月球与深空探测样品标准群规划探究

2022-12-02孙丛林杨瑞洪王磊

航天标准化 2022年3期

孙丛林杨瑞洪王磊

（1北京空间科技信息研究所，北京， 100086；2探月与航天工程中心，北京， 100190）

月球蕴藏有丰富的矿产资源和能源，能为人类社会的可持续发展提供充足的资源储备。除此之外，月球与深空探测可揭示太阳系乃至宇宙的起源、演变，因此对月球与深空探测样品（以下简称“样品”）的研究至关重要。继美国“Apollo”任务与前苏联“Luna”任务之后，我国通过嫦娥五号实现了带样返回，并对样品开展了一系列研究。

在样品的处理、贮存、应用等各阶段，需要国内各单位的参与。而目前国内尚未有针对样品的相关标准，不利于规范其分发管理、研究、应用等过程。除此之外，开展样品标准研究，能够为深空领域国际合作研究提供前提和有力保障，是深化月球与深空探测标准化工作的必然选择和有益探索。为最大程度发挥样品的科学价值和社会效益、加快月球与深空探测标准化进程，有必要开展样品标准研究，对标准群进行规划。

1 样品标准需求分析

对样品标准，可从技术和管理2个维度进行分析和规划。技术维度可按照样品的获取、处理、贮存、制备、研究与应用等阶段进行划分；管理维度主要指样品返回地面后的综合管理。综合考虑上述划分，需要对各阶段技术及样品管理方法进行研究分析，以确定样品标准需求。

1.1 样品的获取

样品的获取包含采集、封装和转移。

样品采集方式分为深层采样和浅层采样。在深层采样中，相较于人工钻取采样，无人自主钻取采样所需的火箭运载能力小，是目前多数国家样品采集的重要手段；浅层采样的方案较为灵活，包括挖取、钳取等方式。

样品封装技术包括密封和自动开合、锁紧。对于样品容器的密封，目前有橡胶材料密封、刀口挤压铟银合金密封、爆炸焊接密封、钎焊焊接密封等多种技术，几种技术可单独或综合用于密封；为实现封装容器的自动开合／锁紧，需对驱动机构、传动机构、火工品等系统进行一体化设计[1]。

转移是指采样完成后，上升器携带样品容器起飞，经远程控制进入环月轨道，与轨返组合体进行交会对接，将样品容器传送至轨返组合体返回舱。此步骤可采取仿Luna 16的螺旋传动机构、四连杆式转移机构、类“锥—杆”式转移机构、喷气式机构等多种机构实现。

1.2 样品的处理

样品返回地面即开始处理流程，包括解封、分类编号、初步分析。

解封：样品返回地球后，应将封装装置放置到具备真空/氮气系统的转运箱中进行转运，在专用解封操作台上进行解封。为此，应充分考虑材料、外形、重量、功能、安全等因素，准备满足要求的转运箱、操作台等设备。

分类编号：对原始样品及样品分类和处理后的所有子样品，均应进行编号处理并保存于数据库，为此应制定适当的编号规则[2]。编号应当反映相关样品的类型，如未过滤土壤、筛分粒级或岩石，还应包含样品的地理位置粗略信息等。

初步分析：月球及深空探测样品获得后需要先进行初步物理和化学等测试，以便用于后期的精细研究和贮存。需进行的初步分析实验包括物理实验、化学实验、气体分析实验和其他实验等[3]。

1.3 样品的制备

基于分析测试的特点和要求，地面应用系统用于分析测试及展示的月球样品以常规分析为主，且制备过程有破坏性。针对主要的分析测试种类，样品的制备技术主要包括单颗粒样品挑选、结构与物质成分分析样品制备、光谱分析样品制备、工程展示样品制备等。

1.4 样品的贮存

样品的贮存总体要求为避免样品被污染。对月球及深空探测样品的贮存，可按照原始样品长期和临时贮存、原始样品异地备份、科学研究样品贮存分类管理，并充分考虑贮存环境、人员及装置等要求。

1.5 样品的研究与应用

初步分析完成后，科研人员对样品进行进一步研究，包括热学性质分析、分子结构分析、原位微区分析、制备模拟月壤和月尘等。样品可应用于公益活动，包括展览、科普、教育，还可用于国际合作等。

1.6 样品的管理

对样品应当制定严格的管理措施，以保证有限资源的合理和充分利用。为此，应对样品管理机构及职责、分类与处理及信息发布、借用与分发、使用和归还、成果管理等作出详细规定。

在样品技术及管理上，存在着诸多研究需求。伴随嫦娥五号实现采样返回，部分技术（如获取）已得到验证，另有其他技术（如处理、制备、贮存等）和管理也在探索中。为固化成功经验、统一差异，实现样品的合理应用与协调发展，样品各阶段技术及管理均存在标准需求。

2 样品国内外相关标准适用性分析

2.1 国内相关标准化组织及标准

在月球及深空探测样品方面，国内尚未有完全对应的标准化组织。与之相关的标准化组织有全国国土资源标准化技术委员会（TC 93）和空间科学及其应用标准化技术委员会（TC 312）。前者主要负责全国地质矿产与土地资源领域的标准化工作，其制定的与月球和深空探测样品相关标准多为分类与命名以及元素分析方法；后者专业范围为空间科学术语、符号和代号、空间科学及其应用等，其制定的与月球和深空探测样品相关标准大多面向空间材料科学实验样品、月球地理空间。

月球与地球表面的大气压力和成分等存在巨大差异，月球样品一旦接触地球大气，就会失去原有特性从而降低研究价值[3]，因此地质样品的分类命名、分析方法以及空间实验样品相关的标准并不完全适用于月球与深空探测样品。

GB/T 30112《月球空间坐标系》规定了月球探测及其数据处理的坐标系。该标准连同在编的《月球中文地名与代码》等国家标准，可供月球与深空探测样品分类命名等标准引用或参考。

2.2 国外相关标准

目前可调研到的国外标准化文件仅有美国约翰逊航天中心制定的《月球样品分配指南》，该指南是供月球样品研究人员和潜在研究人员使用的参考资料，介绍了样品分配的具体流程和要求，以及可以支持月球样品研究人员工作的月球样品管理和其他设施。《月球样品分配指南》共分为7个章节：获取月球样品、月球样品责任和安全、样品分配、样品使用准则、处理包装和远程存放月球样品、样品管理设施、月球信息源。该指南在月球样品的获取、管理、贮存和使用等方面做出了明确的规定。

3 样品标准群规划设计

3.1 样品标准群规划原则

样品标准群的设计，应遵循以下原则：①继承性：充分继承现有样品各级标准和文件建设成果，以及月球与深空探测标准体系建设的总体思路。②特色性：突出样品的特有技术与管理要求，通用的样品检验、化学分析方法等内容一般不纳入本标准群，在样品研究与应用中，尽量选用适用的通用标准。③先进性：考虑未来5年样品的获取、处理、储存与应用，构建既能满足当前需求又能指引未来5年标准建设的标准体群。④全面性：覆盖样品全生命周期的管理、研究与应用工作，是样品特色标准的最小集合，是该领域标准建设的顶层指导。

3.2 样品标准群总体设计

根据标准需求及国内外标准适用性分析，样品标准群横向可分为2个维度：管理标准和技术标准；纵向可分为2个层次：顶层要求类标准和支撑类标准。对于技术标准的支撑类标准，可进一步按照阶段，划分为获取、处理、制备、贮存、研究和应用几个分支，如图1所示。

图1 样品标准群框架

在该标准群框架中，为能够体现我国样品管理特点，在管理标准中重点纳入《月球与深空探测样品管理要求》及其他要求，内容覆盖样品管理模式、机构、处理、分类及信息发布、借用与分发、使用和归还、成果管理等；技术标准重点纳入能够体现样品的获取、密封、转移、贮存、处理、制备、研究、应用等各方面关键技术的标准项目。

3.3 样品标准清单

根据标准群框架对标准项目进行规划，得到样品标准清单见表1。

表1 样品标准清单

对《月球与深空探测样品管理要求》等4项管理子体系下的标准项目和《月球与深空探测样品国际合作要求》，建议作为CNSA标准（即中国航天标准），以英文版形式对外发布[4]，以支撑我国在月球与深空探测领域的国际合作；对《月球与深空探测样品教育及展览展示要求》，建议作为国家标准发布，以推广样品在教育等公益活动方面的应用，充分发挥其社会效益；对《月球与深空探测样品分析方法》，建议作为行业标准发布，以规范各方对样品的研究和应用程序，提高效率、减少损失、增加产出；对《月球与深空探测样品采集要求》等其余标准项目，建议作为探月工程专项标准发布，供参与探月工程的单位和人员应用，保证样品在获取、处理、制备、贮存等方面的规范性、统一性。

3.4 目前急需制定的标准

2020年我国实现采样返回，部分机构已开展了样品相关研究。根据标准急用先行的原则，建议将《月球与深空探测样品管理要求》等4项管理子体系下的标准项目及《月球与深空探测样品贮存要求》作为优先制定的标准。

《月球与深空探测样品管理要求》为管理子体系的顶层标准，该标准与《月球与深空探测样品分类及命名要求》《月球与深空探测样品信息公开要求》《月球与深空探测样品成果管理要求》等3项管理标准共同构成样品管理的理论框架。由于我国与月球样品相关的各类活动已经展开，急需在顶层研究如何对样品进行系统性管理，以规范、指导样品的分类及信息发布、借用与分发、使用和归还、成果管理、安全管理、国际合作等活动，保证样品在受控前提下有序应用，实现效益最大化。

《月球与深空探测样品贮存要求》是技术子体系“贮存”分支下的标准，该标准规定了样品贮存的环境、人员、装置和技术要求。为保护样品不被污染、保持样品的原有属性，最大限度保留其研究应用的价值，有必要规范样品贮存要求，尽快制定相关标准。