为了这抔土嫦娥五号有多拼

郑恩红　索阿娣

蹁跹落月，正式开工！

2020年12月1日，由航天科技集团研制的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。

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，美国宇航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·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克用于實验，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五院月球楼里，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。