為了月球這抔土，嫦娥五號(hào)有多拼？

坑坑洼洼的表面、灰色的主基調(diào)、一望無(wú)際的荒涼……是普羅大眾通過(guò)科幻作品等認(rèn)識(shí)到的月球。

“走在月球表面上，猶如走在一個(gè)布滿沙土的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上，四周有泛光燈的照耀?！?969年，美國(guó)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?chē)木跋笮稳轂椤皦邀惖幕臎觥薄?/p>

從1969年到1972年，美國(guó)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(hào)、20號(hào)和24號(hào)探測(cè)器共取回了約321克月壤和巖心樣本。

“說(shuō)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(wú)處不在的月塵顆粒，大小都有，最小的只有幾個(gè)微米，比PM2.5還要細(xì)微。”嫦娥五號(hào)探測(cè)器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢在公開(kāi)演講中表示。

與地球上風(fēng)化剝蝕作用形成的土壤不同，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(lèi)似，但也存在很大不同。

美國(guó)史密森尼國(guó)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(lái)自月球的樣品徹底改變了人類(lèi)對(duì)月球表面性質(zhì)、月球起源等問(wèn)題的認(rèn)知。

1978年中美正式建交前夕，美國(guó)總統(tǒng)卡特的安全事務(wù)顧問(wèn)布熱津斯基在訪問(wèn)中國(guó)時(shí)，曾向中國(guó)贈(zèng)送了一克月球土壤作為“國(guó)禮”。我國(guó)將這份月壤一分為二，其中0.5克用于試驗(yàn)，還有0.5克收藏在北京天文館。月壤之珍貴，可見(jiàn)一斑。通過(guò)研究月球樣品，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)其中含有氦-3。氦-3在地球上的蘊(yùn)藏量極少，而早期探測(cè)結(jié)果表明，月球淺層的氦-3含量多達(dá)上百萬(wàn)噸，足夠解決人類(lèi)的能源之憂。

最終，嫦娥五號(hào)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(shì)平坦，通信條件好，光照和溫度較為理想，且尚未有人類(lèi)探測(cè)器造訪過(guò)。在這里“挖土”，將大大深化月球成因和演化歷史等科學(xué)研究。

兩種方式：獲取更多類(lèi)型

月球表層月壤和月巖外表面物質(zhì)長(zhǎng)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(cè)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。

作為探月三期工程中最核心的一個(gè)任務(wù)，如何在月球采集到盡可能多的月壤樣本，并且封裝好，是嫦娥五號(hào)的研制重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)嚴(yán)苛的論證，專(zhuān)家決定采取兩種取樣方法。

一種是鉆取，一種是表取。具體來(lái)講，鉆取就是通過(guò)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。表取就是采用機(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。

在蘇聯(lián)三次無(wú)人月球采樣返回任務(wù)中，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(hào)鉆到了0.35米深處，獲得了101克樣品；月球20號(hào)鉆到了0.27米深處，獲得了50克樣品；月球24號(hào)鉆到了2.25米深處，獲得了170克樣品。

蘇聯(lián)的采樣方式對(duì)嫦娥五號(hào)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(lèi)和數(shù)量的月球樣品。

具體到嫦娥五號(hào)任務(wù)，有心人會(huì)發(fā)現(xiàn)，表取采樣裝置和鉆取采樣裝置并不在探測(cè)器的同一側(cè)，一個(gè)在陽(yáng)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。執(zhí)行表取任務(wù)時(shí)，機(jī)械臂活動(dòng)范圍大，地面人員要看月球表面，于是將采樣裝置設(shè)在陽(yáng)面。而執(zhí)行鉆取任務(wù)時(shí)，鉆機(jī)在月球表面工作的功率相對(duì)比較大，對(duì)散熱要求也比較高。為了使鉆機(jī)處在相對(duì)低的溫度條件下，特意將其部署在陰面。

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。但嫦娥五號(hào)團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)程帶來(lái)了不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)。一直以來(lái)，在唐家?guī)X的五院月球樓里，一個(gè)1：1的嫦娥五號(hào)模擬器（包括著陸器和上升器）和飛往月球的嫦娥五號(hào)著上組合體遙相呼應(yīng)，如同孿生姐妹。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：連走六步，步步驚心

嫦娥五號(hào)探測(cè)器的鉆取采用原位鉆取的方式，簡(jiǎn)單理解就是一直在一個(gè)地方往下鉆。月壤特性苛刻，剖面情況復(fù)雜，比如一下子碰到石頭，鉆頭是否能夠繼續(xù)正常工作等問(wèn)題都是必須考慮的風(fēng)險(xiǎn)。嫦娥五號(hào)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，總體給鉆取裝置配的功率超過(guò)1000瓦。相比之下，平常家里鉆水泥墻的鉆機(jī)也就300瓦。

為了確保“鉆得動(dòng)”，鉆機(jī)上的鉆頭可謂“百里挑一”。研制團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)比16種設(shè)計(jì)方案，最終確定雙排鉆牙階梯構(gòu)型，經(jīng)過(guò)“千錘百煉”，保證鉆進(jìn)過(guò)程順暢可控，具備對(duì)8級(jí)硬度巖石的鉆進(jìn)能力。

在此過(guò)程中，聰明的設(shè)計(jì)師創(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，是此次鉆取采樣過(guò)程中的一大亮點(diǎn)。這個(gè)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。鉆取到的月球樣品，進(jìn)了取芯管后，取芯軟袋拉繩隨之上提，樣品就被自動(dòng)裝進(jìn)了軟袋。由于質(zhì)地柔軟，軟袋很方便地進(jìn)行纏繞封裝，再放入初級(jí)封裝裝置內(nèi)。為保證取得的樣品在提芯的過(guò)程中不發(fā)生掉落，設(shè)計(jì)師們采用了開(kāi)放式構(gòu)型的“8字型”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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)，具有低力載、高可靠的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠的封口。

12月2日4時(shí)53分，經(jīng)過(guò)3個(gè)多小時(shí)的持續(xù)作業(yè)，嫦娥五號(hào)鉆取子系統(tǒng)不辱使命，順利完成鉆取采樣任務(wù)。

鏟土：3.7米長(zhǎng)機(jī)械臂與精密“小罐子”

嫦娥五號(hào)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)出一個(gè)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(duì)造出一個(gè)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(kāi)始工作，完成一系列采樣的動(dòng)作，把樣品送到初級(jí)封裝容器中去。這是嫦娥五號(hào)采樣封裝分系統(tǒng)表取子系統(tǒng)的工作過(guò)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(zhǎng)3.7米，由數(shù)十個(gè)關(guān)節(jié)組成，采樣范圍在120度七八個(gè)平米。

機(jī)械臂末端的采樣器是一個(gè)重要部件，直接負(fù)責(zé)對(duì)指定點(diǎn)的月壤進(jìn)行采集。值得注意的是，嫦娥五號(hào)采樣機(jī)械臂上有兩個(gè)采樣器：甲和乙。

采樣器甲是類(lèi)似于一個(gè)鏟挖式的采樣器，選擇合適的角度可以挖到更多的土；采樣器乙是類(lèi)似于一個(gè)旋挖式的采樣器，雖然操作更簡(jiǎn)單，但挖土量相對(duì)較少。這是研制團(tuán)隊(duì)在充分考慮不同情況下設(shè)計(jì)的異構(gòu)產(chǎn)品。

除了機(jī)械臂，在鏟土環(huán)節(jié)，表取的初級(jí)封裝裝置也非常關(guān)鍵。它就像一個(gè)“小罐子”一樣，巧妙地?cái)R在著陸器里，用來(lái)盛放采集到的月球樣品。

“這也是當(dāng)時(shí)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(shuō)道。

事實(shí)上，表取的初級(jí)封裝裝置并非僅僅是一個(gè)容器，里面還有很復(fù)雜的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。該裝置雖然只有2個(gè)電機(jī)，但可以完成22個(gè)復(fù)雜動(dòng)作。

由于著陸區(qū)域條件較好，嫦娥五號(hào)的采樣工作比預(yù)計(jì)得順利很多，僅用了19個(gè)小時(shí)提前完成月球表面自動(dòng)采樣任務(wù)。

滿載而歸的嫦娥五號(hào)上升器，靜靜地佇立在著陸器上，等候著月面起飛時(shí)刻的到來(lái)。

（編輯/高緯時(shí)）