月球极区水冰的探测与研究对于理解月球上水和挥发分来源与演变，以及开展空间资源原位开采与利用具有重要意义。近年来，月球极区水冰探测已成为美国、中国、俄罗斯等国际大国月球与深空探测领域的竞争制高点。“嫦娥”七号的重要科学任务之一就是开展月球南极的水冰探测与研究。总结了月球极区水冰的探测研究进展，分析梳理了目前尚未解决的与极区水冰有关的科学问题，介绍了“嫦娥”七号月球探测任务的基本情况，以及任务中的南极水冰探测科学目标，并基于“嫦娥”七号任务轨道器、巡视器以及飞跃器配置的水冰探测科学载荷，讨论了南极水冰的遥感与就位探测方法。
目前，大量证据表明月球两极的永久阴影区内可能存在与月壤混杂且储量可观的水冰资源。阐明含冰月壤的力学、热学性质是理解月球水冰演化机制和开发策略的前提，而这些关键性质与水冰在月壤多孔介质中的赋存形态息息相关。具体而言，水冰在月壤孔隙中是以分散、高比表面积的小颗粒（霜）形式存在，还是完成了熟化（粗化），以与月壤颗粒尺寸相当的低比表面积大晶体形式存在？目前既无直接观测数据，也缺乏相关理论研究。这一认知空白也制约了对含冰月壤模拟物的合理制备。推导了稀薄环境下的奥斯特瓦尔德熟化模型，表明月壤孔隙内水冰小颗粒群（霜）在地质时间尺度下会通过物质迁移在本地孔隙内聚集粗化形成大晶体，并定量研究了不同温度条件下水冰颗粒群的熟化速率。理论分析显示：在月球永久阴影区中深低温区域（<100 K）表面，水冰能够长期保持其初始沉积形态；而在温度较高的非永久阴影区或者地下区域（>120 K），水冰颗粒群将显著熟化，形成与月壤粒径相当的大尺寸晶体。基于此结果，可以通过调节温度和熟化时间，制备与目标含冰月壤的水冰粒径相同的月壤模拟物。不仅深化了对月球水冰演化机制的理论认识，还为含冰月壤相关物理性能研究和模拟物制备提供了理论参考，对月球水冰资源开发利用具有应用价值。
月面水冰资源的勘查与利用已成为支撑人类地外可持续驻留的核心命题。分析了月壤水冰的赋存特性及遥感证据，梳理了月壤水冰开发利用的技术发展现状，提出了勘查与利用技术的难点与挑战。基于月壤水冰资源开采设计准则，阐述了水冰资源利用四项工程基础问题，并给出了相应的方案设想及关键技术。该研究成果，可为我国水冰资源开发利用提供参考。
月球水冰是未来月球基地建设的重要资源，但受制于永久阴影区的极端环境，传统钻取方式难以实现低功耗低钻压保真钻取。设计并制造了一种适用于月球水冰冻土钻进的超声取样器。通过有限元仿真软件，设计了超声变幅杆振动模态，并验证了变幅杆的实际输出性能。制备了10.0%含水率的模拟月壤冻土，并测得其单轴抗压强度为41 MPa。使用离散元仿真软件PFC模拟了月球水冰冻土的力学特性，并确立了本构参数。通过月壤冻土模拟钻进实验，对钻进性能进行了评估。结果表明，在相同进给速度下，超声驱动可使钻进力平均降低52.0%，与仿真结果的误差仅为10.5%。
受月球极区极端环境和月壤颗粒本身导热率低等条件的限制，从低温含冰月壤中提取水资源仍面临巨大技术挑战。为提高含冰月壤水资源提取效率，采用微波加热的方式实现含冰月壤内水资源的提取与收集，建立了相应的微波加热实验系统。通过制备低温模拟月壤样品，研究了微波加热含冰月壤水资源提取和收集的技术方法。通过实验测试，获得了水资源提取与收集过程的基本特征，得到了微波加热参数和样品参数对水资源提取收集的影响规律。研究结果表明，微波能够穿透整个低温含冰月壤样品，可以实现对样品的均匀加热，微波加热方法的能量效率范围为2.5~6.0 W·h/g。水资源提取率与微波加热输入的总能量呈正相关关系，可以通过调整微波加热功率、加热温度和恒温时间，提高水冰的提取效率。此外，增加样品密实度有利于促进水分子和月壤颗粒间的热传导，从而降低总能量输入，提高水资源提取率。实验得到的水资源平均收集速率为0.53~1.59 g/min，且随着初始含水率的增加而增加。该研究为后续在月球极区实施水冰资源开采和利用提供了新的技术思路。
随着深空探测任务的不断推进，开发并利用月球原位水冰资源将是人类建设月球基地并实现长期驻留的关键。微波加热开采作为一种高效且快速的开采技术，具有广阔的应用前景。针对月球水冰的微波加热开采过程，分别构建电磁场模型和传热-相变模型，并利用有限元软件COMSOL Multiphysics对不同功率输入下的开采过程进行了数值仿真。研究结果表明，微波加热的最大深度与微波的穿透深度基本一致，有效加热范围为电场强度模值高于表层值1/e倍的区域；开采的水冰质量基本与微波输入功率成正比，但在低功率情况下，由于受热传导影响，开采效率有所降低；在
针对月球极区水冰原位热提取中水汽收集效率低的技术难题，深入分析了霜层生长过程中的传热传质特性，提出了一种基于水汽相变动力学模型和冷凝霜层生长模型，揭示了霜层孔隙率与温度等参数对霜层过程的影响，为冷凝器优化提供理论支撑。通过水汽流动仿真，对比分析铝珠的粒径大小与水汽流动速度的关系。搭建了一个模拟月面极端环境的验证平台，开展了不同粒径铝珠结构的水汽冷凝收集效能对比试验。实验结果表明，铝珠直径越小，水汽在冷凝器内部的流动速度越慢，水蒸气与冷凝器换热时间越长；水汽冷凝器内部比表面积越大，水汽收集效率越高。采用小粒径铝珠可以显著提高比表面积，但粒径过小易造成孔隙堵塞。为月球水冰资源原位提取装置中水汽收集单元的设计提供了理论与实验依据。
月球极区永久阴影区内水冰资源提取利用是未来月球基地建设的重要任务之一。结合月球极区水冰月壤赋存特性，对比分析月球冻土地面模拟方法，开展−180 ℃以下含水模拟月壤性能测试。在此基础上分析月球永久阴影区含水月壤不同采集与提取技术优缺点，提出适合未来搭载验证的水资源提取方法及关键技术，为未来地外水资源提取任务提供可靠的技术参考。
月球两极永久阴影区存在大量水冰资源，对其进行提取具有重要的科学意义和应用价值。提出一种利用涡流感应加热的水冰热钻的提取方法，该方法利用高导热钻针钻入月壤较深处，借助外部感应线圈进行加热，将热量传递至月壤深处以实现水蒸汽提取。为了验证该方法的可行性，对影响热钻加热效果的关键参数进行了仿真分析，并搭建了热针感应加热试验平台，进行了真空环境下空针加热试验。试验结果表明，该方法可以实现热量有效地传递进月壤内部。研究结果为我国月球水冰资源的提取提供了技术储备。
月球极区水冰资源是未来月面探测的重要生保物质和推进剂原料，其原位开采技术已成为航天强国的战略竞争焦点。针对月球两级永久阴影区水冰资源高效开采需求，提出了一种群针式原位热提取方案设计，并详细阐述了其系统设计及功能特性。通过仿真分析，研究了热针参数及其分布对水冰挥发速率的影响，验证了该方案的可行性。该研究成果将为月球资源原位利用及基地建设提供重要技术支持。
