鄭恩紅　索阿娣

蹁躚落月，正式開工！

2020年12月1日，由航天科技集團(tuán)研制的嫦娥五號探測器平穩(wěn)降落月球，隨后啟動鉆頭和鏟子，開展月球采樣工作。這一刻，這抔“土”，引來了全世界的關(guān)注目光。

作為“國禮”的1克月壤

坑坑洼洼的表面、灰色的主基調(diào)、一望無際的荒涼……長久以來，這是人們對月球的直觀認(rèn)識。

“走在月球表面上，猶如走在一個(gè)布滿沙土的運(yùn)動場上，四周有泛光燈的照耀?！?969年，美國宇航員阿姆斯特朗登上月球后描述道。隨后，他的搭檔奧爾德林也踏上了月球表面，將周圍的景象形容為“壯麗的荒涼”。

從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，帶回約381千克月球樣品。1970年到1972年間，蘇聯(lián)的月球16號、20號和24號無人探測器共取回約321克月壤和巖心樣本。

“說到月球的特別之處，最容易讓大家想到的就是月球的特殊環(huán)境：月球表面幾乎是真空的，還有無處不在的月塵顆粒，最小的只有幾個(gè)微米，比PM2.5還要細(xì)微?！敝袊隙鹞逄柼綔y器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢在一次演講中表示。

與地球上的土壤不同，月壤是覆蓋在月球表面的厚層巖屑和玻璃質(zhì)物質(zhì)，直徑多小于1厘米。直徑在1厘米以上的月巖，和地球上的火山巖類似，但也存在很大不同。

美國史密森尼國家自然歷史博物館地質(zhì)學(xué)家埃里克·賈文曾撰文表示，來自月球的樣品徹底改變了人類對月球表面性質(zhì)、月球起源等問題的認(rèn)知。

1978年中美正式建交前夕，美國總統(tǒng)卡特的安全事務(wù)顧問布熱津斯基曾向中國贈送了1克月球土壤作為“國禮”。我國將這份月壤一分為二，其中0.5克用于實(shí)驗(yàn)，還有0.5克收藏在北京天文館。月壤之珍貴，可見一斑。

通過研究月球樣品，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)其中含有在地球上蘊(yùn)藏量極少的氦-3。早期探測結(jié)果表明，月球淺層的氦-3含量多達(dá)上百萬噸，足夠解決人類的能源之憂?！拔覈谶x擇月球樣本采集區(qū)域時(shí)，要選擇地質(zhì)現(xiàn)象豐富的地區(qū)、成熟月壤區(qū)和礦產(chǎn)資源豐富地區(qū)，同時(shí)還應(yīng)考慮過去任務(wù)未曾取樣過的區(qū)域，以期獲得新的發(fā)現(xiàn)?！迸砭け硎?。

最終，嫦娥五號選擇并成功著陸在月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)。這里地勢平坦，通信條件好，光照和溫度較為理想，且尚未有人類探測器造訪過。

在這里“挖土”，將大大促進(jìn)對月球成因和演化歷史等領(lǐng)域的科學(xué)研究。

月球“挖土”的兩種姿態(tài)

早在2010年嫦娥五號任務(wù)正式立項(xiàng)前，一篇《月球無人采樣返回任務(wù)概念構(gòu)想》的論文就向公眾展示了月球無人采樣的多重構(gòu)想，從中可以窺見嫦娥五號的路徑選擇。

文章提及，月球表層月壤和月巖外表面物質(zhì)長期暴露在紫外線和宇宙射線的環(huán)境中，受到外空間的風(fēng)化、氧化作用，某些有價(jià)值的信息可能被抹去。因此從科學(xué)探測的角度，更希望獲取一定深度的、未受空間環(huán)境影響的樣品。

據(jù)嫦娥五號采樣封裝系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師鄧湘金介紹，研制團(tuán)隊(duì)在那時(shí)就開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，“瞄準(zhǔn)獲得盡可能豐富的月球樣品這一目標(biāo)?！?/p>

作為探月三期工程中最核心的一個(gè)任務(wù)，如何采集到盡可能多的月球樣本并且封裝好，是嫦娥五號的研制重點(diǎn)。經(jīng)過嚴(yán)苛的論證，大家決定同時(shí)采取兩種取樣方法。

“一種是鉆取，一種是表取。鉆取是通過空心鉆桿的取芯機(jī)構(gòu)，鉆到月球表面兩米深以下處，得到深層樣品的層理信息。表取是采用機(jī)械臂末端固定鏟挖型采樣器，進(jìn)行表層和次表層月壤采集，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多次采樣?！迸砭そ榻B。

蘇聯(lián)3次無人月球采樣返回任務(wù)僅使用了鉆取法，并且執(zhí)行任務(wù)時(shí)實(shí)際鉆取深度有不確定性。月球16號鉆到0.35米深處，獲101克樣品;月球20號鉆到0.27米深處，獲50克樣品;月球24號鉆到2.25米深處，獲170克樣品。

蘇聯(lián)的采樣方式對嫦娥五號任務(wù)有著很大的借鑒意義。但它的采樣量非常少，而我們的目標(biāo)是2公斤。因此，采取鉆取和表取相結(jié)合的方式，有利于采集到更多種類和數(shù)量的月球樣品。

有心人會發(fā)現(xiàn)，嫦娥五號表取采樣裝置和鉆取采樣裝置并不在探測器的同一側(cè)。一個(gè)在陽面，一個(gè)在陰面。這是由月球表面高溫、散熱環(huán)境很差等因素決定的。“執(zhí)行表取任務(wù)時(shí)，機(jī)械臂活動范圍大，地面人員需要觀察月球表面，于是將采樣裝置設(shè)在陽面。而執(zhí)行鉆取任務(wù)時(shí)，鉆機(jī)工作的功率相對比較大，對散熱的要求也比較高。為了使鉆機(jī)處在相對低的溫度條件下，特意將其部署在陰面?！编囅娼鸾忉屨f。

即便這樣，鉆取采樣裝置的工作環(huán)境仍然比較惡劣。在地面上，電機(jī)的耐熱極限也就100攝氏度。嫦娥五號團(tuán)隊(duì)通過集智攻關(guān)，研制出了能夠在180攝氏度環(huán)境下持續(xù)正常工作的耐高溫電機(jī)。

此外，月球表面環(huán)境復(fù)雜，給整個(gè)采樣封裝過程帶來了不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)?！拔覀儽仨氂幸徽走m用于月球表面不確定環(huán)境的應(yīng)對方法?！编囅娼鸨硎?。

一直以來，在北京唐家?guī)X的航天科技集團(tuán)五院月球樓里，一個(gè)1∶1的嫦娥五號著上組合體模擬器和真實(shí)的嫦娥五號著上組合體遙相呼應(yīng)，如同孿生姐妹。借助該模擬器，一支訓(xùn)練有素的40人地面支持團(tuán)隊(duì)不斷地進(jìn)行著實(shí)戰(zhàn)“演練”。

鉆土：8 級硬度巖石鉆進(jìn)能力

嫦娥五號探測器的鉆取采用原位鉆取的方式，簡單理解就是固定在一個(gè)地方往下鉆。月壤特性苛刻，剖面情況復(fù)雜，研制人員必須考慮到一些風(fēng)險(xiǎn)情況，比如碰到石頭時(shí)鉆頭能否正常工作等。“嫦娥五號非常注重輕量化設(shè)計(jì)，因此核心單機(jī)產(chǎn)品的功耗都不是特別大。但是為了鉆取設(shè)備‘勁兒夠大，總體部門給鉆取裝置配的功率超過1000瓦。相比之下，平常家里鉆水泥墻的鉆機(jī)也就300瓦。”鄧湘金做了一個(gè)生活化的類比。