模拟月壤成型研究现状

月球基地建设是当前人类探索月球以及外太空的初步任务目标,但是地月间运输成本高昂,未来的月球基地建设的开展很可能倾向于采用"就地取材",即直接利用月球资源的方式进行。月壤是月球表面上随处可取的资源,若能有效利用,必然能大幅降低基地的建造成本。为满足月球基地建设中大量的原材料需求,国内外学者已经开始通过对阿波罗等航天计划取样的真实月壤样品和地球上制备的各类模拟月壤样品进行各种成型试验,探讨利用月壤进行月球资源就地利用的可行性。基于此,本文对模拟月壤成型技术和方法的国内外研究进展进行了归纳总结,结合月球表面的实际环境,对各种方法和技术的应用前景及可能遭受的挑战进行了详细探讨,论述了向月球运输大型设备及在月球实际环境中使用额外添加剂的难度。此外,详细介绍了国内课题组对我国自主研制的CLRS系列模拟月壤和钛铁矿粉末进行的激光3D打印成型试验的结果,阐明了激光3D打印工艺参数、预压等处理技术对激光烧结模拟月壤成型性的影响。详细介绍了模拟月壤的烧结机理及成分演变的研究,并且论述了烧结温度、烧结气氛、成分组成及原料粒度等对模拟月壤烧结过程的影响,讨论了模拟月壤成型的机理性研究的重要性,本文旨在为今后月面资源就地利用、月壤成型技术及机理等研究课题的进一步发展提供参考。     

利用月球含氧矿物制取氧气的方法学比较

氧气作为人类未来在月球上生存的基本条件,研究制取方法是月球基地建设中的一个主要目标.本文分类总结了利用月球含氧矿物制氧方法;就制氧方法适合就地利用月球资源、反应的高效率、反应过程易实现性等方面比较了各类方法的优缺点,提出就地利用微波能加热、氢气作为还原剂、月壤中钛铁矿作为反应物的月球基地制氧的优选方案.     

月球某些资源的开发利用前景

21世纪月球探测的主要趋势是建立月球基地，开发利用月球的矿产资源，能源和特殊环境，为人类社会的可持续发展发挥长期而有效的支撑作用，通过对月海玄武岩中的钛铁矿，克里普岩中的U，Th,REE和月壤中的拟－3在月面的含量与分布的系统分析，月海玄武碉中蕴藏有极丰富的钛铁矿，TiO2总资源量超过70万亿t，钛铁矿还是月球基地生产水和火箭燃料的主要原料；克里普岩是未来月球探测与研究的热点之一，其蕴藏有巨量的铀，钍，钾，磷和稀土元素资源；月壤长期受到太阳风的辐射，使其蕴藏有极其丰富的氢，氦，氧，氮等气体资源，其中氦－3的资源量大于100万t，它是一种可供人类社会长期使用的，安全，清洁，高效，廉价的核聚变发电燃料，其含量与月壤的化学成分，矿物组分，颗粒大小等有密切的关系。     

基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月壤介电常数

月壤介电常数是当前月球微波遥感探测的基础, 是月壤厚度、成分等信息提取不可或缺的参数.为了实现全月介电常数反演, 通过对嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据进行时角校正, 得到同一时角的全月微波亮温图.全月微波亮温表现出随月球地形、月壤成分及纬度变化的特征.基于校正后的微波辐射亮温, 结合辐射传输模型, 通过解算相关参数, 反演得到3GHz频率下全月介电常数分布.其中, 月海地区的介电常数实部高于月陆地区, 且月球极地区域介电常数实部偏低; 而介电常数虚部则在月海区域和艾肯盆地较高.通过模拟月表介电常数实验对反演结果进行温度校正, 得到22℃下全月介电常数.将反演结果和月壤真实样品的介电常数测量值进行比较评价.结果表明介电常数实部相对误差都低于11%;虚部相对误差偏大, 但其差值最大仅为0.02.因此, 基于嫦娥二号卫星微波辐射计亮温数据反演月表介电常数的方法是可行的.      

应用于月壤取样钻具的激光选区熔化研究综述

综述了月球钻探取样钻具的发展现状,金属三维点阵的轻量化以及激光选区熔化制造技术的基本方法和优势。基于激光选区熔化制备技术提出了将三维空间点阵结构应用于月球钻探取样钻具的轻量化,讨论了点阵结构的钻具对于月球钻进过程的适应性并展望了轻量化月球取样钻具方面的发展趋势。分析认为,利用激光选区熔化技术制备的三维点阵结构在月壤取样钻具方面具有很大的应用潜力。     

月壤厚度的研究方法与进展

月壤厚度的研究对未来月球探测、登月与月球资源开发均具有十分重要的意义。它是恢复月球起源和演化历史的重要参数,也是估算月球3He资源量的必要前提。本文将月壤厚度的研究方法归纳为直接和间接两类,直接方法主要是利用月震数据对月壤厚度进行推算,间接方法包括基于撞击坑形态、分布以及地基雷达遥感数据估算月壤厚度两种。随着定量微波遥感的发展,结合我国嫦娥探月工程的实施,利用高分辨率被动微波遥感亮温反演月壤厚度为月壤厚度的研究指出一个新的方向。     

月壤的物理和机械性质

月壤是在O2、水、风和生命活动都不存在的情况下，由陨石和微陨石撞击、宇宙射线和太阳风轰击、月表温差导致岩石热胀冷缩破碎等因素的共同作用下形成的。月壤独特的形成过程，加上独特的月表环境，使月壤在粒度分布、颗粒形态、颗粒比重、孔隙比和孔隙率、电性和电磁性质、压缩性、抗剪性、承载力等方面均与地球土壤存在较大差异，这些参数的平均值和最佳估计值，可以作为月表机械设计和操作、宇航员装备设计、月球着陆场选址的主要依据，对月球资源开发和利用以及月球基地建设具有极其重要的意义。     

月球钻探取样技术研究进展

“嫦娥5号”探测器的成功发射，揭开了我国月球采样返回的序幕。面对当前月球（未来深空）探测的需求，钻进技术作为能够获取深层地质样品的最常用手段，受到越来越多的关注。然而，地球环境下的常规钻探机具与工艺在面对月球（太空）环境时并不能直接进行应用。基于此，本文就当前各国月球钻探技术的研究进展进行了广泛调研与分析，具体包括真实月壤的性能及模拟月壤的研发、月球环境对钻进的影响、月球钻探机具结构和月球钻探规程的探索等几个方面；并对未来月球钻探技术的发展进行了分析思考。     

微波雷达在嫦娥探月工程中的应用

微波穿透雷达对月球的观测方式可以分为地基、星载环绕、星地联合以及就位探测等.对比其他探测手段,微波雷达在探测范围和空间分辨率上有很明显的优势,因此在月球和其他行星探测中起着重要的作用.国内外越来越多的深空探测任务已经或准备携带微波雷达,用于探索地外天体的浅表层地质结构,以了解行星地质过程和演化历史.本文综述了我国嫦娥三号和四号月球车玉兔号和玉兔2 号在就位微波雷达(测月雷达)探测月球浅表层地质结构方面所取得的新进展,重点阐述了测月雷达在揭示月壤内部的精细结构、表层与次表层地质结构探测等方面的应用.最后,展望了我国月球微波雷达的发展趋势.     

月壤中的氦-3

除了极少数非常陡峭的山脉与撞击坑和火山通道的峭壁外，整个月球表面几乎都被一层厚度不等的月尘、岩屑和岩块的混合堆积物即月壤所覆盖。由于月球无大气层等特殊环境，太阳光长驱直入，太阳风粒子直接注入到月壤细小颗粒上使月壤中富含稀有气体等太阳风粒子组分。本文在系统阐述月壤的形成过程与形成机制的基础上，分析了月壤中稀有气体的来源及其浓度与月壤的成熟度、月壤颗粒大小、月壤矿物组成和化学成分的相关关系，进而利用已有的探测数据和分析结果，对月壤中氦-3资源的开发利用前景进行了初步评估。     

CAS-1模拟月壤

模拟月壤是与月球月壤具有相似的矿物组成、化学成分和物理力学性质的地球物质，是月球样品的地球化学复制品。长白山龙岗火山群金龙顶子火山喷发的四海火山渣具有与阿波罗14号采集的月球样品相似的化学和矿物组成，并含有20％～40％的玻璃物质。以四海火山渣为初始物质，研制成功CAS-1模拟月壤，并测量了CAS-1模拟月壤的主量和微量元素组成、矿物组成、密度、颗粒形态、粒度分布、抗剪性和复介电常数等参数。结果表明，CAS-1模拟月壤与Apollo 14号采集的月球样品具有相似的化学成分、矿物组成和物理力学性质，是一种理想的低钛玄武岩质模拟月壤。     

月球花岗岩--比较行星学意义

与大陆地壳广泛出露的花岗岩不同,在月球表面仅发现了少量细小的花岗岩碎屑,此外有长英质组分以熔体包裹体形式出现于月球玄武岩的矿物中。月球花岗岩碎屑的主要矿物为石英、钾长石和钙质斜长石,具花斑状结构;含少量铁橄榄石、单斜辉石、钛铁矿、锆石、磷灰石、白磷钙矿等矿物,缺少含水矿物。月球花岗岩富K2O,富Ba,相容元素(Cr、Sc、Co、V)含量比其它月岩低,具有平坦或Ⅴ型的REE型式,负Eu异常明显。它们的化学特征可以用硅酸盐液态不混熔来解释。月球花岗岩的结晶年龄在4．4～3．9Ga间,具有至少8个年龄峰,可能代表了与花岗岩形成相关的8次独立的岩浆事件。由于月球花岗岩成因和分布对于认识月球演化和岩浆作用历史至关重要,在新一轮的深空探测中,应更加重视对月球花岗岩的研究。     

月球表面的环境特征

本文通过对月球探测资料和研究结果的系统分析,认为月球体积小、质量轻、离太阳较近(温度高)等因素是月球只有极为稀薄大气层的原因;论证了月球极地阴影区存在水冰的证据,并计算出水资源量约为66亿吨。研究了月壤中氦-3的含量与月壤颗粒大小、矿物组成、元素成分和结构特征的关系,并估算了氦-3的资源量;探讨了月球表面的反射率;综合分析了月球区域性磁场的形成机制。     

月球引力场和磁场探测新进展

简要地回顾了前苏联、美国探测月球引力场和磁场的历史,介绍了各国的探月计划;较详细地介绍和分析了美国克莱门汀(Clementine,Cl）和月球探测者(Lunar Prospector,LP)两艘飞船探测月球引力场和磁场的最新成果：Konopliv A S等根据月球探测者数据绘制的最新月球重力图(LP100j,月球正面n=90,背面n=60),Halekas J S等根据月球探测者电子反射测量数据绘制的第一张全月球磁场图,Zuber M T等根据克莱门汀数据制作的月球(自由空间和布格)重力异常图和月壳厚度图;提出了开展有关研究工作的几点建议。     

中红外光谱在月球探测中的应用

硅酸盐矿物的中红外光谱一般具有明显的CF特征和Reststrahlen吸收带,这些特征都与硅酸盐的组成密切相关,可以作为判别其组成的指示特征。月球表面的主要矿物有辉石、斜长石、钛铁矿和橄榄石,其中除了钛铁矿以外,都属于硅酸盐的范畴。如果充分利用月球表面硅酸盐的红外光谱特征,即CF特征和Reststrahlen吸收带,将可以用于探测VIS-NIR光谱无法完成的探测目标:钙长石、橄榄石、石英和碱性长石等。如果在嫦娥工程的后续探测器(如轨道器、月球车或者软着陆平台)上搭载中红外光谱仪对月表物质进行探测,将有利于成功实现对月球表面的矿物和岩石的精确探测,这也将是我国首次采用中红外光谱探测仪对月球进行系统的矿物与岩石探测。     

Microwave brightness temperature imaging and dielectric properties of lunar soil

Among many scientific objectives of lunar exploration, investigations on lunar soil become attractive due to the existence of He³ and ilmenite in the lunar soil and their possible utilization as nuclear fuel for power generation. Although the composition of the lunar surface soil can be determined by optical and γ/X-ray spectrometers, etc., the evaluation of the total reserves of He³ and ilmenite within the regolith and in the lunar interior are still not available. In this paper, we give a rough analysis of the microwave brightness temperature images of the lunar disc observed using the NRAO 12 meter Telescope and Siberian Solar Radio Telescope. We also present the results of the microwave dielectric properties of terrestrial analogues of lunar soil and, discuss some basic relations between the microwave brightness temperature and lunar soil properties.     

我国低钛月海型模拟月壤初始物质选择的地球化学依据

以Apollo14月壤样品和美国JSC-1模拟月壤的地球化学特征为基础,结合我国低钛玄武岩火山的分布,对我国不同地区新生代玄武岩的化学成分、年龄、储量等方面进行对比分析结果表明,滇西北金沙江地区和吉林辉南红旗林场-四海地区的玄武质火山喷发物的化学成分与Apollo14月壤样品和美国JSC-1模拟月壤相似,比较适合用于我国低钛月海玄武岩模拟月壤研制的初始物质。野外地质调查发现,吉林省辉南县金川镇红旗林场—四海一带产出的玄武质火山渣为距今1600 a的该玄武质火山岩的喷发物,其储量大、质地纯、粒度均匀,而且比滇西北金沙江地区最近一期的玄武质火山渣新鲜,最适合作为我国低钛月海玄武岩模拟月壤研制的初始物质。     

月壤及模拟月壤微观结构的研究

为了对比研究月壤与模拟月壤的微观结构,介绍了月壤的形成作用过程和5种基本颗粒类型;通过真实月壤照片,对月壤微观结构进行了分析;利用火山灰为模拟月壤主体材料,对其成分进行了检测;对模拟月壤的火山灰颗粒进行了显微图像分析试验。结果表明,月壤存在胶结物微观颗粒,胶结物颗粒具有分支的组织形态和封闭的气泡,并且有金属铁珠存在;火山灰所含的主要成分及含量与月壤相似,经过粉碎的火山灰试样棱角较为明显,其纵横比峰值略小,稍显长条状,但与月壤比较相近,而复杂度因子则略有欠缺,说明颗粒还不够粗糙和多棱