嫦娥五號月球采樣返回系列報道
為了月球這抔土，嫦娥五號有多拼？
蹁躚落月，正式開工！
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(huán)境：月球表面幾乎是真空的，還有無處不在的月塵顆粒，最小的只有幾個微米，比PM2.5還要細(xì)微。”中國嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)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(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(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。
“我國在選擇月球樣本采集區(qū)域時，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)計師鄧湘金介紹，研制團(tuán)隊在那時就開展了關(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)。一個在陽面，一個在陰面。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，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，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，給整個采樣封裝過程帶來了不可預(yù)知的風(fēng)險?！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(shè)計，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?！编囅娼鹱隽艘粋€生活化的類比。
五院529廠承擔(dān)了嫦娥五號采樣封裝分系統(tǒng)鉆取子系統(tǒng)的研制工作。早在2006年，該廠就啟動了一項課題預(yù)先研究。他們整合了機(jī)電、復(fù)材結(jié)構(gòu)、精密加工與裝調(diào)、理化檢測等多專業(yè)優(yōu)勢力量，組建了關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊，同時聯(lián)合全國36所專業(yè)院校協(xié)同攻關(guān)。
解鎖、鉆進(jìn)、取芯、封口、提芯、整形、傳送、避讓，整個鉆取采樣過程動作復(fù)雜，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)“鉆得動”“取得著”“封得住”“纏得上”“送得進(jìn)”“展得開”這6個關(guān)鍵要求。
為了確?！般@得動”，鉆機(jī)上的鉆頭可謂“百里挑一”。研制團(tuán)隊通過對比16種設(shè)計方案，最終確定雙排鉆牙階梯構(gòu)型，經(jīng)過“千錘百煉”，保證鉆進(jìn)過程順暢可控，具備對8級硬度巖石的鉆進(jìn)能力。
“針對不同顆粒度月壤，該設(shè)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(fù)捶打，把過于緊密排列的月壤震松后再往下鉆?！蔽逶?29廠研究員賴小明介紹，鉆取子系統(tǒng)經(jīng)歷了五六百次地面鉆取試驗，可以適應(yīng)不同工況的月壤環(huán)境。
在這個過程中，聰明的研制人員創(chuàng)新出一種“雙管單袋”的鉆進(jìn)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(diǎn)。
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(jìn)了取芯管后，隨著拉繩上提，就被自動裝進(jìn)了軟袋。軟袋經(jīng)過纏繞封裝，被固定在初級封裝裝置內(nèi)。
為保證取得的樣品在提芯的過程中不發(fā)生掉落，設(shè)計師們采用了開放式構(gòu)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(jìn)行一體化縫合，依靠彈性收縮力來實(shí)現(xiàn)對軟袋的封口。封口器采用扭轉(zhuǎn)密閉式結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行大應(yīng)變材料設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)簡單可靠的封口。
12月2日4時53分，經(jīng)過3個多小時的持續(xù)作業(yè)，嫦娥五號鉆取子系統(tǒng)不辱使命，順利完成鉆取采樣任務(wù)。
鏟土：剛?cè)岵?jì)的“長臂俠”
嫦娥五號抵達(dá)月面以后，著陸器上的雙目相機(jī)進(jìn)行成像，展現(xiàn)出需要采樣區(qū)域的地理信息。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，地面團(tuán)隊造出一個與月球表面高度相似的地形。選定目標(biāo)點(diǎn)后，再把這些信息載入到系統(tǒng)里面，生成控制指令。然后，機(jī)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(tǒng)表取子系統(tǒng)的工作過程。五院總體部承擔(dān)了該系統(tǒng)的研制工作。
其中，用于表取采樣的機(jī)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(qū)域為張角約120度的扇形區(qū)域，面積7~8平方米。
“自由度數(shù)量的設(shè)定主要根據(jù)任務(wù)需求。自由度多會更加靈活，但控制起來也比較復(fù)雜，重量也會相應(yīng)增大；自由度太少，則可能完不成任務(wù)。”采樣封裝分系統(tǒng)主管設(shè)計師姚猛介紹。
在機(jī)械臂的設(shè)計過程中，鄧湘金認(rèn)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(chǔ)性的研究，比如采用了晶須型鋁基碳化硅材料?！辈蓸臃庋b分系統(tǒng)副主任設(shè)計師金晟毅說，研制團(tuán)隊對機(jī)械臂不同部位使用不同的材質(zhì)，從而讓整個設(shè)備實(shí)現(xiàn)減重。
機(jī)械臂末端的采樣器是一個重要部件，直接負(fù)責(zé)對指定點(diǎn)的月壤進(jìn)行采集。值得注意的是，嫦娥五號采樣機(jī)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(tuán)隊在充分考慮不同情況下設(shè)計的異構(gòu)產(chǎn)品。采樣封裝分系統(tǒng)副主任設(shè)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(dāng)著陸器所在的地方變化起伏很大的時候，比如出現(xiàn)各種坑洼和坡度，才會啟用采樣器乙。
除了機(jī)械臂，在鏟土環(huán)節(jié)，表取的初級封裝裝置也非常關(guān)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(dāng)時綜合很多因素選的一種最優(yōu)方案。要是把它放在別的位置上，可能不容易把土擱進(jìn)去，或者可能妨礙到別的產(chǎn)品工作。”姚猛說道。
事實(shí)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(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)。該裝置雖然只有2個電機(jī)，但可以完成22個復(fù)雜動作。
由于著陸區(qū)域條件較好，嫦娥五號的采樣工作比預(yù)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(wù)。
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(jìn)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(shù)難度大、要求高，涉及真空技術(shù)、材料科學(xué)等多領(lǐng)域。
