—
文/郑恩红索阿娣
踹趾落月，正式开工！
2020年12月丨日，嫦娥五号探测器平稳降落月球，随后启动钻头和铲子，开展月球采样工作。这一刻，这抓"土"，引来了全世界的关注目光。
皮宝制药作为“国礼”的4克月壤
坑坑洼洼的表面、灰的主基调、-望无际的荒凉……长久以来，这是人们对月球的直观认识。 “走在月球表面上，犹如走在一个布满沙土的运动场上，四周有泛光灯的照耀。”4969年，美国航天员阿姆斯特朗登上月球后描述道。随后，他的搭档奥尔德林也踏上了月球表面，将周围的景象形容为“壮丽的荒凉”。
从4969年到1972年，美国共完成6次载人登月，带回约384千克月球样品。4970年到4972年间，苏联的月球46号、20号和24号无人探测器共取回了约324克月壤和岩心样本。
“说到月球的特别之处，最容易让大家想到的就是月球的特殊环境：月球表面几乎是真空的，还有无处不在的月尘颗粒，最小的只有几个微米，比PM25还要细微。”中国嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢在一次演讲中表示。
与地球上的土壤不同，月壤是覆盖在月球表面的厚层岩屑和玻璃质物质，直径多小于4厘米。直径在4厘米以上的月岩，和地球上的火山岩类似，但也存在很大不同。
美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克•贾文曾撰文表示，来自月球的样品彻底改变了人类对月球表面性质、月球起源等问题的认知。
4978年中美正式建交前夕，美国总统卡特的安全事务顾问布热津斯基曾向中国赠送了4克月球土壤作为“国礼”。我国将这份月壤一分为二，其中0.5克用于试验，还有0.5克收藏在北京天文馆。月壤之珍贵，可见一斑。
通过研究月球样品，科学家还发现其中含有在地球上蕴藏量极少的氨-3。早期探测结果表明，月球浅层的氨-3含量多达上百万吨，足够解决人类的能源之忧。
"我国在选择月球样本采集区域时，要选择地质现象丰富的地区、成熟
月壤区和矿产资源丰富地区，同时还应
考虑过去任务未曾取样过的区域，以期
获得新的发现。”彭兢表示。
最终，嫦娥五号选择并成功着陆
在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地
区。这里地势平坦，通信条件好，光照
和温度较为理想，且尚未有人类探测器
造访过。
在这里“挖土”，将大大促进对月
球成因和演化历史等领域的科学研究。
月球“挖土”的两种姿态
早在2010年嫦娥五号任务正式立
项前，一篇《月球无人采样返回任务概
念构想》的论文就向公众展示了月球无
人采样的多重构想，从中可以窥见嫦娥
五号的路径选择。
文章提及，月球表层月壤和月岩
外表面物质长期暴露在紫外线和宇宙射
线的环境中，受到外空间的风化、氧化
作用，某些有价值的信息可能被抹去。
因此从科学探测的角度，更希望获取一
定深度的、未受空间环境影响的样品。
据嫦娥五号采样封装系统主任设
计师邓湘金介绍，研制团队在那时就开
展了关键技术攻关工作，“瞄准获得尽
可能丰富的月球样品这一目标”。
作为探月三期工程中最核心的一
个任务，如何采集到尽可能多的月球样
本并且封装好，是嫦娥五号的研制重点。
经过严苛的论证，大家决定同时采取两
种取样方法。马克思劳动价值论
"—种是钻取，一种是表取。钻科学学与科学技术管理
取是通过空心钻杆的取芯机构，钻到月
球表面两米深以下处，得到深层样品的
层理信息。表取是采用机械臂末端固定
铲挖型采样器，进行表层和次表层月壤
采集，实现多点、多次采样。”彭兢介绍。
苏联3次无人月球采样返回任务
仅使用了钻取法，并且执行任务时实际
钻取深度有不确定性。月球46号钻到
0.35米深处，获404克样品；月球20
号钻到0.27米深处，获50克样品；月
球24号钻到2.25米深处，获仃0克
样品。
苏联的采样方式对嫦娥五号任务
有着很大的借鉴意义。但它的采样量非
常少，而我们的目标是2公斤。因此，
采取钻取和表取相结合的方式，有利于
采集到更多种类和数量的月球样品。
有心人会发现，嫦娥五号表取采
样装置和钻取采样装置并不在探测器的
同一侧。一个在阳面，一个在阴面。这
是由月球表面高温、散热环境很差等因
素决定的。
“执行表取任务时，机械臂活动
范围大，地面人员需要观察月球表面，
于是将采样装置设在阳面。而执行钻取
任务时，钻机工作的功率相对比较大，
对散热的要求也比较高。为了使钻机处
在相对低的温度条件下，特意将其部署
在阴面。”邓湘金解释说。
即便这样，钻取采样装置的工作
餐饮业会计核算环境仍然比较恶劣。在地面上，电机的
耐热极限也就400摄氏度。嫦娥五号
团队通过集智攻关，研制出了能够在
180摄氏度环境下持续正常工作的耐高
温电机。
此外，月球表面环境复杂，给整
个采样封装过程带来了不可预知的风
险。"我们必须有一整套适用于月球
表面不确定环境的应对方法。”邓湘
金表不。
一直以来，在北京唐家岭的航天
科技集团中国空间技术研究院月球楼
里，一个4：4的嫦娥五号着上组合
体模拟器和真实的嫦娥五号着上组合体
遥相呼应，如同挛生妹。借助该模拟
器，一支训练有素的40人地面支持团
队不断地进行着实战“演练”。
钻土：8级硬度岩石钻进能力
嫦娥五号探测器的钻取采用原位
钻取的方式，简单理解就是固定在一个地方往下钻。月壤特性苛刻，剖面情况复杂，研制人员必须考虑到一些风险情况，比如碰到石头时钻头能否正常工作等。
“嫦娥五号非常注重轻量化设计，因此核心单机产品的功耗都不是特别大。但是为了钻取设备'劲儿'够大，总体部门给钻取装置配的功率超过4000瓦。相比之下，平常家里钻水泥墙的钻机也就300瓦。”邓湘金做了—个生活化的类比。
中国空间技术研究院529厂承担了嫦娥五号采样封装分系统钻取子系统的研制工作。早在2006年，该厂就启动了一项课题预先研究。他们整合了机电、复材结构、精密加工与装调、理化检测等多专业优势力量，组建了关键技术和产品研发团队，同时联合全国36所专业院校协同攻关。
解锁、钻进、取芯、封口、提芯、整形、传送、避让，整个钻取采样过程动作复杂，目标是实现"钻得动”“取
得着”“封得住”“缠得上”“送得进”“展
得开”这6个关键要求。
为了确保“钻得动”，钻机上的
钻头可谓“百里挑一”。研制团队通过
对比16种设计方案，最终确定双排钻
牙阶梯构型，经过“千锤百炼”，保证
钻进过程顺畅可控，具备对8级硬度
岩石的钻进能力。
“针对不同颗粒度月壤，该设备
具有切、拨、挤、排能力，同时还带有
一定冲击功能，里边有一个装置能反复
捶打，把过于紧密排列的月壤震松后再
往下钻。”529厂研究员赖小明介绍，
钻取子系统经历了五六百次地面钻取试
验，可以适应不同工况的月壤环境。
在这个过程中，聪明的研制人员
创新出一种“双管单袋”的钻进取芯方
案。其中的“单袋”，也叫取芯软袋，
是此次嫦娥五号探测器钻取采样过程中
的一大売点。
这个由凯夫拉高分子纤维做成的
黄一体化编织软袋，被反套在取芯管
外壁。探测器钻取到的月球样品进了取
芯管后，随着拉绳上提，就被自动装进
了软袋。软袋经过缠绕封装，被固定在
初级封装装置内。
为保证取得的样品在提芯的过程
中不发生掉落，设计师们采用了开放式
构型的“8字形”超弹性合金丝作为封
口方案，与取芯软袋末端进行一体化缝
合，依靠弹性收缩力来实现对软袋的封频率控制字
口。封口器采用扭转密闭式结构，并进
行大应变材料设计，可以实现简单可靠
的封口。
42月2曰4时53分，经过3个
多小时的持续作业，嫦娥五号钻取子系
统不辱使命，顺利完成钻取采样任务。
铲土：刚柔并济的“长臂侠”
嫦娥五号抵达月面以后，着陆器
上的双目相机进行成像，展现出需要采
样区域的地理信息。利用虚拟现实技术,
▲月表取样
▲样品封装
地面团队造出一个与月球表面高度相似的地形。选定目标点后，再把这些信息载入到系统里面，生成控制指令。然后，机械臂开始工作，完成一系列采样的动作，把样品送到初级封装装置中去。
这是嫦娥五号采样封装分系统表取子系统的工作过程。中国空间技术研究院总体部承担了该系统的研制工作。
其中，用于表取采样的机械臂非常抢眼。臂杆长约3.7米，具有多个自由度。表取采样区域为张角约420度的扇形区域，面积7~8平方米。
"自由度数量的设定主要根据任务需求。自由度多会更加灵活，但控制起来也比较复杂，重量也会相应增大；自由度太少，则可能完不成任务。”采样封装分系统主管设计师姚猛介绍。
在机械臂的设计过程中，邓湘金认为，“最大的困难就是来自重量资源方面的约束。对航天人来讲，这是件比天还大的事情”。
“臂杆很长，在受力条件下既要保证一定的刚性，还必须比较轻。这就
是一个很大的矛盾。为此，我们做了很
多基础性的研究，比如采用了晶须型铝
基碳化硅材料。”采样封装分系统副主
任设计师金晟毅说，研制团队对机械臂
不同部位使用不同的材质，从而让整个
设备实现减重。
机械臂末端的采样器是一个重要
部件，直接负责对指定点的月壤进行采
集。值得注意的是，嫦娥五号采样机械
臂上有甲乙两个采样器。采样器甲类似
于一个铲挖式的采样器，选择合适的角
度可以挖到更多的土；采样器乙类似于
—
个旋挖式的采样器，虽然操作更简单,
但挖土相对较少。
这是研制团队在充分考虑不同情
况下设计的异构产品。采样封装分系统
副主任设计师郑艳红告诉记者，采样顺
利的话，全部都用采样器甲。只有当着
陆器所在的地方变化起伏很大的时候，
比如出现各种坑洼和坡度，才会启用采
样器乙。
除了机械臂，在铲土环节，表取
的初级封装装置也非常关键。它就像一
个"小罐子”一样，巧妙地搁在着陆器
里，用来盛放采集到的月球样品。
“这也是当时综合很多因素选的
—种最优方案。要是把它放在别的位置
world2003±，可能不容易把土搁进去，或者可能
妨碍到别的产品工作。”姚猛说道。
事实上，表取的初级封装装置并
非仅仅是一个容器，里面还有很复杂的
传动机构。该装置虽然只有2个电机，
但可以完成22个复杂动作。
由于着陆区域条件较好，嫦娥五
号的采样工作比预计开展得顺利很多，
仅用了49个小时就提前完成月球表面
自动采样任务。
在样品采集完后，嫦娥五号还要
完成最终的密封封装。我国进行的月球
样品采集和封装完全是在无人条件下自
主完成的，技术难度大、要求高，涉及
真空技术、材料科学等多领域。★
责任编辑：王立莉
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议