦角为35°,与其他模拟火壤34°～53°内摩擦角和古谢夫撞击坑通过边坡稳定性估算的内摩擦角13°～38°相符[25]。内聚力没有相关报道。UCMars1型模拟火壤研制目的是为了测试ISRU技术,目前主要用于建筑和基础设施开发。

MGS-1S型和MGS-1C型模拟火壤由MGS-1研制团队开发[51],专门用于火星水原位资源利用计划(MarsWaterIn-SituResourceUtilizationPlan,M-WIP)[74]。MGS-1S型模拟火壤在MGS-1基础上添加多水硫酸盐石膏,而MGS-1C型模拟火壤则是添加含水粘土矿物蒙脱石。MGS-1S与MGS-1C粒度均小于1mm,但MGS-1S相对较粗,平均粒度达到119μm,而MGS-1C平均粒度只有24μm。M-WIP的研究结果表明MGS-1C含水粘土型模拟火壤有利于火星上水的提取。就提取水的质量和所需功率而言,MGS-1S硫酸盐型模拟火壤明显优于一般火壤和富含粘土的沉积物,并且两种类型的沉积物相比永久冻土更容易获取和开采[52]。目前尚没有关于MGS-1S和MGS-1C的土力学相关研究数据。

NEUMars-1型模拟火壤由中国东北大学研制[70],以内蒙古乌兰察布察哈尔火山群玄武岩作为原材料,经过清洗、烘干、研磨、分选成不同粒径后,再添加磁铁矿和赤铁矿,按照93∶4∶3的重量比混合,以保证铁含量为16～22wt%。NEU-Mars-1的矿物组成主要为斜长石(47wt%)、辉石(24wt%)、橄榄石(15wt%)、伊利石(9wt%)、褐铁矿(3wt%)以及其他成分(2wt%),这与“好奇号”探测火壤矿物成分相似,只是NEUMars-1斜长石含量相对较高,橄榄石相对较低,缺少硫酸盐和碳酸盐。其化学成分与火壤和其他模拟物相比,NEUMars-1的碱金属氧化物(Al2O3,Na2O和K2O)含量相对较高,而MgO含量较低。NEUMars-1粒径主要分布在0.1μm～1200μm,少数粒径小于100μm,中值直径为247.172μm。NEUMars-1的玻璃化转变温度为547.8℃,结晶温度为795.7℃。目前,尚没有关于NEUMars-1土力学相关研究数据。NEUMars-1型模拟火壤研制的主要目的是ISRU技术研究需求,目前主要用于金属和氧气的提取。

除了以上3种ISRU技术用模拟火壤,美国JSC研究团队的[75]基于MojaveMarsSimulant(MMS,后文详细介绍)开发了RocknestAugmentedMMS型模拟火壤,用于测试ISRU水提取技术。通过向MMS样品中添加含水硫酸盐(MgSO4·7HO、FeSO4·7H2O)、高氯酸盐(NaClO4)和粘土矿物(伊利石IMt-2)来匹配盖尔撞击坑Rocknest样品的水挥发曲线。

除了以上典型模拟火壤外,科学研究用模拟火壤还有KoreaMarsSimulant(KMS-1)型模拟火壤,KMS-1由韩国汉阳大学研制,用于科学研究和相关工程试验[52,71,72]。其原料为韩国京畿道北部延川市汉唐岗河沿岸的玄武岩,主要矿物为斜长石(48.9wt%)和橄榄石(31wt%),含少量辉石(14.2wt%)和磁铁矿(5.8wt%)。KMS-1经过磨盘破碎筛分成两种粒度,粒度小于3mm的细沙和粒度小于1mm的细尘。其化学成分较之真实火壤富Al2O3、CaO和K2O,贫FeOT、MgO[52]。由于相关资料较少,其具体用途和其他特性不明。

2.2 工程试验用模拟火壤

火星表面的重力约为地球表面的三分之一,因此即便化学成分和矿物组成一致,模拟火壤在地表的的力学特性也和真实火壤有一些差异,无法满足探测器的工程试验或者极端工况下的试验。因而部分团队转而开始研发工程试验专用模拟火壤,该类型模拟火壤首要考虑因素是其某些物理力学特性尽可能与真实火壤相近,如颗粒形态、粒径级配、密度、含水率、内聚力、内摩擦角、承压等。因而,其原材料的选择范围更加广泛,除了玄武岩之外,一些低密度的矿物(如石英)也在考虑之列,以模拟火星表面的低重力环境下火壤的力学特性。目前,工程试验用模拟火壤研制种类较多,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)系列模拟火壤等。

JSCMars-1型模拟火壤在实际使用中由于吸水性问题在一些试验中效果不佳。如美国凤凰号探测器升空前在地面开展工程试验,模拟火星环境下被挖掘出的永久冻土中水的升华损失,研究者发现干燥的JSCMars-1由于吸水速度过快而很难重现实验结果[76]。为了解决这一难题,研究者需要选择吸水性较低的物质替代,因而研制了MMS型模拟火壤[36]。MMS的原材料取自美国加利福尼亚州莫哈维(Mojave)沙漠西部的玄武岩,经过破碎成砂,并收集破碎过程中的粉尘,最终用玄武岩石块、玄武质砂、灰尘分别模拟火星表面的石块、火壤及灰尘[36]。MMS主要由斜长石、富钙辉石和少量的磁铁矿组成,还含有微量的钛铁矿和富铁橄榄石。

与真实火壤的探测结果相比,MMS化学成分中的SiO2、Al2O3和CaO的含量相对较高,而Fe2O3、P2O5和SO3含量则偏低。紫外-可见-近红外反射光谱表明MMS砂与JSCMars-1较为相似(图1)。2016年,美国火星花园(MartianGarden)公司采用MMS同样原料研制了MMS-1型模拟火壤用于商业出售。随后又开发了增强型模拟火壤MMS-2。MMS-2基于MMS-1在样品中添加了Fe2O3、MgO、硫酸盐和硅酸盐,使其在化学成分上与火星更为相似(表4)。MMS型模拟火壤曾被用来测试早期型号的凤凰号的机械挖斗和快速主动样品打包系统,也被用来测试好奇号的钻取、移动和着陆系统。除此之外,MMS也曾被用来模拟火星高纬度地区年度水循环试验[76]。

SaltenSkovI型模拟火壤由丹麦奥尔胡斯大学研制,用于模拟火星尘埃,旨在通过风洞试验研究火星尘埃的带电特征、运动特性和颗粒间吸附性等。SaltenSkovI的原材料取自丹麦的中日德兰半岛暗红色沉积物,这些沉积物富含针铁矿、赤铁矿和磁铁矿。SaltenSkovI粒径小于63μm,且颗粒单个粒子的中值粒径为1μm,这与真实火星尘埃的粒径比较相近。SaltenSkovI的磁学性质、光学性质、电性质与火星尘埃也较为接近。但由于SaltenSkovI是由纯的铁氧化物组成,与真实的火星尘埃(硅酸盐成分)差距很大。模拟火星尘埃SaltenSkovI已被广泛用于空气动力学、粘附性、内聚力和电学实验等测试,并被用于风洞试验[42,77]。

SSC系列模拟火壤是由萨里空间中心(SurreySpaceCenter,SSC)研制,用于测试火星车在不同类型模拟火壤中的通过性能。SSC-1型模拟火壤原材料为未清洗的石英砂,粒度从～63μm～1.3mm不等,含有少量粉砂。SSC-2型模拟火壤原材料为石榴子石,由不同粒度石榴子石级配而成,粒度从～45～90μm不等,中值粒径约为260μm,与JSCMars-1型模拟火壤中值粒径(～250μm)相近。两种类型模拟火壤的土力学性质也有部分差异。SSC-1的体密度从1.615g/cm3增加至1.708g/cm3,内摩擦角从39.44°增加至43.97°,内聚力从644Pa降低至616Pa。SSC-2密度从2.227g/cm3增加至2.384g/cm3,内摩擦角反而从43.34°降低至41.93°,内聚力从1021Pa增加至2246Pa。这种异常的出现与模拟火壤原料在颗粒尺寸、级配和体密度的差异有关[43]。

ES-X(EngineeringSoil)系列模拟火壤由欧洲空间局研制,用于ExoMars火星车的机动性。ES-X包括火星尘埃模拟物(ES-1)、火星细粒风成沙模拟物(ES-2)和火星粗砂模拟物(ES-3)。其原材料为霞石和石英粉末,再通过粒径配比研制而成。ES-X的矿物组成、化学成分和磁学性质都与真实火壤的性质差别很大,但是ES-X的粒度分布、颗粒形态都与火壤相似[41,78]。ES-1模拟火壤呈棱角状,最大粒径约32μm,最小粒径小于10μm,接近火星表面尘埃的粒度;ES-2呈棱角-次棱角状,粒径介于30～125μm之间,与火星表面风成沙类似;ES-3呈次圆-圆状,粒径30～20000μm,能代表火星表面的粗砂[41]。

JLUMars系列模拟火壤由吉林大学研制,包括JLUMars1、JLUMars2和JLUMars3三种不同粒径分布的模拟火壤。其主要用于测试不同粒径条件下火星巡视探测器的移动性、通过性、试验和验证轮壤相互作用[20,79]。JLUMars系列模拟火壤原材料采用吉林省靖宇县双山火山的火山渣,经过烘干、机械破碎和筛分,再根据设计的粒径分布曲线将不同粒度的半成品混合成不同类型模拟火壤。JLUMars系列模拟火壤的颗粒形态呈长条状和次棱角状,与JSCMars-1的主量元素含量相近,但与机遇号、勇气号测得的火壤平均成分存在一定的差距。JLUMars系列模拟火壤天然密度为0.95～1.52g/cm3,孔隙率在43.07%～64.42%之间,颗粒密度为2.67g/cm3,内聚力范围为0～1.4kPa,内摩擦角范围为37°～52°,孔隙比、相对密实度等都与实际火壤相近[20,80]。该团队利用相同原料还开发了JLU5Mars-4型模拟火壤,主要用于着陆器冲击试验。JLU5Mars-4的天然密度为0.95～1.13g/cm3,中值粒径为194μm,含水率为0.19%,其摩擦系数为0.39～0.56,均值为0.46,承载强度6.3～22.5kPa[26]。

除以上典型模拟火壤外,工程试验用模拟火壤还有DLR-A、DLR-B、JPLlab107、JPLLab82、MERYard317和JPLMarsYard几种类型。德国DLR在ExoMars项目研制过程中,研制了DLR-A和DLR-B两种类型模拟火壤,用于测试的车轮与火壤的相互作用。DLR-A和DLR-B的内聚力分别为0.19kPa和0.41kPa,内摩擦角分别为24.8°和17.8°[78,81]。美国JPL曾利用JPL系列和MER系列模拟火壤进行火星斜坡稳定性分析及测试火星探测车和其他设备。这四种模拟火壤均经过洗涤去除粉砂,使JPLlab107、JPLLab82、JPLMarsYard的粒度主要分布在0.4～1.0mm的范围。其中JPLMarsYard依然含有2%的粉砂物质,这可能与其含花岗岩粉末有关。而MERYard是这四种模拟火壤中粒度分布最均匀的[25]。

3、模拟火壤研制面临的困难与问题

3.1 缺少可供参考的火壤深层剖面数据

目前,人类对火壤特性的认知滞后于月壤,由于尚未实现火壤的采样返回,仅有火星着陆器和火星车在表面以下十几厘米范围内进行过抓、挖、刮、钻等原位取样分析工作,缺少火星表面以下几米范围内深层火壤的钻探取样工作,因而我们对于火壤的物质组成、化学性质和物理力学性质的认知还停留在表层。通过轨道器的遥感数据可以获得表面以下部分区域火壤剖面的形貌特征,但无法获知其物理力学特性。如在美国洞察号(InSight)火星探测任务中,提前通过高分辨率影像获得了着陆区的剖面数据,结合前期对火壤的认知,设计了可以自动钻探的热流和物理特性探测仪,原计划自动钻探到火表以下约5m的位置[82],但在第一次钻探到大约30cm位置时,便无法深入,可能原因是深部火壤的特性比预期中更加密实,火壤摩擦力不足[83]。因此,缺少可供参考的火星表面以下几米深度剖面上土壤物理力学特性变化的数据,严重制约了火星深部钻取用和原位资源利用类模拟火壤的研制工作。

3.2 模拟火壤种类不足

目前公开发表的模拟火壤种类有四十余种,涵盖了火星表面不同化学环境下的土壤,除了典型的玄武质土壤,还包括酸性、碱性、粘土型、泥岩型、高氯酸盐型、氯盐型、硫酸盐型、碳酸盐型、赤铁矿型等模拟火壤。然而,诸多证据表明火星表面曾经存在流水活动[84,85],也曾发现一些与水相关的沉积构造[86,87]和矿物[4,84,88,89],凤凰号探测器的挖掘实验也直接观测到了火星表面水冰的存在[90,91]。遥感探测的研究结果也表明火星浅表层存在大量的水冰,覆盖了火星表面1/3面积,稳定存在于40°以上中高纬度或表以下几厘米至几十厘米深处[92,93,94]。这些区域是最有可能保存生命或生命遗迹的地方,是当前火星探测的热点。火星上的水不全是纯水,也存在含盐卤水[95],在浅表层火壤中的赋存的状态可能为(含盐)水冰混合冻土或者纯冰层[95,96,97,98]。根据地表含盐冻土的研究,(含盐)水冰的参与会改变火壤的结构,导致火壤物理力学性质发生极大的变化,并且氯盐、碳酸盐和硫酸盐等不同成分的盐类和不同浓度的盐类产生的影响有所不同[99,100,101]。凤凰号在火星表面的反铲作业中遇到的阻力在3～5cm深的冻土界面上随着火壤深度的增加而变强,这些火壤在外观和性质上与海盗二号所拍摄和挖掘的粘性较弱的壳状-块状火壤相似,并且认为吸附的H2O是导致火壤性质变化和内聚力强度变化的主要原因[102]。但相关类型火壤模拟研制工作滞后,少量学者进行过相关试验,如国外学者在JSCMars-1中添加不同含量的蒸馏水冷冻后测试了抗弯强度和弹性模量,未进行取样试验[103]。有国内学者利用含冰模拟火壤开展了钻取试验[94],但公开资料较少。

3.3 模拟火壤制备技术有待进一步改善

从模拟火壤研制发展历程来看,其研制的目的决定了原料的选取,原料的差异决定了制备工艺的区别。传统模拟火壤的制备方法总结为全岩模拟法和单矿物模拟法。全岩模拟法通常选取矿物成分和化学成分与模拟对象相似的岩石,原料经过烘干后破碎筛分成不同粒级半成品,然后根据模拟对象特性进行混合,原料为单一来源。单矿物模拟法根据研制目的需求选用单一矿物作为原料,或根据模拟对象的物质组成比选用不同矿物作为原料,烘干后分别破碎筛分成不同粒级的半成品,根据模拟对象的特性决定原料的成分和比例并混合。火壤是岩石经过物理和化学风化综合作用的产物,由于地球和火星岩石演化的差异性,全岩模拟法中地球的天然岩石样品无法兼顾所有矿物和化学成分的比例相似(如Fe2+/Fe3+)。而单矿物模拟法中,样品颗粒形态多以矿物碎屑为主,而非火壤的岩石碎屑,其物理力学性质具有一定差异,无法兼顾。

4、结论与展望

本文对典型模拟火壤的化学性质、矿物种类和物理力学性质进行了统计,提出了当前模拟火壤研究中存在的问题,针对上述问题,本文认为未来模拟火壤的研制工作存在以下趋势和方向:

1)开展模拟火壤剖面研究工作。可在野外选择风化玄武岩天然剖面进行相关测试工作,结合火星其他数据和轮壤相互作用,在室内构建模拟火壤剖面。

2)开展不同类型模拟火壤研制工作。模拟火星低温环境,开展(含盐)冻土型模拟火壤、极端工况型等不同类型模拟火壤研制工作,丰富模拟火壤种类。

3)积极探索模拟火壤制备新方法。目前,JMSS-1型模拟火壤尝试采用全岩模拟法添加单矿物进行成分优化,MGS-1型模拟火壤采用新方法融合多种矿物,再进行破碎从在化学成分、光谱特征和物理力学性质方面均做到了一定的相似性,获得了一定的成果。持续开展新技术和新方法研究,将全岩模拟法和单矿物模拟法有机结合在一起,将是未来模拟火壤制备方法的发展趋势。

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基金:载人航天预先研究项目(030202).