月球采矿中月壤/岩力学问题的理论与试验方法

周国庆^1,2，李瑞林^1,2，严康²，赵晓东^1,2，陈君¹，莫品强^1,2，王广³

1. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室2. 中国矿业大学力学与土木工程学院3. 中国矿业大学孙越崎学院

摘 要：月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物,月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题,已成为新一轮全球范围太空开发竞争的焦点。然而,月球表面独特的重力、真空及温度等环境和月球地质体特殊的组分、结构及几何特征造就了月壤/月岩特殊的力学特性和工程行为,给未来月球采矿和月球基地建设带来了前所未有的巨大挑战。空间环境方面,月球重力场仅为地球的1/6,月面真空度高达1. 01×10-12kPa,温度最高130℃、最低-183℃,温差高达313℃。月球地质体几何特征方面,月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构;结构特征方面,月壤呈现出粒径跨度大且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征;组分方面,月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型。因此,获得月球低重力引起的低应力水平和低应力梯度条件、月表超高真空和极端温度等特殊环境条件下月壤/月岩的力学行为,以及异形月壤颗粒形状引起的力学响应、月岩特殊组分及组构相关的力学特征等基础力学问题的系统研究成果,是实现月球矿产资源安全、高效开发的前提和基础。为此,需要对理论及试验研究方法进行创新,弥补现有研究方法和手段无法满足该领域研究需求的短板。理论手段方面,应该建立考虑应力梯度的月球地质体高阶力学方法,实现月壤/岩力学行为对低应力梯度响应的表征;实现月壤特殊颗粒形状的数学表征及数值重构,为揭示月壤复杂颗粒形状特征及其对力学特性的影响奠定基础;构建考虑复杂颗粒形状的月壤多尺度力学方法,实现月壤"细观颗粒形状-宏观力学行为"的跨尺度关联。试验手段方面,需要在地面构造与月面相似的空间环境并研制与月壤/月岩相似的试验材料,为在地球环境研究月球采矿基础力学问题构建试验平台。

关键词：月球采矿;小重力场;高真空度;极端温度;月壤;月岩;力学特性;