為了月球這抔土，嫦娥五號有多拼？

坑坑洼洼的表面、灰色的主基調、一望無際的荒涼……是普羅大眾通過科幻作品等認識到的月球。

“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?！?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，蘇聯的月球16號、20號和24號探測器共取回了約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，大小都有，最小的只有幾個微米，比PM2.5還要細微?！辨隙鹞逄柼綔y器系統副總設計師彭兢在公開演講中表示。

與地球上風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在訪問中國時，曾向中國贈送了一克月球土壤作為“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氦-3。氦-3在地球上的蘊藏量極少，而早期探測結果表明，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。

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”，將大大深化月球成因和演化歷史等科學研究。

兩種方式：獲取更多類型

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。

作為探月三期工程中最核心的一個任務，如何在月球采集到盡可能多的月壤樣本，并且封裝好，是嫦娥五號的研制重點。經過嚴苛的論證，專家決定采取兩種取樣方法。

一種是鉆取，一種是表取。具體來講，鉆取就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。表取就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。

在蘇聯三次無人月球采樣返回任務中，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號鉆到了0.35米深處，獲得了101克樣品；月球20號鉆到了0.27米深處，獲得了50克樣品；月球24號鉆到了2.25米深處，獲得了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。

具體到嫦娥五號任務，有心人會發現，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。執行表取任務時，機械臂活動范圍大，地面人員要看月球表面，于是將采樣裝置設在陽面。而執行鉆取任務時，鉆機在月球表面工作的功率相對比較大，對散熱要求也比較高。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。

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。但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。一直以來，在唐家嶺的五院月球樓里，一個1：1的嫦娥五號模擬器（包括著陸器和上升器）和飛往月球的嫦娥五號著上組合體遙相呼應，如同孿生姐妹。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：連走六步，步步驚心

嫦娥五號探測器的鉆取采用原位鉆取的方式，簡單理解就是一直在一個地方往下鉆。月壤特性苛刻，剖面情況復雜，比如一下子碰到石頭，鉆頭是否能夠繼續正常工作等問題都是必須考慮的風險。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。

為了確?！般@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。

在此過程中，聰明的設計師創新出一種“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。鉆取到的月球樣品，進了取芯管后，取芯軟袋拉繩隨之上提，樣品就被自動裝進了軟袋。由于質地柔軟，軟袋很方便地進行纏繞封裝，再放入初級封裝裝置內。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字型”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，具有低力載、高可靠的特點，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：3.7米長機械臂與精密“小罐子”

嫦娥五號抵達月面以后，著陸器上的雙目相機進行成像，展現出一個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容器中去。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3.7米，由數十個關節組成，采樣范圍在120度七八個平米。

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兩個采樣器：甲和乙。

采樣器甲是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；采樣器乙是類似于一個旋挖式的采樣器，雖然操作更簡單，但挖土量相對較少。這是研制團隊在充分考慮不同情況下設計的異構產品。

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?！币γ驼f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得順利很多，僅用了19個小時提前完成月球表面自動采樣任務。

滿載而歸的嫦娥五號上升器，靜靜地佇立在著陸器上，等候著月面起飛時刻的到來。

（編輯/高緯時）