月壤地质勘探的“十八般武艺”

陈薪硕 李守定 隋旺华

阿波罗时期的宇航员使用的电动钻机（实验图）

2020年12月17日，我国“嫦娥五号”探测器的返回器携带着1731克珍贵的月壤样品安全返回地球。这是世界上第一次完全由计算机自主控制的月球采样任务。至此，我们才算是真正实现了古时“上九天揽月”的愿望，一览月壤的真容。但在取回样本之前，我们又是怎样了解和研究月壤的呢？

自升空以来，“嫦娥五号”探测器就备受世人关注，但其实它还有很多的“老前辈”。其中，我们最熟悉的莫过于“嫦娥三号”和“嫦娥四号”探测器了，当然也包括陪伴它们一起奔月的“玉兔号”和“玉兔二号”月球车。这些成功登上月球的探测器，在完成任务的过程中使出了“十八般武艺”，各显神通，为我们提供了了解月球、研究月壤的宝贵机会。

“嫦娥四号”着陆器地形地貌相机对“玉兔二号”巡视器成像。

“玉兔二号”车辙

“玉兔二号”测月雷达沿途探测月表下结构。

“火眼金睛”

月球探测器上搭载的用来研究月壤的科学仪器中，最为常见的便是相機了，几乎所有的探测任务中都采用了摄影测量这种探测方法。我国“嫦娥三号”和“嫦娥四号”探测器上就携带有降落相机、全景相机和地形地貌相机等不同种类的摄影装备。

降落相机，顾名思义，就是着陆器在降落过程中实施拍摄任务的相机，它位于着陆器的下方。在降落前的最后2000米路程中，降落相机对月球表面进行连续的拍摄，不仅为着陆器着陆位置的选择提供了参考依据，也借机看清了月球表面土壤和岩石的大小和形态。成功降落之后，拍摄月球别样风景的任务就交接到了地形地貌相机和全景相机身上，前者装备在“嫦娥三号”和“嫦娥四号”探测任务的着陆器上，后者则装备在月球车上。尤其是“玉兔二号”月球车上搭载的两台全景相机，像是变色龙的两只眼睛一样长在桅杆两侧，可以进行水平与竖直旋转，通过这种改变朝向和俯仰角的方式，注视着周围发生的一切。科学家对传回的上百张照片进行拼接，就可以得到周围风景的全貌图。

不同国家的月球探测器，拍摄的内容都大同小异，但也并不局限于拍摄天然景观，它们还很青睐“人类的足迹”。在探测器或宇航员降落、巡视、行走时，难免会在月球表面留下踪迹。“嫦娥四号”探测器的地形地貌相机就曾记录下了“玉兔二号”月球车的车辙。早在几十年前的“阿波罗”月球勘测时代，宇航员也曾用相机记录下了“个人一小步，人类一大步”的足迹。可别小看这些痕迹，科学家们已经通过深度和形态的研究，从中计算出了月壤的力学性质。

“耳听八方”

面对月球表面的复杂环境，月球探测不能只停留在观其表象，而要“眼观六路，耳听八方”。当然，这个“听”可不是听声音，而是“聆听”反射波。依据不同的反射波，这种勘探方法可被细分为两类：一类是接收“月震波”的月震仪;另一类是接收电磁波的测月雷达。类似于光（光也是一种电磁波）射向水面时会发生反射和折射，月震波或电磁波遇到地下障碍物，或者不同土壤或岩石的界面时，也会发生反射和折射。根据接收到的这些反射波和折射波的时间和分布，就可以反推地下土壤中岩石的大小与位置，以及不同层的分界情况。

使用月震仪进行相关探测主要是在“阿波罗”月球勘测时代，由美国宇航员亲自部署仪器。“阿波罗11号”至“阿波罗17号”中，除“阿波罗13号”任务出现差错外，其余6次任务都涉及到了月震波探测。经过这几次任务，最终在月球的正面形成了一个呈正三角形的探测网络，不断收集月震波数据。除了等待月球自身发生的地震以外，我们还可以主动制造小规模的地震。在“阿波罗”计划中，就采用过向月球表面扔炸弹、发射导弹的方法制造震动波，再由提前布置好的仪器收集月震波数据，以此分析月球表面下的分层结构。

在我国已执行的探月任务中并未使用月震仪，装备的是更为先进的测月雷达。测月雷达会向地下发射电磁波，再接收地下反射回来的电磁波，像做CT一样对地下的结构进行扫描。“玉兔号”和“玉兔二号”月球车装备的测月雷达可以探测地下数百米的深度，“听”得非常远。而“嫦娥五号”探测器的测月雷达则更注重细节，虽然只能扫描3米深的月壤，却可以分辨出地下几厘米大小的石块，真正做到了明察秋毫。

“神臂通天”

除了“耳聪目明”，执行任务的探测器还拥有“通天神臂”，辅助进行各种各样的探测活动。“嫦娥五号”探测器就有这样一条“神臂”，它的结构和人的手臂相同，分为大臂和小臂，大臂可以在水平垂直两个方向上转动，还可以自由屈伸，实现360°无死角操作。机械臂的末端是“手”（一个圆柱形带盖的取土器），可以铲取月壤。在“嫦娥五号”带回的月壤中，有1500克都是靠这只“手”挖回来的。7年前，它的前辈“玉兔号”月球车也有一条机械臂，被称为“玉兔之手”。但受技术限制，当时“玉兔之手”的大臂仅能进行左右摆动，小臂仅能上下摆动，手臂末端是一台X射线谱仪，用来探测分析月壤的化学成分。

“嫦娥五号”机械臂与表取铲斗（模型）

玉兔号“玉兔之手”

 “勘察者3号”机械臂与铲斗

在20世纪60年代，美国发射的“勘察者3号”和“勘察者7号”两辆月球探测器都是配备有机械臂的，只不过结构是相对原始的菱形，这与我们日常生活中的伸缩门类似，活动能力受到较大的限制。这两辆月球探测器的“手”是貨真价实的挖掘斗，除了可以挖取土壤外，还可以将盖子关闭对土壤进行压实，对抓在手中的土壤进行称重，可谓功能齐全。

“一枪封喉”

传说中的孙悟空拥有火眼金睛，会众多法术，可依旧离不了如意金箍棒。我们的月壤勘探也是如此，除去自身的过硬本领，还需一件趁手的“兵器”——“圆锥贯入仪”。一般来说，圆锥贯入仪呈长枪状，由长柄和圆锥形探头组成。勘探时，将该仪器以一定的速度刺入土壤中，锥形探头内的传感器便会实时记录受到的阻力，以此研究土壤的力学性质。

阿波罗时期的圆锥贯入仪

“月球13号”圆锥贯入仪

“月球车1号”圆锥贯入仪

“月球16号”探测器（左下为取样钻机）

“嫦娥五号”的样品储存“卷香肠”

“阿波罗”月球勘测时代，美国宇航员亲自出马，在月球表面进行了多次试验，其使用的圆锥贯入仪还可以自动记录刺入土壤的深度，便于进一步的计算和分析。由于没有宇航员登月，苏联探月任务中的圆锥贯入仪都是安装在无人探测器上的。受空间限制，仪器并没有那么长的柄，因此缩减了最大测量深度。“月球13号”探测器的圆锥贯入仪为伸缩式，锥形探头起初是缩在短柄内的，在接收到启动指令后，内部的小发动机启动，将锥形探头推入土壤中。“月球车1号”的圆锥贯入仪则经过了进一步设计改进，在锥形探头的两侧加装了叶片，刺入土壤后还可以进行旋转，破坏周围土壤，以获得更多的数据资料。试验完成后，通过铰链将仪器从土壤中拔出，在“月球车1号”行驶到下一个目标位置时，再进行下一次试验。

“探囊取物”

在月球上研究月壤，终归是远距离操控。若想研究得更加透彻，还得练就“探囊取物”的功夫，将深层的月壤带回地球实验室。

具体来说，这项工作是由钻机完成的。钻机由锋利的钻头和钻杆组成，两者均是空心结构。在钻孔过程中，钻头和钻杆高速旋转，同时向下保持着一定的压力，甚至是有规律的冲击。旋转和冲击的同时作用，使钻头接触的月壤逐渐破碎。由于钻头和钻杆都是空心结构的，因此中间会有一部分圆柱形的月壤被完整保留下来，并随着钻头逐渐向下的运动慢慢进入钻杆。钻孔完成后，拆下钻杆并密封，这个包裹着月壤的圆柱形长筒就可以被带回地球了。

在“阿波罗”登月期间，由宇航员手动操作取得了数量可观的圆柱形样品。而在苏联的月球探测任务中，钻机被安装在探测器的一处长杆末端，采样后长杆旋转将样品送到探测器顶部的密封舱中带回，整个过程是由地面控制中心的工作人员远程操控完成的。后续的任务中钻机的设计也得到了改进，增加了一条轨道，可以取回更多的月壤。而我国的“嫦娥五号”探测器的钻机在技术上有了很大的进步，从开始钻孔，控制钻头旋转的速度和力度，到最后圆柱形样品的密封储存，全部由计算机自主控制，使得这项工作变得高效且稳定。在储存方面，传统用来存储土壤样品的钻杆是硬邦邦的长筒，而“嫦娥五号”采用了一个长的软袋子，钻孔结束后，就可以像卷香肠一样盘起来，大大节省了存储所需的空间。

近来，一句“我们的征途是星辰大海”火遍了网络。纵使月球上没有空气、引力过小，极冷极热，环境非常恶劣，也阻挡不了我们心向宇宙、探索未知的热情。对月壤的研究将为未来我们真正踏上月球，甚至在月球居住起到至关重要的推动作用。人类正在运用自己的智慧，创造出一代又一代身怀绝技的探测器，从而揭晓宇宙中无穷无尽的奥秘。