為了月球這抔土
文章來源：中國航天科技集團有限公司 發布時間：2020-12-15
蹁躚落月，正式開工！
12月1日，由航天科技集團研制的嫦娥五號探測器平穩降落月球，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、一望無際的荒涼……長久以來，這是人們對月球的直觀認識。
“走在月球表面上，猶如走在一個布滿沙土的運動場上，四周有泛光燈的照耀。”1969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，蘇聯的月球16號、20號和24號無人探測器共取回了約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，最小的只有幾個微米，比PM2.5還要細微。”中國嫦娥五號探測器系統副總設計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物質，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學家埃里克·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、月球起源等問題的認知。
1978年中美正式建交前夕，美國總統卡特的安全事務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克用于試驗，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，科學家還發現其中含有在地球上蘊藏量極少的氦-3。早期探測結果表明，月球淺層的氦-3含量多達上百萬噸，足夠解決人類的能源之憂。
“我國在選擇月球樣本采集區域時，要選擇地質現象豐富的地區、成熟月壤區和礦產資源豐富地區，同時還應考慮過去任務未曾取樣過的區域，以期獲得新的發現。”彭兢表示。
最終，嫦娥五號選擇并成功著陸在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。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”，將大大促進對月球成因和演化歷史等領域的科學研究。
“挖土”的兩種姿態
早在2010年嫦娥五號任務正式立項前，一篇《月球無人采樣返回任務概念構想》的論文就向公眾展示了月球無人采樣的多重構想，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長期暴露在紫外線和宇宙射線的環境中，受到外空間的風化、氧化作用，某些有價值的信息可能被抹去。因此從科學探測的角度，更希望獲取一定深度的、未受空間環境影響的樣品。
據嫦娥五號采樣封裝系統主任設計師鄧湘金介紹，研制團隊在那時就開展了關鍵技術攻關工作，“瞄準獲得盡可能豐富的月球樣品這一目標。”
作為探月三期工程中最核心的一個任務，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。經過嚴苛的論證，大家決定同時采取兩種取樣方法。
“一種是鉆取，一種是表取。鉆取是通過空心鉆桿的取芯機構，鉆到月球表面兩米深以下處，得到深層樣品的層理信息。表取是采用機械臂末端固定鏟挖型采樣器，進行表層和次表層月壤采集，實現多點、多次采樣。”彭兢介紹。
蘇聯3次無人月球采樣返回任務僅使用了鉆取法，并且執行任務時實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。
蘇聯的采樣方式對嫦娥五號任務有著很大的借鑒意義。但它的采樣量非常少，而我們的目標是2公斤。因此，采取鉆取和表取相結合的方式，有利于采集到更多種類和數量的月球樣品。
有心人會發現，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。一個在陽面，一個在陰面。這是由月球表面高溫、散熱環境很差等因素決定的。
“執行表取任務時，機械臂活動范圍大，地面人員需要觀察月球表面，于是將采樣裝置設在陽面。而執行鉆取任務時，鉆機工作的功率相對比較大，對散熱的要求也比較高。為了使鉆機處在相對低的溫度條件下，特意將其部署在陰面。”鄧湘金解釋說。
即便這樣，鉆取采樣裝置的工作環境仍然比較惡劣。在地面上，電機的耐熱極限也就100攝氏度。嫦娥五號團隊通過集智攻關，研制出了能夠在180攝氏度環境下持續正常工作的耐高溫電機。
此外，月球表面環境復雜，給整個采樣封裝過程帶來了不可預知的風險。“我們必須有一整套適用于月球表面不確定環境的應對方法。”鄧湘金表示。
一直以來，在北京唐家嶺的航天科技集團五院月球樓里，一個1∶1的嫦娥五號著上組合體模擬器和真實的嫦娥五號著上組合體遙相呼應，如同孿生姐妹。借助該模擬器，一支訓練有素的40人地面支持團隊不斷地進行著實戰“演練”。
鉆土：8級硬度巖石鉆進能力
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地方往下鉆。月壤特性苛刻，剖面情況復雜，研制人員必須考慮到一些風險情況，比如碰到石頭時鉆頭能否正常工作等。
“嫦娥五號非常注重輕量化設計，因此核心單機產品的功耗都不是特別大。但是為了鉆取設備‘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也就300瓦。”鄧湘金做了一個生活化的類比。
五院529廠承擔了嫦娥五號采樣封裝分系統鉆取子系統的研制工作。早在2006年，該廠就啟動了一項課題預先研究。他們整合了機電、復材結構、精密加工與裝調、理化檢測等多專業優勢力量，組建了關鍵技術和產品研發團隊，同時聯合全國36所專業院校協同攻關。
解鎖、鉆進、取芯、封口、提芯、整形、傳送、避讓，整個鉆取采樣過程動作復雜，目標是實現“鉆得動”“取得著”“封得住”“纏得上”“送得進”“展得開”這6個關鍵要求。
為了確保“鉆得動”，鉆機上的鉆頭可謂“百里挑一”。研制團隊通過對比16種設計方案，最終確定雙排鉆牙階梯構型，經過“千錘百煉”，保證鉆進過程順暢可控，具備對8級硬度巖石的鉆進能力。
“針對不同顆粒度月壤，該設備具有切、撥、擠、排能力，同時還帶有一定沖擊功能，里邊有一個裝置能反復捶打，把過于緊密排列的月壤震松后再往下鉆。”五院529廠研究員賴小明介紹，鉆取子系統經歷了五六百次地面鉆取試驗，可以適應不同工況的月壤環境。
在這個過程中，聰明的研制人員創新出一種“雙管單袋”的鉆進取芯方案。其中的“單袋”，也叫取芯軟袋，是此次嫦娥五號探測器鉆取采樣過程中的一大亮點。
這個由凱夫拉高分子纖維做成的黃色一體化編織軟袋，被反套在取芯管外壁。探測器鉆取到的月球樣品進了取芯管后，隨著拉繩上提，就被自動裝進了軟袋。軟袋經過纏繞封裝，被固定在初級封裝裝置內。
為保證取得的樣品在提芯的過程中不發生掉落，設計師們采用了開放式構型的“8字形”超彈性合金絲作為封口方案，與取芯軟袋末端進行一體化縫合，依靠彈性收縮力來實現對軟袋的封口。封口器采用扭轉密閉式結構，并進行大應變材料設計，可以實現簡單可靠的封口。
12月2日4時53分，經過3個多小時的持續作業，嫦娥五號鉆取子系統不辱使命，順利完成鉆取采樣任務。
鏟土：剛柔并濟的“長臂俠”
嫦娥五號抵達月面以后，著陸器上的雙目相機進行成像，展現出需要采樣區域的地理信息。利用虛擬現實技術，地面團隊造出一個與月球表面高度相似的地形。選定目標點后，再把這些信息載入到系統里面，生成控制指令。然后，機械臂開始工作，完成一系列采樣的動作，把樣品送到初級封裝裝置中去。
這是嫦娥五號采樣封裝分系統表取子系統的工作過程。五院總體部承擔了該系統的研制工作。
其中，用于表取采樣的機械臂非常搶眼。臂桿長約3.7米，具有多個自由度。表取采樣區域為張角約120度的扇形區域，面積7~8平方米。
“自由度數量的設定主要根據任務需求。自由度多會更加靈活，但控制起來也比較復雜，重量也會相應增大；自由度太少，則可能完不成任務。”采樣封裝分系統主管設計師姚猛介紹。
在機械臂的設計過程中，鄧湘金認為，“最大的困難就是來自重量資源方面的約束。對航天人來講，這是件比天還大的事情。”
“臂桿很長，在受力條件下既要保證一定的剛性，還必須比較輕。這就是一個很大的矛盾。為此，我們做了很多基礎性的研究，比如采用了晶須型鋁基碳化硅材料。”采樣封裝分系統副主任設計師金晟毅說，研制團隊對機械臂不同部位使用不同的材質，從而讓整個設備實現減重。
機械臂末端的采樣器是一個重要部件，直接負責對指定點的月壤進行采集。值得注意的是，嫦娥五號采樣機械臂上有甲乙兩個采樣器。采樣器甲類似于一個鏟挖式的采樣器，選擇合適的角度可以挖到更多的土；采樣器乙類似于一個旋挖式的采樣器，雖然操作更簡單，但挖土相對較少。
這是研制團隊在充分考慮不同情況下設計的異構產品。采樣封裝分系統副主任設計師鄭艷紅告訴記者，采樣順利的話，全部都用采樣器甲。只有當著陸器所在的地方變化起伏很大的時候，比如出現各種坑洼和坡度，才會啟用采樣器乙。
除了機械臂，在鏟土環節，表取的初級封裝裝置也非常關鍵。它就像一個“小罐子”一樣，巧妙地擱在著陸器里，用來盛放采集到的月球樣品。
“這也是當時綜合很多因素選的一種最優方案。要是把它放在別的位置上，可能不容易把土擱進去，或者可能妨礙到別的產品工作。”姚猛說道。
事實上，表取的初級封裝裝置并非僅僅是一個容器，里面還有很復雜的傳動機構。該裝置雖然只有2個電機，但可以完成22個復雜動作。
由于著陸區域條件較好，嫦娥五號的采樣工作比預計開展得順利很多，僅用了19個小時就提前完成月球表面自動采樣任務。
在2公斤樣品采集完后，嫦娥五號還要完成最終的密封封裝。我國進行的月球樣品采集和封裝完全是在無人條件下自主完成的，技術難度大、要求高，涉及真空技術、材料科學等多領域。
滿載而歸的嫦娥五號上升器，靜靜地佇立在著陸器上，等待著月面起飛時刻的到來。
【責任編輯：家正】
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