Development and properties of a magnetic high-titanium lunar regolith simulant IRSM-1
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摘要: 对月球的探测已进入以月球原位资源利用（ISRU）为主的新阶段，系统掌握月壤特殊的力学响应与工程特性对月球资源开发利用具有重要意义。迄今为止，绝大多数针对月壤及模拟月壤性质的试验研究都是在地球上开展的，忽略了月面环境，尤其是低重力环境对这些性质的影响。地质力学磁力模型试验可以结合磁性相似材料模拟月面g/6的低重力环境。由于目前已有的模拟月壤磁性极弱，无法满足磁力模型试验的要求。因此，研制了一种具有一定磁性的高钛模拟月壤IRSM-1并测试了该模拟月壤的成分及性质。将测试结果与部分月壤及模拟月壤的性质进行了对比分析。结果表明：IRSM-1模拟月壤的化学矿物成分与高钛月壤相似，其物理力学特性在月壤的范围之内，较好地还原了真实月壤的基本特性。此外，IRSM-1还具有一定的磁性，可以作为磁力模型试验的相似材料。
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关键词:
- 月球原位资源利用 /
- 月壤 /
- 地质力学磁力模型试验 /
- IRSM-1模拟月壤
Abstract: The moon exploration has progressed into the stage of in-situ resource utilization (ISRU). Systematically understanding the unique mechanical response and engineering characteristics of the lunar regolith is crucial for the development and exploitation of lunar resources. Most experimental studies on the properties of lunar regolith and its simulants have been conducted on Earth, disregarding the impact of lunar environment, particularly the low gravity, on these properties. The geomechanical magnetic model test, which uses magnetic similar materials, can simulate the low-gravity environment of the lunar surface. However, the existing lunar regolith simulants have weak magnetism and cannot meet the requirements of the magnetic model tests. Thus, a high-titanium lunar simulant IRSM-1 with magnetic properties is introduced, and its composition and properties are tested. The test results are then compared with those of some lunar regolith and existing simulants. The findings reveal that the chemical and mineral compositions of the IRSM-1 simulant is similar to those of the high-titanium lunar regolith, and their physical and mechanical properties are within the range of lunar regolith, which accurately replicates the fundamental characteristics of the real lunar regolith. Moreover, the IRSM-1 simulant has certain magnetism and can be employed as a similar material for magnetic model tests. -
0. 引言
21世纪以来，月球在经济、军事和科研方面的战略价值日益凸显，人类正迎来月球探测复兴潮。美国国家宇航局在2019年提出了“Artemis”项目，计划在2028年建立月球基地。2021年，中国和俄罗斯正式启动了国际月球科研站（ILRS）建设项目的合作。此外，日本、印度、以色列等国家先后加入月球探测的行列，月球正成为各国太空战略新的聚焦点。
月壤是在氧气、水、风都不存在的情况下，经过陨石和微陨石撞击、太阳风粒子轰击、月岩热胀冷缩破裂这3个过程共同作用而形成的[1-2]。特殊的形成过程导致月壤具有特殊的颗粒形态及性质，使其物理力学特性与地球土壤具有显著不同。由于真实月壤样品十分珍贵稀少，其数量难以满足岩土工程试验的需要。目前国内外大多采用模拟月壤代替真实月壤进行相关的试验研究。根据二氧化钛（TiO2）的含量可以将模拟月壤分为低钛和高钛模拟月壤。其中，低钛模拟月壤通常参照Apollo14、15号月壤样品制备而成，如美国的JSC-1[3]，日本的FJS-1[3]、韩国的KLS-1[4]以及中国的CAS-1[3]、TJ-1[5]等。高钛模拟月壤通常参照Apollo11、17号月壤样品制备而成，如美国的MLS-1，中国的NAO-3[3]等。
目前针对月壤及模拟月壤性质的试验研究几乎都是在地球上开展的，忽略了月面低重力环境对这些性质的影响。罗先启等[6]提出了地质力学磁力模型试验方法，结合磁性相似材料可以模拟非常规重力场环境。Li等[7]通过设计磁体结构及其附属模块，实现了月面g/6低重力场的模拟。目前的大部分模拟月壤磁性极弱，无法满足地质力学磁力模型试验对相似材料磁性的要求。因此，本文借鉴Li等[7]制备模拟月壤的思路，在已有制备工艺的基础上，以火山灰和钛磁铁矿为原料，经过高温烧结和机械破碎等工序制备了一种具有磁性的高钛模拟月壤IRSM-1。测试了IRSM-1模拟月壤的成分以及物理力学特性，并将测试结果与部分月壤及模拟月壤的相应特性进行了对比。结果表明IRSM-1模拟月壤较好地还原了真实月壤的成分及性质，可以用于月壤的岩土工程性质研究。
1. IRSM-1模拟月壤的制备
1.1 原材料
制备模拟月壤IRSM-1所使用的原材料为：以玄武质火山灰作为主体原料，钛磁铁矿为次要原料，碳酸氢铵（NH4HCO3）作为造孔剂。
火山灰是广泛使用的制备模拟月壤的原材料；此外，由于钛磁铁矿具有较强的磁性，且其成分与月壤类似，因此作为次要原料。通过X射线衍射和荧光光谱分析获取了上述原料的成分，分别见表 1，2。
表 1 原材料及月壤矿物成分Table 1. Mineralogical compositions of materials and lunar regolith名称 矿物成分 火山灰 斜长石、辉石、橄榄石等 钛磁铁矿 钛铁矿、磁铁矿、辉石等 IRSM-1 斜长石、辉石、钛铁矿、磁铁矿等 Apollo 17样品[2] 斜长石、辉石、钛铁矿、玻璃等 表 2 原材料及月壤化学成分Table 2. Chemical compositions of raw materials and lunar regolith化学
成分火山灰 钛磁铁矿 月壤样品71, 061[3] Apollo 17a[2] IRSM-1 SiO2 49.41 11.99 40.09 41.2 40.24 TiO2 3.24 24.73 9.32 8.40 8.95 Al2O3 18.00 4.82 10.70 12.0 14.89 FeO 13.39 41.42 17.85 16.7 23.19 MnO 0.18 0.33 0.24 0.23 0.27 MgO 3.38 8.89 9.92 9.90 3.53 CaO 6.70 3.23 10.59 10.9 6.26 Na2O 2.14 0.21 0.36 0.35 — K2O 2.50 0.01 0.08 0.16 1.87 P2O5 0.62 0.03 0.07 0.14 0.30 S 0.14 4.05 0.13 0.12 1.31 总计 99.69 99.69 99.35 100.1 99.69 原料碳酸氢铵作为造孔剂，它在高温下可以完全分解为二氧化碳、氨气和水蒸气挥发，不会污染试样的同时还可以使制备的模拟月壤具备复杂的颗粒形状，更好的还原真实月壤颗粒极不规则的形态。
1.2 制备流程
磁性高钛模拟月壤IRSM-1的制备参考文献[7]，其流程如图 1所示，可以分为如下6步：
（1）使用破碎机对原料火山渣与钛磁铁矿初步破碎后使用行星式球磨机将火山灰与磁铁矿粉末充分研磨，直至其粒径小于75 μm。
（2）研磨后的火山灰、磁铁矿粉末以及碳酸氢铵按照7∶3∶5的质量比混合均匀。该比例是在Li等[7]给出的比例的基础上，经过多次试验确定的。
（3）将上述原料混合物分层加入模具中并利用万能试验机压制成直径50 mm，高度80 mm的圆柱体。
（4）将成型的圆柱试样放入坩埚，置于管式炉恒温区域，在最高1100℃以及氩气气氛下高温烧结。
（5）烧结完成后，使用石工锤以及行星式球磨机对其进行破碎，将破碎后的颗粒在振筛机上筛分成粒径不同的粒组。
（6）将筛分后的各粒组按照月壤的级配曲线混合均匀，在烘箱中干燥12 h后密封保存，即可制得磁性高钛模拟月壤IRSM-1。
2. IRSM-1模拟月壤性质对比分析
2.1 化学矿物成分
通过X射线衍射和荧光光谱分析获取了IRSM-1模拟月壤的矿物和化学成分，分别见表 1，2。从表 1可知，IRSM-1的主要矿物成分为斜长石、辉石、钛铁矿、磁铁矿等。化学成分上，IRSM-1主要由SiO2、Al2O3、FeO、TiO2等组成，其中TiO2的含量高达9.69%。可以发现，IRSM-1模拟月壤与Apollo11、17号采样点的高钛月壤具有相似的成分。
2.2 颗粒形态与级配
图 2给出了IRSM-1颗粒的扫描电镜图。可见，IRSM-1具有复杂的颗粒形态，除了长条状以及棱角状外，还存在呈现凹凸、勾角状的熔融胶结异形颗粒，较好地还原了真实月壤的颗粒形状。
通过筛析法和密度计法测试了IRSM-1的颗粒级配，级配曲线如图 3所示。IRSM-1模拟月壤的中值粒径、不均匀系数、曲率系数分别为70 μm，10.0，0.80，而月壤样的上述值分别为72 μm，16.0，1.20[7]。可以发现IRSM-1可以较好地模拟月壤的级配特征。
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图 3 月壤样品及部分模拟月壤颗粒级配曲线Figure 3. Grain-size distribution curves of lunar regolith and its simulants2.3 相对质量密度、密度及孔隙比
通过比重瓶法测试了IRSM-1模拟月壤的相对质量密度为3.26，位于2.9~3.4[1]的真实月壤相对质量密度范围内。IRSM-1的最大、最小干密度分别为1.99，1.26 g/cm3。表 3给出了IRSM-1与部分月壤的密度、孔隙比及相对质量密度的对比。从表 3中可知，IRSM-1模拟月壤的相对质量密度、最大和最小干密度以及孔隙比均位于真实月壤的范围之内。
表 3 IRSM-1与部分月壤的相对质量密度、密度和孔隙比Table 3. Comparison of specific gravity, density and void ratio名称 相对质量密度 密度/(g·m-3) 孔隙比 ρmin ρmax emin emax IRSM-1 3.26 1.26 1.99 0.64 1.59 Apollo 11 3.10 1.36 1.80 0.67 1.39 Apollo 14 2.93 0.87 1.60 0.87 2.37 Apollo 15 3.24 1.10 1.93 0.71 1.94 Apollo 17 1.57 2.29 2.4 力学特性
通过三轴压缩和固结试验研究了IRSM-1模拟月壤的抗剪强度和压缩性。三轴试样直径38 mm，高76 mm，相对密实度为83%，对应的干密度为1.81 g/cm3。设置30，50，100，150 kPa四种围压。固结压缩试验通过固结仪完成，试样直径61.8 mm，高20 mm。制备了相对密实度分别为35%，58%，75%的3组试样并在一系列高达400 kPa的固结压力下开展压缩试验。
图 4给出了IRSM-1模拟月壤在三轴压缩条件下的应力-应变曲线。从图中可知，当围压从30 kPa增加到150 kPa时，IRSM-1模拟月壤的偏应力峰值从189 kPa增加到713 kPa，且在出现峰值偏应力后均表现出应变软化特性。根据Mohr-Coulomb强度准则绘制莫尔圆及强度包线后可得IRSM-1的黏聚力为0.90 kPa，内摩擦角为44.34°。图 5给出了IRSM-1在不同相对密实度下孔隙比与固结压力之间的关系，计算其压缩指数分别为0.13，0.092，0.036。
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图 4 IRSM-1模拟月壤三轴压缩条件下的应力应变曲线Figure 4. Stress-strain curves of IRSM-1 under triaxial compression![]()
图 5 不同相对密实度下IRSM-1模拟月壤的压缩曲线Figure 5. Compression curves of IRSM-1 at different relative densities表 4给出了部分月壤及模拟月壤的抗剪强度和压缩指数对比。可以看出，IRSM-1较好地还原了真实月壤的力学特性，可以用于月壤的岩土工程性质研究。
表 4 IRSM-1及其它模拟月壤的力学特性Table 4. Mechanical properties of IRSM-1 and other simulants名称 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 压缩指数Cc IRSM-1 0.90 44.34 0.036~0.13 月壤 0.3~2.1 35~47 0.05~0.3 TJ-1 0.86 47.6 0.086 KLS-1 1.85 44.91 0.29 2.5 磁性
使用振动样品磁强计测试了3种不同四氧化三铁含量的IRSM-1样品的磁性，如图 6所示。当磁场强度为225 kA/m时，Fe3O4含量为0%，20%，30%的IRSM-1样品的比磁化强度分别为11.0，23.4，30.5 A·m2/kg。可以发现，IRSM-1具有一定的磁性。
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图 6 不同Fe3O4含量的IRSM-1模拟月壤磁化曲线Figure 6. Magnetization curves with different contents of Fe3O43. 结论
本文以火山灰及钛磁铁矿为原料，经过高温烧结、碳酸氢铵造孔等工序制备了一种新型磁性高钛模拟月壤IRSM-1，主要得出以下3点结论。
（1）IRSM-1属于高钛模拟月壤，其成分与Apollo11、17号采样点的高钛月壤相似。
（2）IRSM-1模拟月壤的颗粒形态复杂，含有长条状、棱角状以及熔融胶结颗粒，其中值粒径、不均匀系数、曲率系数分别为70 μm，10.0，0.80。其相对质量密度为3.26，最大、最小干密度分别为1.99，1.26 g/cm3。
（3）相对密实度83%的IRSM-1模拟月壤黏聚力为0.90 kPa，内摩擦角为44.34°。不同密实度下IRSM-1压缩指数分别为0.13，0.092，0.036。
综上，IRSM-1模拟月壤较好地还原了真实高钛月壤的化学及矿物成分、物理性质以及力学性质，此外还具有一定的磁性，可以结合磁力模型试验模拟月面g/6的低重力环境。IRSM-1可用于研究月壤的力学特性及工程响应，为月球探测任务的顺利实施提供一定的参考及依据。
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图 3 月壤样品及部分模拟月壤颗粒级配曲线
Figure 3. Grain-size distribution curves of lunar regolith and its simulants
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图 4 IRSM-1模拟月壤三轴压缩条件下的应力应变曲线
Figure 4. Stress-strain curves of IRSM-1 under triaxial compression
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图 5 不同相对密实度下IRSM-1模拟月壤的压缩曲线
Figure 5. Compression curves of IRSM-1 at different relative densities
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图 6 不同Fe3O4含量的IRSM-1模拟月壤磁化曲线
Figure 6. Magnetization curves with different contents of Fe3O4
表 1 原材料及月壤矿物成分
Table 1 Mineralogical compositions of materials and lunar regolith
名称 矿物成分 火山灰 斜长石、辉石、橄榄石等 钛磁铁矿 钛铁矿、磁铁矿、辉石等 IRSM-1 斜长石、辉石、钛铁矿、磁铁矿等 Apollo 17样品[2] 斜长石、辉石、钛铁矿、玻璃等 
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表 2 原材料及月壤化学成分
Table 2 Chemical compositions of raw materials and lunar regolith
化学
成分火山灰 钛磁铁矿 月壤样品71, 061[3] Apollo 17a[2] IRSM-1 SiO2 49.41 11.99 40.09 41.2 40.24 TiO2 3.24 24.73 9.32 8.40 8.95 Al2O3 18.00 4.82 10.70 12.0 14.89 FeO 13.39 41.42 17.85 16.7 23.19 MnO 0.18 0.33 0.24 0.23 0.27 MgO 3.38 8.89 9.92 9.90 3.53 CaO 6.70 3.23 10.59 10.9 6.26 Na2O 2.14 0.21 0.36 0.35 — K2O 2.50 0.01 0.08 0.16 1.87 P2O5 0.62 0.03 0.07 0.14 0.30 S 0.14 4.05 0.13 0.12 1.31 总计 99.69 99.69 99.35 100.1 99.69
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表 3 IRSM-1与部分月壤的相对质量密度、密度和孔隙比
Table 3 Comparison of specific gravity, density and void ratio
名称 相对质量密度 密度/(g·m-3) 孔隙比 ρmin ρmax emin emax IRSM-1 3.26 1.26 1.99 0.64 1.59 Apollo 11 3.10 1.36 1.80 0.67 1.39 Apollo 14 2.93 0.87 1.60 0.87 2.37 Apollo 15 3.24 1.10 1.93 0.71 1.94 Apollo 17 1.57 2.29
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表 4 IRSM-1及其它模拟月壤的力学特性
Table 4 Mechanical properties of IRSM-1 and other simulants
名称 黏聚力/kPa 内摩擦角/(°) 压缩指数Cc IRSM-1 0.90 44.34 0.036~0.13 月壤 0.3~2.1 35~47 0.05~0.3 TJ-1 0.86 47.6 0.086 KLS-1 1.85 44.91 0.29
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