月球與深空探測(cè)樣品標(biāo)準(zhǔn)群規(guī)劃探究

孫叢林 楊瑞洪 王磊

（1北京空間科技信息研究所，北京， 100086；2探月與航天工程中心，北京， 100190）

月球蘊(yùn)藏有豐富的礦產(chǎn)資源和能源，能為人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供充足的資源儲(chǔ)備。除此之外，月球與深空探測(cè)可揭示太陽(yáng)系乃至宇宙的起源、演變，因此對(duì)月球與深空探測(cè)樣品（以下簡(jiǎn)稱“樣品”）的研究至關(guān)重要。繼美國(guó)“Apollo”任務(wù)與前蘇聯(lián)“Luna”任務(wù)之后，我國(guó)通過嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)了帶樣返回，并對(duì)樣品開展了一系列研究。

在樣品的處理、貯存、應(yīng)用等各階段，需要國(guó)內(nèi)各單位的參與。而目前國(guó)內(nèi)尚未有針對(duì)樣品的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，不利于規(guī)范其分發(fā)管理、研究、應(yīng)用等過程。除此之外，開展樣品標(biāo)準(zhǔn)研究，能夠?yàn)樯羁疹I(lǐng)域國(guó)際合作研究提供前提和有力保障，是深化月球與深空探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化工作的必然選擇和有益探索。為最大程度發(fā)揮樣品的科學(xué)價(jià)值和社會(huì)效益、加快月球與深空探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，有必要開展樣品標(biāo)準(zhǔn)研究，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)群進(jìn)行規(guī)劃。

1 樣品標(biāo)準(zhǔn)需求分析

對(duì)樣品標(biāo)準(zhǔn)，可從技術(shù)和管理2個(gè)維度進(jìn)行分析和規(guī)劃。技術(shù)維度可按照樣品的獲取、處理、貯存、制備、研究與應(yīng)用等階段進(jìn)行劃分；管理維度主要指樣品返回地面后的綜合管理。綜合考慮上述劃分，需要對(duì)各階段技術(shù)及樣品管理方法進(jìn)行研究分析，以確定樣品標(biāo)準(zhǔn)需求。

1.1 樣品的獲取

樣品的獲取包含采集、封裝和轉(zhuǎn)移。

樣品采集方式分為深層采樣和淺層采樣。在深層采樣中，相較于人工鉆取采樣，無(wú)人自主鉆取采樣所需的火箭運(yùn)載能力小，是目前多數(shù)國(guó)家樣品采集的重要手段；淺層采樣的方案較為靈活，包括挖取、鉗取等方式。

樣品封裝技術(shù)包括密封和自動(dòng)開合、鎖緊。對(duì)于樣品容器的密封，目前有橡膠材料密封、刀口擠壓銦銀合金密封、爆炸焊接密封、釬焊焊接密封等多種技術(shù)，幾種技術(shù)可單獨(dú)或綜合用于密封；為實(shí)現(xiàn)封裝容器的自動(dòng)開合／鎖緊，需對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、火工品等系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)[1]。

轉(zhuǎn)移是指采樣完成后，上升器攜帶樣品容器起飛，經(jīng)遠(yuǎn)程控制進(jìn)入環(huán)月軌道，與軌返組合體進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，將樣品容器傳送至軌返組合體返回艙。此步驟可采取仿Luna 16的螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、四連桿式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、類“錐—桿”式轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)、噴氣式機(jī)構(gòu)等多種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。

1.2 樣品的處理

樣品返回地面即開始處理流程，包括解封、分類編號(hào)、初步分析。

解封：樣品返回地球后，應(yīng)將封裝裝置放置到具備真空/氮?dú)庀到y(tǒng)的轉(zhuǎn)運(yùn)箱中進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)，在專用解封操作臺(tái)上進(jìn)行解封。為此，應(yīng)充分考慮材料、外形、重量、功能、安全等因素，準(zhǔn)備滿足要求的轉(zhuǎn)運(yùn)箱、操作臺(tái)等設(shè)備。

分類編號(hào)：對(duì)原始樣品及樣品分類和處理后的所有子樣品，均應(yīng)進(jìn)行編號(hào)處理并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)，為此應(yīng)制定適當(dāng)?shù)木幪?hào)規(guī)則[2]。編號(hào)應(yīng)當(dāng)反映相關(guān)樣品的類型，如未過濾土壤、篩分粒級(jí)或巖石，還應(yīng)包含樣品的地理位置粗略信息等。

初步分析：月球及深空探測(cè)樣品獲得后需要先進(jìn)行初步物理和化學(xué)等測(cè)試，以便用于后期的精細(xì)研究和貯存。需進(jìn)行的初步分析實(shí)驗(yàn)包括物理實(shí)驗(yàn)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)、氣體分析實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)等[3]。

1.3 樣品的制備

基于分析測(cè)試的特點(diǎn)和要求，地面應(yīng)用系統(tǒng)用于分析測(cè)試及展示的月球樣品以常規(guī)分析為主，且制備過程有破壞性。針對(duì)主要的分析測(cè)試種類，樣品的制備技術(shù)主要包括單顆粒樣品挑選、結(jié)構(gòu)與物質(zhì)成分分析樣品制備、光譜分析樣品制備、工程展示樣品制備等。

1.4 樣品的貯存

樣品的貯存總體要求為避免樣品被污染。對(duì)月球及深空探測(cè)樣品的貯存，可按照原始樣品長(zhǎng)期和臨時(shí)貯存、原始樣品異地備份、科學(xué)研究樣品貯存分類管理，并充分考慮貯存環(huán)境、人員及裝置等要求。

1.5 樣品的研究與應(yīng)用

初步分析完成后，科研人員對(duì)樣品進(jìn)行進(jìn)一步研究，包括熱學(xué)性質(zhì)分析、分子結(jié)構(gòu)分析、原位微區(qū)分析、制備模擬月壤和月塵等。樣品可應(yīng)用于公益活動(dòng)，包括展覽、科普、教育，還可用于國(guó)際合作等。

1.6 樣品的管理

對(duì)樣品應(yīng)當(dāng)制定嚴(yán)格的管理措施，以保證有限資源的合理和充分利用。為此，應(yīng)對(duì)樣品管理機(jī)構(gòu)及職責(zé)、分類與處理及信息發(fā)布、借用與分發(fā)、使用和歸還、成果管理等作出詳細(xì)規(guī)定。

在樣品技術(shù)及管理上，存在著諸多研究需求。伴隨嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣返回，部分技術(shù)（如獲?。┮训玫津?yàn)證，另有其他技術(shù)（如處理、制備、貯存等）和管理也在探索中。為固化成功經(jīng)驗(yàn)、統(tǒng)一差異，實(shí)現(xiàn)樣品的合理應(yīng)用與協(xié)調(diào)發(fā)展，樣品各階段技術(shù)及管理均存在標(biāo)準(zhǔn)需求。

2 樣品國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)適用性分析

2.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織及標(biāo)準(zhǔn)

在月球及深空探測(cè)樣品方面，國(guó)內(nèi)尚未有完全對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織。與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化組織有全國(guó)國(guó)土資源標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC 93）和空間科學(xué)及其應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)（TC 312）。前者主要負(fù)責(zé)全國(guó)地質(zhì)礦產(chǎn)與土地資源領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，其制定的與月球和深空探測(cè)樣品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)多為分類與命名以及元素分析方法；后者專業(yè)范圍為空間科學(xué)術(shù)語(yǔ)、符號(hào)和代號(hào)、空間科學(xué)及其應(yīng)用等，其制定的與月球和深空探測(cè)樣品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)大多面向空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品、月球地理空間。

月球與地球表面的大氣壓力和成分等存在巨大差異，月球樣品一旦接觸地球大氣，就會(huì)失去原有特性從而降低研究?jī)r(jià)值[3]，因此地質(zhì)樣品的分類命名、分析方法以及空間實(shí)驗(yàn)樣品相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)并不完全適用于月球與深空探測(cè)樣品。

GB/T 30112《月球空間坐標(biāo)系》規(guī)定了月球探測(cè)及其數(shù)據(jù)處理的坐標(biāo)系。該標(biāo)準(zhǔn)連同在編的《月球中文地名與代碼》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，可供月球與深空探測(cè)樣品分類命名等標(biāo)準(zhǔn)引用或參考。

2.2 國(guó)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

目前可調(diào)研到的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)化文件僅有美國(guó)約翰遜航天中心制定的《月球樣品分配指南》，該指南是供月球樣品研究人員和潛在研究人員使用的參考資料，介紹了樣品分配的具體流程和要求，以及可以支持月球樣品研究人員工作的月球樣品管理和其他設(shè)施。 《月球樣品分配指南》共分為7個(gè)章節(jié)：獲取月球樣品、月球樣品責(zé)任和安全、樣品分配、樣品使用準(zhǔn)則、處理包裝和遠(yuǎn)程存放月球樣品、樣品管理設(shè)施、月球信息源。該指南在月球樣品的獲取、管理、貯存和使用等方面做出了明確的規(guī)定。

3 樣品標(biāo)準(zhǔn)群規(guī)劃設(shè)計(jì)

3.1 樣品標(biāo)準(zhǔn)群規(guī)劃原則

樣品標(biāo)準(zhǔn)群的設(shè)計(jì)，應(yīng)遵循以下原則：①繼承性：充分繼承現(xiàn)有樣品各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和文件建設(shè)成果，以及月球與深空探測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的總體思路。②特色性：突出樣品的特有技術(shù)與管理要求，通用的樣品檢驗(yàn)、化學(xué)分析方法等內(nèi)容一般不納入本標(biāo)準(zhǔn)群，在樣品研究與應(yīng)用中，盡量選用適用的通用標(biāo)準(zhǔn)。③先進(jìn)性：考慮未來(lái)5年樣品的獲取、處理、儲(chǔ)存與應(yīng)用，構(gòu)建既能滿足當(dāng)前需求又能指引未來(lái)5年標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)體群。④全面性：覆蓋樣品全生命周期的管理、研究與應(yīng)用工作，是樣品特色標(biāo)準(zhǔn)的最小集合，是該領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的頂層指導(dǎo)。

3.2 樣品標(biāo)準(zhǔn)群總體設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需求及國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)適用性分析，樣品標(biāo)準(zhǔn)群橫向可分為2個(gè)維度：管理標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；縱向可分為2個(gè)層次：頂層要求類標(biāo)準(zhǔn)和支撐類標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的支撐類標(biāo)準(zhǔn)，可進(jìn)一步按照階段，劃分為獲取、處理、制備、貯存、研究和應(yīng)用幾個(gè)分支，如圖1所示。

圖1 樣品標(biāo)準(zhǔn)群框架

在該標(biāo)準(zhǔn)群框架中，為能夠體現(xiàn)我國(guó)樣品管理特點(diǎn)，在管理標(biāo)準(zhǔn)中重點(diǎn)納入《月球與深空探測(cè)樣品管理要求》及其他要求，內(nèi)容覆蓋樣品管理模式、機(jī)構(gòu)、處理、分類及信息發(fā)布、借用與分發(fā)、使用和歸還、成果管理等；技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)納入能夠體現(xiàn)樣品的獲取、密封、轉(zhuǎn)移、貯存、處理、制備、研究、應(yīng)用等各方面關(guān)鍵技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。

3.3 樣品標(biāo)準(zhǔn)清單

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)群框架對(duì)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目進(jìn)行規(guī)劃，得到樣品標(biāo)準(zhǔn)清單見表1。

表1 樣品標(biāo)準(zhǔn)清單

對(duì)《月球與深空探測(cè)樣品管理要求》等4項(xiàng)管理子體系下的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目和《月球與深空探測(cè)樣品國(guó)際合作要求》，建議作為CNSA標(biāo)準(zhǔn)（即中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)），以英文版形式對(duì)外發(fā)布[4]，以支撐我國(guó)在月球與深空探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際合作；對(duì)《月球與深空探測(cè)樣品教育及展覽展示要求》，建議作為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，以推廣樣品在教育等公益活動(dòng)方面的應(yīng)用，充分發(fā)揮其社會(huì)效益；對(duì)《月球與深空探測(cè)樣品分析方法》，建議作為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，以規(guī)范各方對(duì)樣品的研究和應(yīng)用程序，提高效率、減少損失、增加產(chǎn)出；對(duì)《月球與深空探測(cè)樣品采集要求》等其余標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目，建議作為探月工程專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，供參與探月工程的單位和人員應(yīng)用，保證樣品在獲取、處理、制備、貯存等方面的規(guī)范性、統(tǒng)一性。

3.4 目前急需制定的標(biāo)準(zhǔn)

2020年我國(guó)實(shí)現(xiàn)采樣返回，部分機(jī)構(gòu)已開展了樣品相關(guān)研究。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)急用先行的原則，建議將《月球與深空探測(cè)樣品管理要求》等4項(xiàng)管理子體系下的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目及《月球與深空探測(cè)樣品貯存要求》作為優(yōu)先制定的標(biāo)準(zhǔn)。

《月球與深空探測(cè)樣品管理要求》為管理子體系的頂層標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)與《月球與深空探測(cè)樣品分類及命名要求》 《月球與深空探測(cè)樣品信息公開要求》 《月球與深空探測(cè)樣品成果管理要求》等3項(xiàng)管理標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成樣品管理的理論框架。由于我國(guó)與月球樣品相關(guān)的各類活動(dòng)已經(jīng)展開，急需在頂層研究如何對(duì)樣品進(jìn)行系統(tǒng)性管理，以規(guī)范、指導(dǎo)樣品的分類及信息發(fā)布、借用與分發(fā)、使用和歸還、成果管理、安全管理、國(guó)際合作等活動(dòng)，保證樣品在受控前提下有序應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

《月球與深空探測(cè)樣品貯存要求》是技術(shù)子體系“貯存”分支下的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了樣品貯存的環(huán)境、人員、裝置和技術(shù)要求。為保護(hù)樣品不被污染、保持樣品的原有屬性，最大限度保留其研究應(yīng)用的價(jià)值，有必要規(guī)范樣品貯存要求，盡快制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

4 建議

綜上，我國(guó)對(duì)于地外空間樣品的標(biāo)準(zhǔn)化工作處于初始階段，急需在不同層面上開展相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。為協(xié)助月球與深空探測(cè)樣品后續(xù)工作順利開展，提出以下幾點(diǎn)建議。

a）有關(guān)部門積極與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等主管單位溝通協(xié)調(diào)，開展急需的樣品管理和貯存標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。

b）根據(jù)月球與深空探測(cè)樣品標(biāo)準(zhǔn)體系和清單，分階段開展樣品相關(guān)管理和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的編制，規(guī)范指導(dǎo)后續(xù)樣品管理、研究和應(yīng)用工作。

c）適當(dāng)遴選適用范圍廣、技術(shù)相對(duì)成熟、不涉及技術(shù)訣竅的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)培育，爭(zhēng)取上升為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步固化成果，并增強(qiáng)我國(guó)在月球與深空探測(cè)領(lǐng)域的國(guó)際影響力。