第七届青年地学论坛

由于月球自转轴几乎垂直于其公转轨道平面（交角1.5°），两极存在长期无法照射到阳光的区域，这些区域年平均温度<110K，称为“永久阴影区”（PSRs）。正是因为PSRs极低的温度形成天然冷阱，导致大量水分子沉积或吸附。月球勘探者号搭载的中子谱仪、月球探测轨道器搭载的月球探测中子谱仪显示月球两极超热中子数减少（Feldman et al.,1998; Mitrofanov et al.,2010），证明存在大量H，这些H可能形成水。月船一号搭载的Moon Mineral Mapper、卡西尼号搭载的visible and infrared mapping spectrometer、深度撞击号搭载的High-Resolution Instrument-Infrared spectrometer等近红外吸收光谱仪表明月球两极出现强烈的2.8~3μm红外吸收信号（Pieters et al.,2009; Sunshine et al.,2009; Clark, 2009）。UV紫外光谱对永久阴影区的探测指示表层存在大量与水霜相同特征的区域（Gladstone et al.,2012）。2009年美国NASA开展的LCROSS撞击实验有力证明月球南极永久阴影区内Cabeus撞击坑存在水冰（含量为5.6±2.9%；Colaprete et al.,2010），结合上述遥感探测手段合理推测月球水冰储量巨大，而这些水冰可能与月壤混合形成脏冰（Spudis et al.,2013）、吸附在矿物间隙中（Honniball et al.,2020），也可能是纯冰形态（Li et al.,2018）。月球上的水可能来自于彗星等含水小行星（Barnes et al.,2016）、太阳风/地球风（Sanin et al.,2017）或月球火山喷发释放挥发分（Needham et al.,2017;Wilcoski et al.,2021）。关于月球水冰的含量、分布、赋存形态以及来源等科学问题尚未解决。而从月壤中原位提取水冰用作火箭燃料、生命所需从而建立月球基地，进军深空探测，是未来月球科学乃至行星科学的热点。嫦娥四期工程即将开展月球南极原位水冰采样分析，有望为上述科学及工程问题提供新的答案。根据嫦娥七号载荷重量及功耗约束，提供了一款高加热效率、低功耗、小型化加热炉设计方案用于提取月壤水冰。
我们考虑了月壤和水冰的热物理参数，加热炉的尺寸、内部结构、材料以及加热丝与加热炉的缠绕方式，通过COMSOL Multiphysics仿真软件进行建模分析。设计结果：加热炉为内外筒结构、内筒直径15mm、高度10mm，采用导热良好的氧化铝陶瓷。加热丝粘合于内筒外壁，实现月壤的加热，外筒选用导热性差的钛合金材料，起支撑、密封和隔热的作用；内外筒之间通过隔热效果良好的氧化锆陶瓷过渡，同时加热炉外壁通过气凝胶实现绝热保温。内筒底部设计有高度3mm的蜂巢状铜质导热片，厚度0.5mm，假设首次进样高度可达3mm，样品则充填在导热片之间。加热过程中，样品发生固体热传导，内筒外侧存在热辐射。给定功率15W，求解传热方程，7min实现样品完全从永久阴影区平均温度（-150℃）加热至250℃。在这个温度范围内水冰升华，从而实现高效提取目的。

地外资源,热提取,月球水冰