综述：被动月壤采样器：从概念到月面交付

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：The Passive Regolith Sampler: From Concept to Delivery to the Lunar Surface

本综述系统介绍了由MIT Space Enabled研究组开发的两种轻量化、低成本被动传感器——被动月壤采样器（PRS）与被动蜡温度计（PWT），及其在阿联酋月球任务（ELM）中的设计与验证。PRS通过 rover 车轮运动收集月壤，PWT利用烷烃蜡的相变特性实现无源温度监测。文章重点阐述了实验室模拟、图像处理算法及热力学模型，为未来行星探测任务提供了低复杂度科学仪器的设计范式。

　　

硬件设计背景

阿联酋月球任务（ELM）是阿联酋的首个探月项目，其Rashid-1 rover搭载于iSpace Hakuto-R着陆器，目标勘探Atlas陨石坑区域。由于着陆异常，任务未能完成月面操作，但相关载荷设计为后续研究提供了重要参考。

被动月壤采样器（PRS）

PRS是一种安装于rover车轮的机械装置，通过车轮碾压月面被动收集月壤。其核心为带孔铝板，孔洞尺寸与间距经过优化设计，以研究几何参数对月壤采集效率的影响。

实验室测试使用月球高地模拟壤（LHS-1）与月海模拟壤（LMS-1），通过压力实验与图像分析评估填充率。结果显示，月海模拟壤因更高的内聚力（3.9 kPa）更易滞留于孔洞，但孔洞尺寸与间距的影响未达统计显著性，可能与实验机械动作的一致性不足有关。

被动蜡温度计（PWT）

PWT利用正构烷烃（C_nH_2n+2）的熔点梯度实现温度监测。10种蜡样品（含蜂蜡与商用石蜡）密封于蓝宝石窗口的胶囊中，其熔点覆盖9°C至87°C。相变时蜡的透明度变化可通过rover桅杆相机（CAM-1）的图像分析反演温度。

月面操作模拟与成像优化

为规划月面成像序列，团队通过实验模拟不同太阳高度角与方位角下的光照条件。结果表明，当太阳高度角>25°且rover与太阳方位角差为90°时，PRS与PWT可获最佳照明。

图像处理采用机器学习模型，通过像素分类区分月壤与金属基板。未来或通过阳极氧化处理增强基板与月壤的色差对比。

月食期间的热模拟与温度监测

基于SPICE星历数据，预测任务期间将发生日食，表面温度可从42°C骤降至-40°C。热传输模型（Crank-Nicolson数值法）模拟显示，月壤热导率分层模型（表层k_o=9.22×10^-4 W/m·K，深层k_o=9.3×10^-3 W/m·K）可复现阿波罗任务观测的温度曲线。日食期间，Pentadecane（C₁₅H₃₂，熔点9.9°C）等蜡样品将发生相变，为PWT提供关键验证机会。

结论与展望

PRS与PWT展示了被动传感器在行星探测中的潜力。未来需优化机械互动一致性（如电机驱动模拟车轮滚动），并开发更鲁棒的图像分类算法。这些低复杂度仪器为新兴航天国家提供了可持续、低成本的科学探测路径。