哈尔滨工业大学姜生元、唐钧跃教授团队——突破月壤模拟物制备瓶颈！高能爆轰法复刻月壤空间风化核心特征

哈尔滨工业大学姜生元、唐钧跃教授团队——突破月壤模拟物制备瓶颈！高能爆轰法复刻月壤空间风化核心特征 | MDPI Aerospace

论文标题：High-Energy Detonation Based Lunar Regolith Simulation for Resource Utilization

论文链接： https://www.mdpi.com/2226-4310/13/1/106

期刊名： Aerospace

期刊主页： https://www.mdpi.com/journal/aerospace

随着国际月球探测迈入“认识与利用并重”的新阶段，高相似月壤模拟物已成为月球原位资源利用、月面建造、月球探测领域的核心基础材料。目前国内外已通过机械破碎-筛分重组等工艺，研制出宏观力学高相似的模拟月壤，可满足着陆和巡视等工程需求。但上述方法无法还原空间风化形成的特征微结构，导致模拟月壤的热导率、吸脱附行为等关键性能与真实月壤存在显著偏差。哈尔滨工业大学唐钧跃、姜生元教授团队联合中国 科学院 地球化学研究所、西安北方庆华机电有限公司等单位，在国际知名期刊 Aerospace 发表了最新研究成果，创新性提出基于高能爆轰的高相似月壤模拟物制备方法，成功在模拟物中复刻了真实月壤的空间风化特征及热物理特性，为我国深空探测工程提供了高置信的物质基准。

高能爆轰改性装置及原理

研究过程与结果

月壤的独特风化特征源于 以微陨石撞击为核心驱动力的太空风化作用 。团队基于这一月壤形成机制，提出利用密封容器内高能炸药爆轰产生的 瞬时高温、高压与高速冲击场 ，一体化模拟月壤空间风化的核心过程，实现对月壤模拟物原料的改性。为验证爆轰改性的可行性，团队采用 光滑粒子流体动力学 方法对爆轰过程进行了数值仿真。结果显示，爆轰进行到4μs时，冲击波前沿的压力可达25.85GPa，覆盖超50%的样品区域；5μs时体系峰值温度达1435.3K，超过原料矿物的熔融阈值，同时主体温度保持在600-900K区间，既能通过 局部熔融形成胶结物与玻璃球粒 ，又可避免过度熔融破坏月壤模拟物的矿物组成，符合设计预期。

爆轰仿真3-5μs模拟月壤区域的温度压力云图

在此基础上，团队以 CLRS系列标准月壤模拟物 为原料，设计了4种不同的火工装配方案，选用 RDX与JO-9两种高能炸药 开展了系统性验证试验。通过光学显微镜对改性后样品的形貌表征发现，爆轰改性后的模拟物中产生了 月壤标志性的胶结物与玻璃球粒 ，其中胶结物呈现不规则形态与发达孔隙结构，二者的形貌特征与嫦娥六号月球背面返回的月壤样品高度吻合，并且可通过调控爆轰能量，精准调整胶结物与玻璃相的占比。团队进一步通过 激光闪射法与差示扫描量热法 ，对改性前后模拟物的热物理性能进行了测试。结果表明，经爆轰改性后， 模拟物室温下的热导率下降约41% ， 低温环境下降约50.4% ，改性后的热导率数值趋近于Apollo月壤样品的实测值。研究表明，热导率的显著优化， 源于风化微结构引入的大量界面热阻与固相传热路径的改变 ，进一步验证了该方法的有效性。

改性后CLRS模拟月壤与CE-6月壤样品空间风化结构差异对比

研究总结

本研究创新性地将 高能爆轰技术应用于月壤模拟物制备 ，首次通过单一步骤实现了月壤形成过程中 “破碎-熔融-胶结” 全行为的一体化模拟。制备的改性月壤模拟物，不仅具备与真实月壤高度相似的胶结物、玻璃球粒等特征形貌，其热物理性能也趋近真实月壤，可为月球原位资源利用、月面建造、水冰探测载荷标定等地面试验提供更可靠的材料基础，有力支撑我国嫦娥系列探月任务与深空探测工程的推进。目前该研究仍处于 初步验证阶段 ，后续团队将系统开展 装药质量、约束构型等参数 对模拟物性能影响的研究，进一步 优化制备工艺 ，提升模拟物的性能一致性与制备产率，推动该技术从实验室验证走向工程化应用。

Aerospace 期刊介绍

主编：Konstantinos Kontis, University of Glasgow, Scotland, UK

Aerospace 期刊致力于发表航空航天科学、工程和技术相关的创新研究，涵盖飞行器设计、推进系统、飞行控制、先进材料、空间科学、航空电子、无人机系统（UAS）、城市空中交通（UAM）、可持续航空、航空安全以及前沿技术等。鼓励跨学科研究，推动航空航天科技发展，欢迎实验、仿真与理论研究的原创成果及综述。

主题：月壤