月球探测领域长期处于活跃状态[1]，从二十世纪六七十年代美国、前苏联进行太空竞赛，实现载人登月、月壤采集回收等一系列任务，再到中国、印度、日本等新兴航空航天大国的兴起，在探测器着陆、巡视、采样等方面取得重大成就．为了进一步深入探测月球，提出了月球原位资源利用(in-situ resource utilization，ISRU)[2-3]，利用月球矿产、土壤、水冰等资源进行生产、制造、建设等活动．不仅可以大大降低材料地月运输成本，还有助于实现可持续月球探测和未来月球基地建设．因此，ISRU是未来月球及深空探索和月面原位建造的重要发展方向之一．面向原位建造的月壤采集技术是原位资源利用的重要技术手段之一．月球环境具有大温差、低重力、强辐射等特点[4]，这对月壤采集方式及操作、采集设备及材料的选择都提出了严格的要求．尤其是低重力环境对月壤采集技术影响较大，在低重力环境下，月壤采集设备因不受惯性力的约束而出现不稳定的运动，也可能会在采集过程中引起月壤颗粒飞散或堵塞，影响采集效果[5]；因此须要对月球极端环境下的月壤物理特性进行深入研究，以便更好地模拟月壤采集过程[6]．目前，月壤采集大多以了解月球环境为目的，采用宇航员操作和机器自主控制相结合的采集方式，缺少针对原位建造成熟的月壤采集方案．因此，本文针对原位建造任务，回顾了月壤原位采集发展历程，分析了原位建造任务的采集需求及采集难点，介绍了包括钻取式、铲挖式、气动式、静电式4种采集方式及原理，并重点讨论了采集关键技术(采集过程的仿真分析、采集器设计与制造及地面实验验证)，最后基于月壤原位采集技术现状提出结论，并结合原位建造任务对未来发展提出展望．1 月壤采集发展历程1.1　前苏联Luna计划月壤采集1970年前苏联成功发射Luna 16探测器，成功取回101 g月壤，实现了人类首次利用无人探测器采集月壤并返回[7]．Luna 16探测器主要由长度为0.9 m的可伸缩机械臂和钻孔机构组成(如图1所示)，机械臂可以在着陆器前方100°范围内摆动．末端连接的钻孔机构与月表呈15°进行月壤采集工作，该钻孔机构利用螺旋切削方式钻进，并采用直插压入方式将月壤样本压入空心芯管中，钻机工作7 min后采集深度达350 mm，因遇到障碍物采集任务结束，机械臂向上摆动，钻孔机构反转180°将月壤样本存入球形返回舱中．2年后前苏联成功发射Luna 20探测器，与Luna 16探测器采集机构相同，但在采集过程中多次出现故障，转移月壤时发生泄漏，仅返回55 g月壤样本[8]．10.13245/j.hust.240284.F001图1Luna 16探测器及采集方式[9]Luna 24探测器于1976年成功着陆月球并返回170.1 g月壤样本[10]，其采集机构是一种新型的旋转冲击钻机LB-09，与Luna 16和Luna 20的钻机不同，该钻机可以保持月壤层理特性，还能根据月壤密度调节钻机功率．LB-09由阶梯式硬质合金钻头、钻头驱动器、空心外螺旋钻杆、样品存储器等构成，内部包含一个直径12 mm、长260 cm的柔性月壤采集管，采集过程结束后，可将其螺旋缠绕在特殊滚筒上并封存在样品存储器中．钻进过程中，钻机与月表角度为30°，钻进深度达2 250 mm，最终取得月壤170.1 g．虽然Luna 24探测器带回的月壤保持了一定的层理特性，但柔性月壤采集管在缠绕时发生了挤压变形导致部分月壤泄漏，层理特性保持度一般．1.2　美国Apollo计划月壤采集美国于1969年成功完成Apollo 11载人航天任务，实现人类首次登月，并利用人工采集的方式返回月壤样本，3年时间里共在6次任务中完成取样．在Apollo 11，12，14号任务中，宇航员利用铲子、钳子、锤子、取芯管、耙子等工具收集月壤[11](如图2所示)，铲子用于采集月球表面的月壤，钳子用于夹取月表岩石，取芯管则用于采集月表以下月壤，如图3所示，取芯管竖直插入月壤中，利用锤子反复敲击其顶端，在经过大概50次敲击后，采集深度可达700 mm．10.13245/j.hust.240284.F002图2Apollo 11，12，14人工采集月壤工具[11]10.13245/j.hust.240284.F003图3Apollo 12取芯管采集[11]为了采集更深处的月壤，在Apollo 15，16，17号任务中，人工采集工具更换为手扶式回转冲击式钻具(ALSD)．该钻具由四根长0.7 m的螺旋钻杆和硬质合金钻头构成[12](如图4所示)，通过直压、螺旋排屑方式，可形成直径20 mm、目标深度3 m的样芯．但在Apollo 15实际操作过程中，连续钻头段之间的螺旋输送器槽发生错位，导致螺旋输送器阻塞，最终深度为2 m；因此在Apollo 16和17任务中，重新设计了钻杆结构并添加了一个能将钻具吊出月表的千斤顶，这使得Apollo 16和17成功达到了3.5 m的目标深度．相比于前苏联无人钻取采集月壤，美国人工钻取采样不仅在采集点选取上更灵活，还可以根据实际钻进过程调整钻机参数，但硬质管取芯方式对月壤层理特性保护程度较差．10.13245/j.hust.240284.F004图4Apollo 16，17钻取月壤采集[11]1.3　中国嫦娥五号月壤采集中国无人月壤采集返回探测器——嫦娥五号成功于2020年12月2日进行月壤采集工作，通过钻机钻取和机械臂表取两种采集方式共取得1 731 g月壤样本[13]，中国成为继美国和前苏联之后第三个成功执行月壤采集返回任务的国家，图5为嫦娥五号概念图．与之前的月壤采集机构不同，嫦娥五号携带一个摄像头，不仅可以在软着陆过程中对着陆区成像，获取月壤采集点先验信息，还可以对钻取采样过程进行监控，记录钻取工具与月壤相互作用过程，返回后可通过图像信息预测钻孔路径、钻倾角等钻头参数．10.13245/j.hust.240284.F005图5嫦娥五号概念图[14]嫦娥五号钻机钻取机构包括钻头、钻杆、刚性管及柔性管等(如图6所示)，钻头用于穿透月表，钻杆为中空设计，其中包含一个同心刚性管，柔性管位于管内部并外翻包裹刚性管外部．钻取过程中钻杆旋转而刚性管不旋转，月壤被收集在柔性管中[15-16]．嫦娥五号计划在月表以下2 m深度钻取月壤，但由于遭遇到较为坚硬的岩石，最终钻取深度约为1 m．机械臂表取机构包括四自由度机械臂、铲挖式采样器及浅钻式采样器，用于采集表层及次表层月壤．如图7所示，铲挖式采样器具有挖掘、铲取和抓取功能，可以直接挖掘月表细颗粒月壤及浅层岩石，浅钻式采样器则可以对一些相对较硬的目标进行浅层钻孔，并通过末端特殊的花瓣结构实现样品提取．10.13245/j.hust.240284.F006图6月壤钻取及表取月壤采集过程[15-16]10.13245/j.hust.240284.F007图7机械臂表取采样器[14]表1为成功的月壤采集任务概述，月球表面除了裸露的岩石及陨石撞击坑壁外，绝大部分被月壤覆盖．研究表明月壤的平均厚度为4~15 m，目前的采样深度还未达到月壤下面的月岩，因此月球深处地层信息仍未探明．根据目前对不同采样点的月壤样本分析，月壤物理性质可能因地区不同而呈现出差异性，另外月壤高孔隙度、大相对密度和压缩系数等物理特性对月壤采集过程造成影响[17-18]．10.13245/j.hust.240284.T001表1月壤采集任务概述任务年份采集方式采集深度/cm采集质量/kgApollo 111969人工铲挖表层21.600 0Apollo 121969人工铲挖7034.300 0Luna 161970无人钻取350.101 0Apollo 141971人工铲挖表层42.300 0Apollo 151971人工铲挖及钻取23677.300 0Luna 201972无人钻取340.055 0Apollo 161972人工铲挖及钻取21895.700 0Apollo 171972人工铲挖及钻取305110.500 0Luna 241976无人钻取2250.170 1Chang’e-52020无人钻取及表取1001.731 02 面向原位建造的月壤采集任务2.1　原位建造任务的采集需求月球在科研、经济和社会方面的战略价值日益凸显，考虑到月面的恶劣环境及地月之间的运输成本和技术问题，利用月壤等资源进行原位建造成为月面建造解决方案之一．原位建造任务包括地质勘查、月球基地及交通设施建设等．首先，月面地质勘查不仅是原位建造选址的科学依据，还是原位建造资源采集的前提，是开展月面原位建造的重要保障．目前可行的勘查手段包括无人探测器探测、遥感技术观测、采样分析等，其中原位采样分析可以获取该地区月壤的详细性质和成分信息，评估行星或卫星表面的资源丰富程度和可用性，可靠性最高，以便于提供关于建造过程中材料性能和适应性的信息，助于确保建造结果的可靠性和耐久性．其次，月球基地建设可为宇航员的居住、工作和研究提供永久或临时基地，而交通设施建设可以建设月面道路、着陆垫等，以便月表探索及地月运输．月壤是月球基地及交通设施建设的核心原材料之一，其中3D打印和高温烧结等技术为月壤基建筑材料成型提供了技术支撑．欧洲航天局(ESA)利用月壤作为原材料，提出一种D形3D打印技术[19]，可直接打印大型建筑复杂结构，美国航空航天局(NASA)也利用模拟月壤，通过高温熔融技术使其固化为建筑构件[20]，为在恶劣的空间环境中开发现场资源建造建筑物开辟了可能性，因此月壤采集可以为原位建造提供重要的原料支撑．目前，不同研究机构的月球原位建设方案存在差异，但无论是3D打印整体结构还是月壤烧结后的装配式建造方法，对月壤材料的需求量、成分、粒径分布等有不同要求．例如，面向整体3D打印建造任务，考虑到建造过程的连续性，对月壤材料需求量较大．而在关键建筑构件成型任务中，构件强度要求更高，这对月壤中的成分、粒径分布也有不同的要求；因此，针对不同建造任务的月壤需求，可存在多种采集方式以应对其多样性．2.2　采集难点分析月壤颗粒直径以小于1 mm为主，绝大部分颗粒直径的中位数在40~180 μm之间，平均粒径为70 μm[21]．颗粒形态以次棱角状、棱角状和长条状较为常见，且由于低重力影响，颗粒间产生“互锁效应”，月壤呈现出高密实度的特点，增大了月壤采集难度．除此之外，月壤中也可能存在大块状颗粒，其直径可以达到数毫米至几厘米，可能在采集过程中造成设备故障．另一方面，月面环境具有多个特点，如大温差、低重力、高真空和强辐射等．这些特点对月壤采集方式、操作和采集设备的设计提出了严格的要求．特别是低重力环境的影响，常规用于地面的采集土壤方式在月面环境下不适用．通常地面的采集土壤方式依赖自身的重力或牵引力进行挖掘采集，然而在低重力、月壤高密实度的条件下，以及对月面设备轻量化的要求下，重力很难提供足够的挖掘力；而增加牵引力来进行挖掘则会使设备受到月面的反作用力增大，在低重力条件下容易发生倾覆；因此，针对月面环境的特点及原位建造任务需求，须要研发专门采集方式和设备．这些方式和设备应考虑月壤的高密实度、低重力条件、月面设备的轻量化要求及原位建造任务需求，以确保采集任务的完成．3 采集方式及原理3.1　钻取式采集月壤采集按采集深度划分可以分为表面采集和深部采集，钻取式采集方式作为一种深部采集方式，通过旋转钻入、冲击等方式深入月壤地层，在过去的月壤采集任务中证明了其穿透高效性及保持地层信息的能力[22]．但钻取式采集方式采集量较小，容易发生岩屑堵塞、取芯故障等风险[23]，在钻取过程中钻头须承担高磨损带来的风险．钻取式采集机构往往固定在着陆器或漫游器上或者作为机械臂的末端工具，主要由用于破坏月壤的钻头、用于输送岩屑的钻杆组成[24]．钻杆主要以外螺旋中空钻杆[25]和外螺旋内软袋钻杆[26]形式为主，前者利用中空设计随着钻杆的旋转将月壤样本挤压到钻杆中心的中空管道内，并使其上升到地面，这种设计可以在推进的同时保持对地面的稳定，从而提高钻取样本的成功率．而外螺旋内软袋钻杆是利用外螺旋钻杆的螺旋外壁将月壤颗粒推入内部软袋，通过钻杆的旋转和软袋的抽取收集月壤样本．与其他采集方式相比，外螺旋内软袋钻杆具有操作简单、可重复采样等优点，适用于采集粒径较小的月壤颗粒和较浅的钻孔深度．当面向原位建造任务时，钻取式采集技术较为成熟且设备接口适应性较强，能将采集到的月壤与原位建造任务的其他设备有效地连接，使月壤采集、处理、建造流程一体化，但考虑其采样量较小，仅适合月球砖、月球道路板等建设任务．月面地质勘查保真度取决于钻取式采集保持地层信息的能力，为了保持月壤样本的地层信息，如图8所示，柔性管取芯的钻取方式相比于仅利用旋转和穿透的复合运动进行钻孔和取芯的方式更为有效．Tang等[27]提出一种月壤流动状态监测方法，通过在软管中使用超声波传感器在线获取取芯高度和比率从而优化钻取参数．另外，Tang等[28]还提出一种非接触测量方法，探究移除的月壤与取芯土壤相连特性问题，揭示了可能导致柔性管取芯故障的原因．除了传统的机械钻取方式，Gahan等[29]设计GTI激光钻取系统，通过透镜等光学仪器的聚焦作用，形成高能激光束，利用激光束直射月表实现对月壤及月岩的切割．如图9所示，实验证明激光钻探方式在结晶结构的岩石、斜长岩和玄武岩上有较好效果．10.13245/j.hust.240284.F008图8柔性管取芯[27]10.13245/j.hust.240284.F009图9激光钻取[29]3.2　铲挖式采集铲挖式采集月壤是一种相对简单的采集方式，与钻取式采集方式相比，采集深度较浅，适用于采集大量表层月壤的任务，具有采集速度快、操作简单、采集范围广等优点，可以通过简单的操作在短时间内采集大量月壤，为原位建造任务提供足够的材料，适用于建筑整体3D打印等单次月壤需求量较大的建造任务，对未来月面原位采集及利用有重要意义．另一方面，铲挖式采集方式较为灵活，可以适应多种不同的地形和采集任务要求，更加适合应对原位建造任务中的多变情况．铲挖式采集往往利用机械臂携带铲子、挖斗等铲挖式采集器，与地面挖掘机相似，可通过漫游车实现移动式月壤采集．由于月球在形成初期经历大量的陨石撞击[30]，月壤中的颗粒紧密结合在一起，再加上月壤颗粒粒径较小，因此月壤具有极高的密实度，这对铲挖式采集方式造成极大的困难．低挖掘力、小接触面积低速挖掘是解决月壤高密实度问题的方法之一．“RASSOR”[31]是由NASA研制的滚筒式月壤采集机器人，如图10所示，每个滚筒设计两个挖掘铲，挖掘铲位置与其他滚筒相对位置不同，挖掘铲设计有锯齿状边缘和前角，以帮助减少与表面的接触面积，从而降低挖掘力．10.13245/j.hust.240284.F010图10“RASSOR”及其滚筒[31]布拉克大学开发了一种梯式挖掘采集系统，用于在月球表面上采集月壤[32]．如图11所示，该系统采用类似于传送带系统的梯子，其中40个铲斗与传送带相连．在工作过程中，只有一个铲斗接触月球表面，以避免过多接触导致挖掘力过大，机器人作业失稳．10.13245/j.hust.240284.F011图11梯式挖掘采集系统[32]除了降低挖掘力和减少接触面积，Kókány等[33]提出一种月球装载机，如图12所示，利用装载机铲斗实现月壤采集、运输及卸料，在采集过程中，经过向前推动作用，月壤可以通过铲斗特殊的结构设计装载到机器人内部储存空间中，月球装载机的设计不仅可以完成月壤采集任务，还可以执行平整场地[34]的任务，对未来月球道路、月球基地的建设打下基础．10.13245/j.hust.240284.F012图12月球装载机[33]3.3　气动式采集气动式采集月壤方式是利用压差关系将月壤吸入到采集器中，主要由气动机构及采集器构成，通过气动机构风力作用使管道内产生负压，管道末端月壤受压差作用影响被吸入管道中，实现月壤采集[35]．这种采集方式适用于微定量表层月壤采集，由于避免了传统采集方式的机械振动和切割，进而避免了月壤高硬度带来的采集器机械磨损问题，因此采集的月壤颗粒样本更具有保真性，在原位建造中对地质勘查有重要意义，但无法保持完整的地层信息，仅适合分析月壤颗粒特性及性质．另外，气动式采集方式存在能量要求较高、容易发生堵塞、采集效率较低、设计复杂及研发成本高等缺点．Zacny等[36]提出一种着陆器系统——Planet Vac，如图13所示，着陆器脚垫下的空心样品管中设计阀门，通过将气体喷向管口并沿着管道向上方向吹气，将月壤样品推动穿过连接软管并进入样品返回容器．NASA联合Honeybee Robotics公司开发了一种气动表土开采机[37]，如图14所示，通过向输送管中喷射脉冲气体，将相邻的物质吸入并输送至接收容器或出口管中，气动式采集方式采集精度高，可以通过精确控制气流流动的方向和速度实现对采集位置及深度的精准控制，在原位建造任务中适合挖掘对精度有较高要求的沟渠、孔洞等．10.13245/j.hust.240284.F013图13Planet Vac[36]10.13245/j.hust.240284.F014图14气动表土开采机[37]传统机械式采集方式机构具有较多运动部件，如轴承、衬套和难以密封的线性滑动气缸等，而月壤颗粒粒径较小且月球重力仅为地球的1/6，因此月壤颗粒容易进入机械构件中导致故障[38]．而气动式采集月壤方式机构中的运动部件仅包括阀门，因此可以降低月尘对机械结构的影响．3.4　静电式采集由于月球风化层密度小于2 g/cm3、月壤颗粒粒径小且质量低，因此可以被静电吸附[39]．静电式采集方式便是利用这一特点，通过带电采集器捕获表层月壤颗粒，实现微定量月壤采集．静电式采集器无需机械装置，可以降低故障率，增加可靠性，与气动式采集方式类似，静电式采集可以避免对月壤颗粒进行机械破坏，物理和化学性质保存更加完好，便于准确分析月壤颗粒作为建筑材料在月面环境下的适应性，但伴随着采集效率低、能耗大等缺点．另外，采集月壤颗粒可能产生静电吸附效应，影响样品分析和研究．Adachi等[40]开发了一种基于静电力的月壤采样器，其工作原理是通过施加矩形高压，使得在管道下端的平行电极之间形成静电场，从而在筛网电极开口时捕获月壤颗粒，被捕获的月壤颗粒随后通过管道进入收集器中，图15为静电采集器工作过程．Adachi等[41]又提出利用库仑力和介电泳力来捕获直径大于0.1 mm的月壤颗粒．Tang等[42]提出了两种基于EA电极理论的月壤采样器方案，ST-I和ST-II采集器如图16所示，其中，I型采集器(ST-I)将电极集成在螺旋钻孔工具上，当钻具达到目标深度时，EA电极正常工作，能够吸附和收集月壤颗粒．而II型采样器(ST-II)则将电极集成在端面上，在挖掘形成的钻孔中利用平面电极收集和吸附月壤颗粒．未来的发展方向是将静电式采样与其他采样方式结合使用，例如结合铲挖式或钻取式采样，这可以获得更多种类的样本，并提高采样效率；同时，还可以研究和改进静电力和表面电荷的作用机制，以提高静电式采样器的采样效率和可靠性，这对于未来的月球和行星探索任务具有重要意义．10.13245/j.hust.240284.F015图15静电采集器工作过程[40]10.13245/j.hust.240284.F016图16ST-I和ST-II采集器[42]静电式采集相比于其他采集方式，无须进行挖掘，对月壤及其周围环境影响较小，不易造成扬尘，对精细的原位建造设备起到一定的保护作用．另外，月壤中可能含有带磁性的矿物成分，通过静电式采集的筛分作用，可以获得不同颗粒大小的月壤物质，其中可能包含适用于原位建造的更加多样的原材料．4 采集关键技术研究4.1　采集过程的仿真分析由于月球地质环境具有不确定性、月壤与采集工具作用机制不明等原因，月壤采集过程存在不稳定因素，这对采集成功率带来了巨大影响．具体来说，不同建设地点及采集点地质环境不同，月壤颗粒的机械性能不同，影响采集功率、采集工具磨损程度及静电产生等．针对不同采集形式和月壤类型，提出了许多装备与月壤相互作用的模型，基于动力学、热力学等对采集过程进行仿真模拟，可以揭示采集机理，并根据对装备结构或材料的调整，实现采集参数优化．a．动力学建模．月壤颗粒形态以长条状、次棱角状和棱角状为主，这种颗粒形态会使各个颗粒之间紧密互锁，相对滑移难度较大，面对不同深度月壤，其摩擦角、孔隙比等特性也不同[43]．因此须要建立不同的动力学模型分析各种工况下的月壤采集过程．Chen等[44]基于Janssen模型分析了螺旋钻取月壤过程中的不同应力分量之间的耦合效应，结合钻头切削模型对月壤碎屑在输送通道中的运动及受力过程、钻芯采样机制进行动力学建模，研究了螺旋输送器的输送能力、取芯率和钻进参数(如钻进深度和转速)之间的关系．为解决在月球深部钻探时的扭矩设计问题，Liu等[45]采用离散元模型对采集过程中的扭矩进行分析．该方法针对不同深度的钻头钻杆进行建模，并对合成扭矩进行计算分析，最终仿真预测扭矩曲线．采用这种方法可以在短时间内分析扭矩并设计钻机机构的基本参数．b．热力学分析．由于月壤热传导系数仅为地球土壤的1/1 000[46]，因此须要考虑采集过程中的热效应，避免过热导致的采集故障．Cui等[47]采用离散元法建立了考虑对流、辐射和几何形状的模拟物热模型．在离散元模拟中，粒子数量和粒子直径是影响模型大小和计算时间的两个最重要因素．因此Cui等[47]提出了可变粒径建模方法来建立钻孔模型，如图17所示，该方法将月壤模拟物划分为几个区域，并使用不同直径的粒子进行建模，然后分别在常压和真空条件下进行热模拟．10.13245/j.hust.240284.F017图17可变粒径建模[47]4.2　采集器设计与制造随着月壤采集技术的发展，新式采集器及采集方式设计不断出现，而面对月球的极端环境和建造需求，高性能材料可以满足采集器各个部件应对其建造场景的需求．另外，月壤采集智能化调控的研究呈现上升态势，因此针对采集器的结构设计、材料制造与智能化控制的研究对面向原位建造的月壤采集过程的操作性能及可靠性有重要意义．a．结构设计．优秀采集器的结构设计在满足基本采集任务需求的同时，具有更高的采集效率和采集成功率．根据过去月壤采集历程的分析，月壤颗粒阻塞是钻取过程发生故障的原因之一，Liang等[48]分析嫦娥五号任务的钻孔终止的一个可能原因是月球风化颗粒阻碍了空心钻具的采样进入，采用离散元法进行了数值模拟，验证了障碍物的颗粒流动状态，并通过将取心机构原有的间隙配合与障碍物隔离，设计了一种密封装置．Hou等[49]设计了一种移动式螺旋采集器，如图18所示，通过这种设计可以在降低钻进压力同时保持较高的月壤传输效率；另一方面可以缩短剪切运动下的路径长度，提高能量利用率．虽然复杂的结构设计可以提高采集过程灵活性和可操作性，但面临着更为复杂的控制机构，系统可靠性大大降低．10.13245/j.hust.240284.F018图18螺旋采集器[49]b．材料制造．新材料技术是开发新机械产品和提高极端环境下使用的产品质量的基础．面对大温差、真空、强辐射等月球极端环境及月壤颗粒粗糙、导热性差的特点，考虑到月面原位建造任务需求，采集器材料需要具备优良的耐磨性、耐高温性、高强度等特性，另外考虑到高昂的发射成本[50]，材料在保证强度的前提下应满足轻量化要求．Zhang等[24]提到钻取机构的螺旋钻、钻头、钻头刀具和芯管采用不同的材料制造．螺旋钻受力较少，可以由轻质复合材料制成；钻头承担扭矩较大，可用钢基材料制成；钻头刀具用于切割破坏月壤表层，在强度、耐磨性、耐高温性上有较高要求；芯管则可以由轻质高强度铝合金制造．c．智能化控制．月壤采集器智能化控制可以通过加装加速度计、陀螺仪、压力传感器等多种传感器，实时监测采集器的位置、姿态、速度、压力等参数，为控制系统提供准确的反馈信息，并与其他建造设备实现协同工作．另外还可以采用先进的控制算法，如PID控制、模糊控制、神经网络控制等实现对采集器的精确控制．Wang等[51]为四自由度(4-DOF)月球表面采样机械臂设计一个基于视觉的姿态测量系统，如图19所示，通过相机校准、标记提取和姿态测量等过程实现采集器与着陆器之间的相对姿态控制，用于提高月球土壤采样和封装的执行效率和精度．10.13245/j.hust.240284.F019图19相机校准过程[50]4.3　地面实验验证面向原位建造的月壤采集地面实验验证在于模拟真实的月壤环境，验证和测试月壤采集器的性能和可靠性，发现和解决可能存在的问题，进行迭代优化．在地面实验验证过程中须考虑以下问题．a．采样环境的模拟．月壤采集地面实验需要高保真的采集环境，首先针对不同采集任务选择与采集点月壤颗粒摩擦角、孔隙比、矿物成分等相近的模拟月壤，其次须要模拟月球真空、低重力等环境，当进行材料测试时还须注意大温差、强辐射等极端条件的模拟．b．采样器的性能测试．采样器的性能指标包括采集效率、采集深度、地形适应能力、能耗及可靠性等，可以根据具体的采集器设计和应用场景进行具体细化和定量分析．目前，钻取式采集技术较为成熟，相对应的钻井取芯试验台研制及实验研究数量较多．Zhang等[52]搭建了一个真空、低温、无水无土的2.2 m深度的钻井试验台，如图20所示，并进行了真空与非真空热性能对比实验．如图21所示，Shi等[53]则建立了由颗粒土和坚硬岩石组成的多层模拟物，以测试钻孔和取芯的适应性．10.13245/j.hust.240284.F020图20钻井试验台[52]10.13245/j.hust.240284.F021图21月壤和月岩模拟物钻探样品[53]Zhang等[54]强调了地面试验系统的设计原则，包括地质等效性、热物理等效性、运动学等效性、极端条件验证、多传感器监测等，并将温度传感器和力学传感器集成到钻机中，以评估采样过程的机械和热物理状态．Zacny等[55]设计了一种采集深度为1 m的钻头和岩屑采集系统——LunarVader，如图22所示，不仅在真空室进行了实验，还在南极洲罗斯岛的月球模拟地点进行了现场测试．10.13245/j.hust.240284.F022图22真空室与南极洲实验[55]5 结论与展望5.1　结论a．针对不同的原位建造月壤采集任务，包括采集量、采集地点和采集深度等方面的差异，存在着多种不同的采集方式．钻取式采集适用于采集深度较深、探测月壤地层信息的采集任务，可以获取深层矿产资源用于原位建造；铲挖式采集适用于采集大量表层月壤的采集任务，获取原位建造原材料效率较高；气动式和静电式采集适用于不破坏月壤颗粒的定量月壤采集任务及沟渠、空洞等对精密度有较高要求的建造任务，另外静电式便于采集筛分带磁性矿产资源，收集多种建造原材料．b．目前，大部分月球采集任务是由着陆器实施，采集地点较为有限，而可移动式采集系统采集范围更大，在原位建造月壤采集任务中更具优势．但是可移动式采集系统须要具备一定的移动能力和自主控制能力，还须要克服低重力环境下的移动问题和精确的导航、避障技术等方面的挑战，因此，以月球车为载体的采集方案仍不够成熟．c．在地面实验验证过程中，月壤颗粒及低重力、强辐射环境模拟难度大，保真度较低，大规模地面实验开展困难．一方面，月球不同位置月壤颗粒物理和化学性质存在差异，为了保证地面实验可靠性，月壤颗粒应尽可能与采集地点月壤颗粒性质相似，然而目前真实月壤有限，部分地区月壤成分尚不清晰；另一方面，低重力条件下，月壤采集器的机构和设备运行方式都会发生改变，强辐射等极端环境也会对月壤采集器的部件和材料造成一定的损伤，而低重力、强辐射环境存在搭建成本高、难度大的问题．面向原位建造任务，须要开展大规模地面实验，而目前缺少大范围与月球土壤条件相近的自然场地，且自行搭建成本较高．5.2　展望a．面向月面原位资源利用，铲挖式采集方式是未来月面建造关键的材料收集方式之一．相比于其他采集方式，铲挖式采集具有采样量大、采集地点选择性强、作业效率高等优点，因此铲挖式采集方式在面向月面原位资源利用方面具有广阔的应用前景，尤其是在未来月球基地建设方面．目前，铲挖式采集方式的研究还处于起步阶段，但随着各种高效率、低能耗、轻量化的铲挖工具的出现及智能控制技术的发展，铲挖式采集方式有望成为月球资源开发和利用的主要手段之一．b．未来月面原位建造任务中，移动式采集系统将成为必然选择，自主探测和采集技术将是重点研究领域．移动式采集系统包括月球车、机械臂、采集器等，具备自主探测、导航和采集等功能，可用于对月面不同区域进行采样和分析．为了实现这一目标，须要研究和开发一系列关键技术，其中包括自主导航、环境感知、动力系统、机械臂控制及采样器设计等方面．这些技术的研究和发展将有助于推动未来月球探测任务迈向更高的水平．c．未来原位建造月壤采集任务须要进行采集过程的仿真模拟及地面实验的验证，二者须要相辅相成．仿真模拟可以协助确定月球采集任务中的关键参数，例如采集深度、采样器设计等，从而为实际任务做出准确的规划和设计；而地面实验则可以验证采集任务的可行性．当进行仿真模拟时，须要依靠地面实验对其准确性进行验证．当遇到难以模拟的极端环境无法进行地面实验时，则须要进行高保真的仿真模拟．