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1、典型模拟火星土壤研究进展摘要：火星土壤(简称火壤)是广泛分布在火星外表的细粒风化物质,其物理力学性质是火星着陆及巡视探测需要考虑的重要因素之一。回忆了火壤的探测历史,根据研制需求的不同,对国内摘要：火星土壤(简称火壤)是广泛分布在火星外表的细粒风化物质,其物理力学性质是火星着陆及巡视探测需要考虑的重要因素之一。回忆了火壤的探测历史,根据研制需求的不同,对国内外不同类型模拟火壤的物质组成、物理性质、力学特征等进行了比照分析。在此根底上,认为在模拟火壤研制方面面临以下困难和问题:缺少可供参考的火壤深层剖面数据;模拟火壤种类不全面;模拟火壤制备技术有待进一步改善。因此,未来模拟火壤的研制工作需要在以
2、下几方面加强:利用地表风化玄武岩剖面,进行模拟火壤剖面类比研究;开展(含盐)冻土型、极端工况型等多种类型模拟火壤研制工作;积极探索模拟火壤研制新方法。本文源自载人航天,2022,26(03):389-402.?载人航天?杂志，于2022年经国家新闻出版总署批准正式创刊，CN:11-5008/V，本刊在国内外有广泛的覆盖面，题材新颖，信息量大、时效性强的特点，其中主要栏目有：根底研究、成果应用、动态等。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。当前火星气候寒冷枯燥,外表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
3、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的就位分析结果说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
4、火壤那么由镁橄榄石(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2714wt%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。结晶局部矿物组成与古谢夫撞击坑和玄武质陨石相似,非晶态物质那么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外表进行一系列工程试验21
5、,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,美国已经屡次成功进行火星着陆探测工作,其模拟火
6、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,方案在2022年发射火星探测轨道器和火星车,首次进行火星外表巡视探测工作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。本文在充分调研的根底上,对国内外不同类型模拟火壤的物理化学特征进行比照分析,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
7、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到达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异。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
8、、MarsGlobalSimulant(MGS-1)型和JezeroDeltaSoilSimulant(JEZ-1)型模拟火壤为代表,而国内的那么是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。2022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
9、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,有磁性的局部蚀变较少,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。无磁性局部与磁性局部矿物种类相同,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与火星外表较为接近,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
10、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,外表通常被灰尘覆盖47,这一特点也是选择其作为原料的重要依据。光谱数据说明在波长4001000nm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外表。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
11、在加热到500时测得的含水率均为0.11.0wt%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1.53wt%,这一挥发分散失温度指示这局部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根本在3wt%以下50。MGS-1型模拟火壤由美国中佛罗里达大学研制,代表了火星外表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
12、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,并参加次生矿物(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拟的结果显示,在较短的波长(4001100nm)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
13、谱大致相似(图1)51,53。而在较长波长下,那么与火星快车(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1.071.64g/cm3、海盗1号着陆区外表的松散堆积物天然密度约为1.15g/cm3,与的火星着陆器和巡视器探测结果根本相符。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比照研究33,36,44,51JEZ-1型模拟火壤由MGS-1研制,用于模拟美国Mars2022探测任务预选着陆点Jezero撞击坑内三角洲
14、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的根底上添加了粘土矿物(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38m,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9352,弥补了集宁玄武岩铁含量低于火壤的缺乏。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
15、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外表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)
