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(diào)、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。”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(lián)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(huán)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。”嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)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(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(xué)家還發(fā)現(xiàn)其中含有氦-3。氦-3在地球上的蘊藏量極少，而早期探測結(jié)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(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：獲取更多類型

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。

作為探月三期工程中最核心的一個任務(wù)，如何在月球采集到盡可能多的月壤樣本，并且封裝好，是嫦娥五號的研制重點。經(jīng)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(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(xiàn)多點、多次采樣。

在蘇聯(lián)三次無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(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。

具體到嫦娥五號任務(wù)，有心人會發(fā)現(xiàn)，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。執(zhí)行表取任務(wù)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(shè)在陽面。而執(zhí)行鉆取任務(wù)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(huán)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(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。

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)知的風險。一直以來，在唐家?guī)X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(yīng)，如同孿生姐妹。一支訓(xùn)練有素的40人地面支持團隊，不斷地進行著實戰(zhàn)“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(fù)雜，比如一下子碰到石頭，鉆頭是否能夠繼續(xù)正常工作等問題都是必須考慮的風險。嫦娥五號非常注重輕量化設(shè)計，因此核心單機產(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1000瓦。相比之下，平常家里鉆水泥墻的鉆機也就300瓦。

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(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(shè)計師創(chuàng)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(zhì)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(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(xiàn)對軟袋的封口。

封口器采用扭轉(zhuǎn)密閉式結(jié)構(gòu)，并進行大應(yīng)變材料設(shè)計，具有低力載、高可靠的特點，實現(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：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(xiàn)出一個需要采樣區(qū)域的地理信息。利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，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(tǒng)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(tǒng)表取子系統(tǒng)的工作過程。五院總體部承擔了該系統(tǒng)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(shù)十個關(guān)節(jié)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(shè)計的異構(gòu)產(chǎn)品。

除了機械臂，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去，或者可能妨礙到別的產(chǎn)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(fù)雜的傳動機構(gòu)。該裝置雖然只有2個電機，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(wù)。

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）