“嫦娥五號”：表鉆結合 多點采樣

文/ 張雪松

作為中國探月工程“繞落回”三步走中的收官之戰，2020年12月17日凌晨，“嫦娥五號”返回器攜帶重1731克的月壤樣品成功降落在內蒙古四子王旗的預定著陸場，宣告“嫦娥五號”月球采樣返回任務獲得圓滿成功，這些月壤還將在科研領域為人類更深入地了解月球提供重要依據。

▲ “嫦娥五號”上升器從月面起飛示意圖

▲ “嫦娥五號”采樣裝置

難度巨大的月球采樣返回

月球是距離我們最近的天體，目前美國通過阿波羅載人登月計劃的6次登月總共采集了重約382 千克的月球表面物質樣本，但累計投入高達194億美元。蘇聯發射11 次月球無人采樣返回探測器的預算要少得多，但只有3次任務成功采樣返回，總計采集了326克月球樣品，費效比就差多了。毫不夸張地說，月球采樣返回是目前難度最大的深空探測任務之一。“嫦娥五號”探測器為了實現采集2 千克月球樣品返回地球的任務目標，不僅發射質量高達8.2噸，遠高于蘇聯的“月球24 號”等采樣返回探測器，而且探測器分為軌道器、返回器、著陸器和上升器四個部分，可以說是一次無人版的迷你阿波羅登月，它是我國復雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程。

“嫦娥五號”返回器首次實現了我國地外天體的采樣返回，標志著中國突破了地外天體的采樣封裝和轉移技術，我國從此成為世界上第三個突破月球采樣返回技術的國家。作為1976年蘇聯“月球24 號”以后，44年來人類第一次月球采樣返回，“嫦娥五號”的采樣返回技術也有著自己獨到的特點。

月球采樣多手準備

2011年“嫦娥五號”探測器正式立項，但早在2009年“嫦娥五號”論證階段，哈工大鄧宗全教授就主持論證，確立了月面鉆-表復合式采樣封裝方案，這在國際上也是一個創舉。2010年《航天器工程》發表的《月球無人采樣返回任務概念構想》一文中，也對“嫦娥五號”的采樣封裝技術做了分析，公開了表鉆結合的采樣方式。2011年到2013年鄧宗全教授牽頭，和中國空間技術研究院等單位合作，完成了鉆取采樣關鍵技術原理樣機和采樣封裝集成驗證的攻關，奠定了“嫦娥五號”采樣技術的基礎。

月球表面的樣品大致可以分為月壤和月巖兩類，考慮月球表面物質暴露在外，受到太陽輻射和宇宙射線的作用，從科學探測角度出發，需要獲取一定深度并未受到空間環境影響的樣品。月球鉆取采樣存在很大的不確定性，比如蘇聯完全依靠鉆取方式獲得月球樣品，但3 次成功返回的月球采樣任務中，“月球16 號”和“月球20 號”的鉆機都碰到了高密實度月壤或高硬質巖石，只分別鉆到0.35 米和0.27 米深處，即使是傾斜鉆到2.25 米深度的“月球24 號”探測器，也在復雜的月壤中遇到多次停鉆的情況，鉆取深度和取樣質量也不及預期。

綜合考慮各方面技術因素，月球采樣最好同時采集表面和深層的樣品。據“嫦娥五號”副總師彭兢介紹，“嫦娥五號”探測器設計了轉機鉆取采樣和機械臂表層取土兩種模式，鉆取就是使用空心鉆機獲得月面下的月壤樣品，表層取土使用機械臂在末端采樣器支持下，在臨近著陸器的月面進行多點采樣。“嫦娥五號”獨特的表鉆結合、多點采樣的方式，不僅能采集到更多的月球樣品，而且使月球樣品類型更豐富。

▲ “嫦娥五號”的落區

▲ “嫦娥五號”的樣品容器

▲ “嫦娥五號”取樣示意圖

中國航天人還進行了大量地面分析設計和試驗，科研人員綜合國內外對月壤的研究認識，研制了超過30 種模擬月壤，制造了1：1 全尺寸的著陸上升器模擬器，在實驗場模擬著陸器在各種不同傾斜狀態和光照條件下，以及月塵、高溫和振動等各種苛刻環境下的采樣過程。科研人員還根據“嫦娥五號”著陸傳回的數據，發送指令前先在地面進行模擬采樣，為月面采樣決策和操作提供依據。他們還設計了預編程、半自主和遙控3 種工作模式，確保采樣工作的順利完成。

鉆取如啃硬骨頭

2020年12月1日23 時，“嫦娥五號”成功降落到月球表面，隨后進行展開太陽翼和機構解鎖等準備工作。自動采樣是“嫦娥五號”任務的核心環節之一，“嫦娥五號”研制過程中就確定了先鉆后表、器地協同的工作程序，首先進行的是使用鉆機的鉆取采樣。月面鉆取采樣難度和風險很大，據美蘇實際鉆取經驗，月壤深度超過0.3 米時密實度急劇提高到92%，這也是蘇聯“月球16 號”和“月球20 號”，以及美國“阿波羅15 號”鉆取不盡人意的最重要原因。

“嫦娥五號”沒有攜帶巡視器，著陸后不能移動，鉆取采樣也只能是原位鉆取。軌道器遙感探測無助于判斷著陸區的地質結構，著陸器落月后鉆取采樣裝置正下面的月面，既可能是相對松軟的月壤，也可能是堅硬的月巖，鉆取采樣是貨真價實的一錘子買賣。蘇聯“月球16 號”和“月球20 號”半途而廢的鉆取過程說明，面對高硬度月巖時“鉆得動”對鉆取采樣至關重要。“嫦娥五號”探測器雖然盡量采用輕量化設計，限制各個分系統的功耗，但鉆機設計卻大相徑庭，這個鉆機的功率居然超過1000 瓦，大功率的鉆機有利于突破可能的堅硬月巖。鉆機的鉆頭也進行了精心的設計，設計者對比了16 種不同的設計方案后，確定了雙排鉆牙階梯構型的鉆頭。“嫦娥五號”精心設計百里挑一的鉆頭，使用特殊的材料和構型，具備鉆進8級硬度巖石的能力。要知道，堅硬的石英石莫氏硬度也只有7 級，8級就是不太常見的黃玉了，而比它們更硬的是9 級的剛玉和10 級的金剛石。

“嫦娥五號”的鉆機要鉆得動，還要考慮環境因素。我們地面常見鉆機耐熱也就到100 攝氏度左右，但月球白晝受陽光直射，月面溫度輕松突破100度。鉆機研制團隊經過努力攻關，研制了能在180 攝氏度下正常工作的特種鉆機。然而，1000 瓦大功率的鉆機如果遇到高硬度的月巖，鉆取滿負荷工作時溫度肯定不低。“嫦娥五號”降落時精心選擇了姿態，鉆機布置在探測器的陰面，這樣鉆機不用面對陽光直射，環境溫度相對較低，有利于鉆取時的散熱和鉆取采樣工作的完成。另外，我國科研人員還提出了密實度分類感知算法，通過傳感器感知月壤密實度，智能調整鉆機旋轉速度和鉆進速度，避免發生卡鉆現象。

▲ “嫦娥五號”鉆取采樣

▲ “嫦娥五號”樣品封裝

▲ “嫦娥五號”鉆取示意圖

嫦娥五號探測器為鉆取采樣進行了精心和充分的準備。科研人員使用各種模擬月壤在地面進行了五六百次鉆取試驗，模擬顯示鉆機能適應不同的月壤環境，并且吸取美國尤其是蘇聯的教訓，專門研制了大功率能鉆進8 級硬度巖石的鉆機。最終“嫦娥五號”鉆取雖然遭遇困難，但獲得成功。

表層采樣靈巧功成

無論是“月球16 號”和“月球20 號”還是“月球24 號”，鉆取采樣都遇到了各種問題，美國阿波羅登月的歷次鉆取也不盡人意，即使是我們精心設計的“嫦娥五號”，也遇到了月壤下堅硬巖石層，導致實際采樣不及預期。美國阿波羅登月中航天員從月球表面獲取了大量樣品，而我國的“嫦娥五號”也通過表層取土，多點采樣獲得了大量月壤樣品。

深層月壤密實度的急劇提高，和月壤下的巖石層構成了鉆取采樣的攔路虎，但月壤表層并沒有那么密實，換句話說表層取土的難度要低得多。嫦娥五號探測器的表層取土采用器地協同方式，探測器“慧眼”獲得地形信息發回地球，地面團隊用虛擬現實技術造出和月球表面相同的地形，地面實驗場中的模擬器根據這些信息生成表層采樣控制指令，控制機械臂工作進行采樣，地面通過模擬驗證后，再把控制指令發往月球，控制月面的“嫦娥五號”進行實際采樣動作。

▲ “嫦娥五號”月表取樣（一）

▲ “嫦娥五號”月表取樣（二）

“嫦娥五號”表層采樣使用臂桿長3.7 米、多個關節組成的靈巧機械臂。它安裝在著陸器的陽面，不僅避免了和鉆取采樣裝置搶位置，陽面光照條件也有利于地面人員觀察月球表面，更好地進行采樣決策。采樣機械臂張角范圍可達120 度，覆蓋范圍有7~8 平方米，不同于鉆機對重量限制不大，采樣機械臂設計上要盡量追求輕量化，要在月面高溫作業環境下滿足機械臂對輕質量、高強度、高剛度和耐熱的苛刻要求，研制難度也相當不小。機械臂使用重量輕剛度高的晶須型鋁基碳化硅材料，不同部位還根據需求使用不同材質，進一步實現了減重。

為了盡可能應對不同情況，“嫦娥五號”采樣機械臂上還設計了兩個采樣器，采樣器甲是鏟挖式，而采樣器乙是旋挖式。采樣器甲挖土量更大，而采樣器乙挖土能力更強。正常情況下只使用采樣器甲，如果落區地形起伏太大就要用到采樣器乙。“嫦娥五號”于2020年12月2日22 時完成了整個自動采樣任務，全程歷時約19 個小時。依靠靈活智能的“慧眼”和機械臂，加上著陸區的地形條件不錯，在地面人員的精心控制下，原定15 次取土實際只用了12 次就裝滿1500 克月壤表層樣本，表取采樣大獲成功。★