“嫦娥五号”：表钻结合 多点采样

文/ 张雪松

作为中国探月工程“绕落回”三步走中的收官之战，2020年12月17日凌晨，“嫦娥五号”返回器携带重1731克的月壤样品成功降落在内蒙古四子王旗的预定着陆场，宣告“嫦娥五号”月球采样返回任务获得圆满成功，这些月壤还将在科研领域为人类更深入地了解月球提供重要依据。

▲ “嫦娥五号”上升器从月面起飞示意图

▲ “嫦娥五号”采样装置

难度巨大的月球采样返回

月球是距离我们最近的天体，目前美国通过阿波罗载人登月计划的6次登月总共采集了重约382 千克的月球表面物质样本，但累计投入高达194亿美元。苏联发射11 次月球无人采样返回探测器的预算要少得多，但只有3次任务成功采样返回，总计采集了326克月球样品，费效比就差多了。毫不夸张地说，月球采样返回是目前难度最大的深空探测任务之一。“嫦娥五号”探测器为了实现采集2 千克月球样品返回地球的任务目标，不仅发射质量高达8.2吨，远高于苏联的“月球24 号”等采样返回探测器，而且探测器分为轨道器、返回器、着陆器和上升器四个部分，可以说是一次无人版的迷你阿波罗登月，它是我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程。

“嫦娥五号”返回器首次实现了我国地外天体的采样返回，标志着中国突破了地外天体的采样封装和转移技术，我国从此成为世界上第三个突破月球采样返回技术的国家。作为1976年苏联“月球24 号”以后，44年来人类第一次月球采样返回，“嫦娥五号”的采样返回技术也有着自己独到的特点。

月球采样多手准备

2011年“嫦娥五号”探测器正式立项，但早在2009年“嫦娥五号”论证阶段，哈工大邓宗全教授就主持论证，确立了月面钻-表复合式采样封装方案，这在国际上也是一个创举。2010年《航天器工程》发表的《月球无人采样返回任务概念构想》一文中，也对“嫦娥五号”的采样封装技术做了分析，公开了表钻结合的采样方式。2011年到2013年邓宗全教授牵头，和中国空间技术研究院等单位合作，完成了钻取采样关键技术原理样机和采样封装集成验证的攻关，奠定了“嫦娥五号”采样技术的基础。

月球表面的样品大致可以分为月壤和月岩两类，考虑月球表面物质暴露在外，受到太阳辐射和宇宙射线的作用，从科学探测角度出发，需要获取一定深度并未受到空间环境影响的样品。月球钻取采样存在很大的不确定性，比如苏联完全依靠钻取方式获得月球样品，但3 次成功返回的月球采样任务中，“月球16 号”和“月球20 号”的钻机都碰到了高密实度月壤或高硬质岩石，只分别钻到0.35 米和0.27 米深处，即使是倾斜钻到2.25 米深度的“月球24 号”探测器，也在复杂的月壤中遇到多次停钻的情况，钻取深度和取样质量也不及预期。

综合考虑各方面技术因素，月球采样最好同时采集表面和深层的样品。据“嫦娥五号”副总师彭兢介绍，“嫦娥五号”探测器设计了转机钻取采样和机械臂表层取土两种模式，钻取就是使用空心钻机获得月面下的月壤样品，表层取土使用机械臂在末端采样器支持下，在临近着陆器的月面进行多点采样。“嫦娥五号”独特的表钻结合、多点采样的方式，不仅能采集到更多的月球样品，而且使月球样品类型更丰富。

▲ “嫦娥五号”的落区

▲ “嫦娥五号”的样品容器

▲ “嫦娥五号”取样示意图

中国航天人还进行了大量地面分析设计和试验，科研人员综合国内外对月壤的研究认识，研制了超过30 种模拟月壤，制造了1：1 全尺寸的着陆上升器模拟器，在实验场模拟着陆器在各种不同倾斜状态和光照条件下，以及月尘、高温和振动等各种苛刻环境下的采样过程。科研人员还根据“嫦娥五号”着陆传回的数据，发送指令前先在地面进行模拟采样，为月面采样决策和操作提供依据。他们还设计了预编程、半自主和遥控3 种工作模式，确保采样工作的顺利完成。

钻取如啃硬骨头

2020年12月1日23 时，“嫦娥五号”成功降落到月球表面，随后进行展开太阳翼和机构解锁等准备工作。自动采样是“嫦娥五号”任务的核心环节之一，“嫦娥五号”研制过程中就确定了先钻后表、器地协同的工作程序，首先进行的是使用钻机的钻取采样。月面钻取采样难度和风险很大，据美苏实际钻取经验，月壤深度超过0.3 米时密实度急剧提高到92%，这也是苏联“月球16 号”和“月球20 号”，以及美国“阿波罗15 号”钻取不尽人意的最重要原因。

“嫦娥五号”没有携带巡视器，着陆后不能移动，钻取采样也只能是原位钻取。轨道器遥感探测无助于判断着陆区的地质结构，着陆器落月后钻取采样装置正下面的月面，既可能是相对松软的月壤，也可能是坚硬的月岩，钻取采样是货真价实的一锤子买卖。苏联“月球16 号”和“月球20 号”半途而废的钻取过程说明，面对高硬度月岩时“钻得动”对钻取采样至关重要。“嫦娥五号”探测器虽然尽量采用轻量化设计，限制各个分系统的功耗，但钻机设计却大相径庭，这个钻机的功率居然超过1000 瓦，大功率的钻机有利于突破可能的坚硬月岩。钻机的钻头也进行了精心的设计，设计者对比了16 种不同的设计方案后，确定了双排钻牙阶梯构型的钻头。“嫦娥五号”精心设计百里挑一的钻头，使用特殊的材料和构型，具备钻进8级硬度岩石的能力。要知道，坚硬的石英石莫氏硬度也只有7 级，8级就是不太常见的黄玉了，而比它们更硬的是9 级的刚玉和10 级的金刚石。

“嫦娥五号”的钻机要钻得动，还要考虑环境因素。我们地面常见钻机耐热也就到100 摄氏度左右，但月球白昼受阳光直射，月面温度轻松突破100度。钻机研制团队经过努力攻关，研制了能在180 摄氏度下正常工作的特种钻机。然而，1000 瓦大功率的钻机如果遇到高硬度的月岩，钻取满负荷工作时温度肯定不低。“嫦娥五号”降落时精心选择了姿态，钻机布置在探测器的阴面，这样钻机不用面对阳光直射，环境温度相对较低，有利于钻取时的散热和钻取采样工作的完成。另外，我国科研人员还提出了密实度分类感知算法，通过传感器感知月壤密实度，智能调整钻机旋转速度和钻进速度，避免发生卡钻现象。

▲ “嫦娥五号”钻取采样

▲ “嫦娥五号”样品封装

▲ “嫦娥五号”钻取示意图

嫦娥五号探测器为钻取采样进行了精心和充分的准备。科研人员使用各种模拟月壤在地面进行了五六百次钻取试验，模拟显示钻机能适应不同的月壤环境，并且吸取美国尤其是苏联的教训，专门研制了大功率能钻进8 级硬度岩石的钻机。最终“嫦娥五号”钻取虽然遭遇困难，但获得成功。

表层采样灵巧功成

无论是“月球16 号”和“月球20 号”还是“月球24 号”，钻取采样都遇到了各种问题，美国阿波罗登月的历次钻取也不尽人意，即使是我们精心设计的“嫦娥五号”，也遇到了月壤下坚硬岩石层，导致实际采样不及预期。美国阿波罗登月中航天员从月球表面获取了大量样品，而我国的“嫦娥五号”也通过表层取土，多点采样获得了大量月壤样品。

深层月壤密实度的急剧提高，和月壤下的岩石层构成了钻取采样的拦路虎，但月壤表层并没有那么密实，换句话说表层取土的难度要低得多。嫦娥五号探测器的表层取土采用器地协同方式，探测器“慧眼”获得地形信息发回地球，地面团队用虚拟现实技术造出和月球表面相同的地形，地面实验场中的模拟器根据这些信息生成表层采样控制指令，控制机械臂工作进行采样，地面通过模拟验证后，再把控制指令发往月球，控制月面的“嫦娥五号”进行实际采样动作。

▲ “嫦娥五号”月表取样（一）

▲ “嫦娥五号”月表取样（二）

“嫦娥五号”表层采样使用臂杆长3.7 米、多个关节组成的灵巧机械臂。它安装在着陆器的阳面，不仅避免了和钻取采样装置抢位置，阳面光照条件也有利于地面人员观察月球表面，更好地进行采样决策。采样机械臂张角范围可达120 度，覆盖范围有7~8 平方米，不同于钻机对重量限制不大，采样机械臂设计上要尽量追求轻量化，要在月面高温作业环境下满足机械臂对轻质量、高强度、高刚度和耐热的苛刻要求，研制难度也相当不小。机械臂使用重量轻刚度高的晶须型铝基碳化硅材料，不同部位还根据需求使用不同材质，进一步实现了减重。

为了尽可能应对不同情况，“嫦娥五号”采样机械臂上还设计了两个采样器，采样器甲是铲挖式，而采样器乙是旋挖式。采样器甲挖土量更大，而采样器乙挖土能力更强。正常情况下只使用采样器甲，如果落区地形起伏太大就要用到采样器乙。“嫦娥五号”于2020年12月2日22 时完成了整个自动采样任务，全程历时约19 个小时。依靠灵活智能的“慧眼”和机械臂，加上着陆区的地形条件不错，在地面人员的精心控制下，原定15 次取土实际只用了12 次就装满1500 克月壤表层样本，表取采样大获成功。★