“嫦娥”挖土有多拼？——嫦娥五号探测器月球采样详解

文/ 郑恩红 索阿娣

蹁跹落月，正式开工！

2020年12月1日，嫦娥五号探测器平稳降落月球，随后启动钻头和铲子，开展月球采样工作。这一刻，这抔“土”，引来了全世界的关注目光。

▲ 钻取示意图

作为“国礼”的1克月壤

坑坑洼洼的表面、灰色的主基调、一望无际的荒凉……长久以来，这是人们对月球的直观认识。

“走在月球表面上，犹如走在一个布满沙土的运动场上，四周有泛光灯的照耀。”1969年，美国航天员阿姆斯特朗登上月球后描述道。随后，他的搭档奥尔德林也踏上了月球表面，将周围的景象形容为“壮丽的荒凉”。

从1969年到1972年，美国共完成6次载人登月，带回约381千克月球样品。1970年到1972年间，苏联的月球16号、20号和24号无人探测器共取回了约321克月壤和岩心样本。

“说到月球的特别之处，最容易让大家想到的就是月球的特殊环境：月球表面几乎是真空的，还有无处不在的月尘颗粒，最小的只有几个微米，比PM2.5还要细微。”中国嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢在一次演讲中表示。

与地球上的土壤不同，月壤是覆盖在月球表面的厚层岩屑和玻璃质物质，直径多小于1厘米。直径在1厘米以上的月岩，和地球上的火山岩类似，但也存在很大不同。

美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克g贾文曾撰文表示，来自月球的样品彻底改变了人类对月球表面性质、月球起源等问题的认知。

1978年中美正式建交前夕，美国总统卡特的安全事务顾问布热津斯基曾向中国赠送了1克月球土壤作为“国礼”。我国将这份月壤一分为二，其中0.5克用于试验，还有0.5克收藏在北京天文馆。月壤之珍贵，可见一斑。

通过研究月球样品，科学家还发现其中含有在地球上蕴藏量极少的氦-3。早期探测结果表明，月球浅层的氦-3含量多达上百万吨，足够解决人类的能源之忧。

“我国在选择月球样本采集区域时，要选择地质现象丰富的地区、成熟月壤区和矿产资源丰富地区，同时还应考虑过去任务未曾取样过的区域，以期获得新的发现。”彭兢表示。

最终，嫦娥五号选择并成功着陆在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。这里地势平坦，通信条件好，光照和温度较为理想，且尚未有人类探测器造访过。

在这里“挖土”，将大大促进对月球成因和演化历史等领域的科学研究。

月球“挖土”的两种姿态

早在2010年嫦娥五号任务正式立项前，一篇《月球无人采样返回任务概念构想》的论文就向公众展示了月球无人采样的多重构想，从中可以窥见嫦娥五号的路径选择。

文章提及，月球表层月壤和月岩外表面物质长期暴露在紫外线和宇宙射线的环境中，受到外空间的风化、氧化作用，某些有价值的信息可能被抹去。因此从科学探测的角度，更希望获取一定深度的、未受空间环境影响的样品。

据嫦娥五号采样封装系统主任设计师邓湘金介绍，研制团队在那时就开展了关键技术攻关工作，“瞄准获得尽可能丰富的月球样品这一目标”。

作为探月三期工程中最核心的一个任务，如何采集到尽可能多的月球样本并且封装好，是嫦娥五号的研制重点。经过严苛的论证，大家决定同时采取两种取样方法。

“一种是钻取，一种是表取。钻取是通过空心钻杆的取芯机构，钻到月球表面两米深以下处，得到深层样品的层理信息。表取是采用机械臂末端固定铲挖型采样器，进行表层和次表层月壤采集，实现多点、多次采样。”彭兢介绍。

苏联3次无人月球采样返回任务仅使用了钻取法，并且执行任务时实际钻取深度有不确定性。月球16号钻到0.35米深处，获101克样品；月球20号钻到0.27米深处，获50克样品；月球24号钻到2.25米深处，获170克样品。

苏联的采样方式对嫦娥五号任务有着很大的借鉴意义。但它的采样量非常少，而我们的目标是2公斤。因此，采取钻取和表取相结合的方式，有利于采集到更多种类和数量的月球样品。

有心人会发现，嫦娥五号表取采样装置和钻取采样装置并不在探测器的同一侧。一个在阳面，一个在阴面。这是由月球表面高温、散热环境很差等因素决定的。

“执行表取任务时，机械臂活动范围大，地面人员需要观察月球表面，于是将采样装置设在阳面。而执行钻取任务时，钻机工作的功率相对比较大，对散热的要求也比较高。为了使钻机处在相对低的温度条件下，特意将其部署在阴面。”邓湘金解释说。

即便这样，钻取采样装置的工作环境仍然比较恶劣。在地面上，电机的耐热极限也就100摄氏度。嫦娥五号团队通过集智攻关，研制出了能够在180摄氏度环境下持续正常工作的耐高温电机。

此外，月球表面环境复杂，给整个采样封装过程带来了不可预知的风险。“我们必须有一整套适用于月球表面不确定环境的应对方法。”邓湘金表示。

一直以来，在北京唐家岭的航天科技集团中国空间技术研究院月球楼里，一个1∶1的嫦娥五号着上组合体模拟器和真实的嫦娥五号着上组合体遥相呼应，如同孪生姐妹。借助该模拟器，一支训练有素的40人地面支持团队不断地进行着实战“演练”。

钻土：8级硬度岩石钻进能力

嫦娥五号探测器的钻取采用原位钻取的方式，简单理解就是固定在一个地方往下钻。月壤特性苛刻，剖面情况复杂，研制人员必须考虑到一些风险情况，比如碰到石头时钻头能否正常工作等。

“嫦娥五号非常注重轻量化设计，因此核心单机产品的功耗都不是特别大。但是为了钻取设备‘劲儿’够大，总体部门给钻取装置配的功率超过1000瓦。相比之下，平常家里钻水泥墙的钻机也就300瓦。”邓湘金做了一个生活化的类比。

中国空间技术研究院529厂承担了嫦娥五号采样封装分系统钻取子系统的研制工作。早在2006年，该厂就启动了一项课题预先研究。他们整合了机电、复材结构、精密加工与装调、理化检测等多专业优势力量，组建了关键技术和产品研发团队，同时联合全国36所专业院校协同攻关。

解锁、钻进、取芯、封口、提芯、整形、传送、避让，整个钻取采样过程动作复杂，目标是实现“钻得动”“取得着”“封得住”“缠得上”“送得进”“展得开”这6个关键要求。

为了确保“钻得动”，钻机上的钻头可谓“百里挑一”。研制团队通过对比16种设计方案，最终确定双排钻牙阶梯构型，经过“千锤百炼”，保证钻进过程顺畅可控，具备对8级硬度岩石的钻进能力。

“针对不同颗粒度月壤，该设备具有切、拨、挤、排能力，同时还带有一定冲击功能，里边有一个装置能反复捶打，把过于紧密排列的月壤震松后再往下钻。”529厂研究员赖小明介绍，钻取子系统经历了五六百次地面钻取试验，可以适应不同工况的月壤环境。

在这个过程中，聪明的研制人员创新出一种“双管单袋”的钻进取芯方案。其中的“单袋”，也叫取芯软袋，是此次嫦娥五号探测器钻取采样过程中的一大亮点。

这个由凯夫拉高分子纤维做成的黄色一体化编织软袋，被反套在取芯管外壁。探测器钻取到的月球样品进了取芯管后，随着拉绳上提，就被自动装进了软袋。软袋经过缠绕封装，被固定在初级封装装置内。

为保证取得的样品在提芯的过程中不发生掉落，设计师们采用了开放式构型的“8字形”超弹性合金丝作为封口方案，与取芯软袋末端进行一体化缝合，依靠弹性收缩力来实现对软袋的封口。封口器采用扭转密闭式结构，并进行大应变材料设计，可以实现简单可靠的封口。

12月2日4时53分，经过3个多小时的持续作业，嫦娥五号钻取子系统不辱使命，顺利完成钻取采样任务。

铲土：刚柔并济的“长臂侠”

▲ 月表取样

▲ 样品封装

嫦娥五号抵达月面以后，着陆器上的双目相机进行成像，展现出需要采样区域的地理信息。利用虚拟现实技术，地面团队造出一个与月球表面高度相似的地形。选定目标点后，再把这些信息载入到系统里面，生成控制指令。然后，机械臂开始工作，完成一系列采样的动作，把样品送到初级封装装置中去。

这是嫦娥五号采样封装分系统表取子系统的工作过程。中国空间技术研究院总体部承担了该系统的研制工作。

其中，用于表取采样的机械臂非常抢眼。臂杆长约3.7米，具有多个自由度。表取采样区域为张角约120度的扇形区域，面积7～8平方米。

“自由度数量的设定主要根据任务需求。自由度多会更加灵活，但控制起来也比较复杂，重量也会相应增大；自由度太少，则可能完不成任务。”采样封装分系统主管设计师姚猛介绍。

在机械臂的设计过程中，邓湘金认为，“最大的困难就是来自重量资源方面的约束。对航天人来讲，这是件比天还大的事情”。

“臂杆很长，在受力条件下既要保证一定的刚性，还必须比较轻。这就是一个很大的矛盾。为此，我们做了很多基础性的研究，比如采用了晶须型铝基碳化硅材料。”采样封装分系统副主任设计师金晟毅说，研制团队对机械臂不同部位使用不同的材质，从而让整个设备实现减重。

机械臂末端的采样器是一个重要部件，直接负责对指定点的月壤进行采集。值得注意的是，嫦娥五号采样机械臂上有甲乙两个采样器。采样器甲类似于一个铲挖式的采样器，选择合适的角度可以挖到更多的土；采样器乙类似于一个旋挖式的采样器，虽然操作更简单，但挖土相对较少。

这是研制团队在充分考虑不同情况下设计的异构产品。采样封装分系统副主任设计师郑艳红告诉记者，采样顺利的话，全部都用采样器甲。只有当着陆器所在的地方变化起伏很大的时候，比如出现各种坑洼和坡度，才会启用采样器乙。

除了机械臂，在铲土环节，表取的初级封装装置也非常关键。它就像一个“小罐子”一样，巧妙地搁在着陆器里，用来盛放采集到的月球样品。

“这也是当时综合很多因素选的一种最优方案。要是把它放在别的位置上，可能不容易把土搁进去，或者可能妨碍到别的产品工作。”姚猛说道。

事实上，表取的初级封装装置并非仅仅是一个容器，里面还有很复杂的传动机构。该装置虽然只有2个电机，但可以完成22个复杂动作。

由于着陆区域条件较好，嫦娥五号的采样工作比预计开展得顺利很多，仅用了19个小时就提前完成月球表面自动采样任务。

在样品采集完后，嫦娥五号还要完成最终的密封封装。我国进行的月球样品采集和封装完全是在无人条件下自主完成的，技术难度大、要求高，涉及真空技术、材料科学等多领域。