為了月球這抔土,嫦娥五號有多拼?

12月1日,由航天科技集團研製的嫦娥五號探測器平穩降落月球,啟動鑽頭和鏟子。這一刻,這抔「土」,引來了全世界的關注目光。人類類似的牽掛,發生在44年前。

「壯麗的荒涼」

坑坑窪窪的表面、灰色的主基調、一望無際的荒涼……是普羅大眾通過科幻作品等認識到的月球。

「走在月球表面上,猶如走在一個布滿沙土的運動場上,四周有泛光燈的照耀。」1969年,美國宇航員阿姆斯特朗登上月球後描述道。

為了月球這抔土,嫦娥五號有多拼?

隨後,他的搭檔奧爾德林也踏上了月球表面,將周圍的景象形容為「壯麗的荒涼」。

從 1969年到1972 年,美國共完成6次載人登月,帶回約381千克月球樣品。1970年到1972年間,蘇聯的月球16 號、20號和24 號探測器共取回了約321克月壤和岩心樣本。

「說到月球的特別之處,最容易讓大家想到的就是月球的特殊環境:月球表面幾乎是真空的,還有無處不在的月塵顆粒,大小都有,最小的只有幾個微米,比PM 2.5還要細微。」嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢在公開演講中表示。

與地球上風化剝蝕作用形成的土壤不同,月壤是覆蓋在月球表面的厚層岩屑和玻璃質物質,直徑多小於1厘米。直徑在1厘米以上的月岩,和地球上的火山岩類似,但也存在很大不同。

美國史密森尼國家自然歷史博物館地質學家埃里克·賈文曾撰文表示,來自月球的樣品徹底改變了人類對月球表面性質、月球起源等問題的認知。

1978年中美正式建交前夕,美國總統卡特的安全事務顧問布熱津斯基在訪問中國時,曾向中國贈送了一克月球土壤作為「國禮」。我國將這份月壤一分為二,其中0.5克用於試驗,還有0.5克收藏在北京天文館。月壤之珍貴,可見一斑。

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通過研究月球樣品,科學家還發現其中含有氦-3。氦-3 在地球上的蘊藏量極少,而早期探測結果表明,月球淺層的氦-3 含量多達上百萬噸,足夠解決人類的能源之憂。

「月球樣本採集區域考慮地質現象豐富的地區、成熟月壤區和礦產資源豐富地區, 同時還應考慮安排在過去任務未曾取樣過的區域, 以期獲得新的發現 。」彭兢表示。

最終,嫦娥五號選擇並成功着陸在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。這里地勢平坦,通信條件好,光照和溫度較為理想,且尚未有人類探測器造訪過。

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在這里「挖土」,將大大深化月球成因和演化歷史等科學研究。

「挖土」的兩種姿態

早在2010年嫦娥五號正式立項前,一篇《月球無人采樣返回任務概念構想》的論文就向公眾展示了月球無人采樣的早期構想,從中可以窺見嫦娥五號的路徑選擇。

文章提及,月球表層月壤和月岩外表面物質長期暴露在紫外線和宇宙射線的環境中,受到外空間的風化、氧化作用,某些有價值的信息可能被抹去。因此從科學探測的角度,更希望獲取一定深度的、未受空間環境影響的樣品。

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據嫦娥五號采樣封裝系統主任設計師鄧湘金介紹,研製團隊早期就開展了關鍵技術攻關工作,「瞄準獲得盡可能豐富的月球樣品這一目標,但那時候還是比較籠統,不是特別詳細。」

作為探月三期工程中最核心的一個任務,如何在月球採集到盡可能多的月壤樣本,並且封裝好,是嫦娥五號的研製重點。經過嚴苛的論證,專家決定採取兩種取樣方法。

「一種是鑽取,一種是表取。具體來講,鑽取就是通過空心鑽杆的取芯機構,鑽到月球表面兩米深以下處,得到深層樣品的層理信息。表取就是採用機械臂末端固定鏟挖型采樣器,進行表層和次表層月壤採集,實現多點、多次采樣。」彭兢介紹。

在蘇聯三次無人月球采樣返回任務中, 僅使用了鑽取法,並且執行任務時實際鑽取深度有不確定性。月球16號鑽到了0.35米深處,獲得了101克樣品;月球20號鑽到了0.27米深處,獲得了50克樣品;月球24號鑽到了2.25米深處,獲得了170克樣品。

蘇聯的采樣方式對嫦娥五號任務有着很大的借鑒意義。但它的采樣量非常少,而我們的目標是2公斤。因此,採取鑽取和表取相結合的方式,有利於採集到更多種類和數量的月球樣品。

具體到嫦娥五號任務,有心人會發現,表取采樣裝置和鑽取采樣裝置並不在探測器的同一側,一個在陽面,一個在陰面。這是由月球表面高溫、散熱環境很差等因素決定。

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「執行表取任務時,機械臂活動范圍大,地面人員要看月球表面,於是將采樣裝置設在陽面。而執行鑽取任務時,鑽機在月球表面工作的功率相對比較大,對散熱要求也比較高。為了使鑽機處在相對低的溫度條件下,特意將其部署在陰面。」鄧湘金解釋說。

即便這樣,鑽取采樣裝置的工作環境仍然比較惡劣。在地面上,電機的耐熱極限也就100攝氏度。但嫦娥五號團隊通過集智攻關,研製出了能夠在180攝氏度環境下持續正常工作的耐高溫電機。

此外,月球表面環境復雜,給整個采樣封裝過程帶來了不可預知的風險。「我們必須有一整套適用於月球表面不確定環境的應對方法,提高實戰技能。」鄧湘金說。

一直以來,在唐家嶺的五院月球樓里,一個1:1的嫦娥五號模擬器(包括着陸器和上升器)和飛往月球的嫦娥五號着上組合體遙相呼應,如同孿生姐妹。一支訓練有素的40人地面支持團隊,不斷地進行着實戰「演練」。

鑽土:連走六步 步步驚心

嫦娥五號探測器的鑽取採用原位鑽取的方式,簡單理解就是一直在一個地方往下鑽。月壤特性苛刻,剖面情況復雜,比如一下子碰到石頭,鑽頭是否能夠繼續正常工作等問題都是必須考慮的風險。

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「嫦娥五號非常注重輕量化設計,因此核心單機產品的功耗都不是特別大。但是為了鑽取設備『勁兒『夠大,總體給鑽取裝置配的功率超過1000瓦。相比之下,平常家里鑽水泥牆的鑽機也就300瓦。」鄧湘金做了一個生活化的類比。

五院529廠承擔了嫦娥五號采樣封裝分系統鑽取子系統的研製工作。早在2006年,該廠就啟動了一項課題預先研究。他們整合了機電、復材結構、精密加工與裝調、理化檢測等多專業優勢力量,組建了關鍵技術和產品研發團隊,同時聯合全國36所專業院校協同攻克產品研製難題。

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解鎖、鑽進、取芯、封口、提芯、整形、傳送、避讓,整個鑽取采樣過程動作復雜,目標是實現「鑽得動」、「取得着」、「封得住」「纏得上」「送得進」「展得開」。

為了確保「鑽得動」,鑽機上的鑽頭可謂「百里挑一」。研製團隊通過對比16種設計方案,最終確定雙排鑽牙階梯構型,經過「千錘百煉」,保證鑽進過程順暢可控,具備對8級硬度岩石的鑽進能力。

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「針對不同顆粒度月壤,該設備具有切、撥、擠、排能力,同時還帶有一定沖擊功能,里邊有一個裝置能反復捶打,把過於緊密排列的月壤震松後再讓下鑽」五院529廠研究員賴小明介紹,鑽取子系統經歷了五六百次地面鑽取試驗,形成了不同工況的鑽取參數數據庫,對不同工況的月壤,可以適應不同工況的月壤環境。

在此過程中,聰明的設計師創新出一種「雙管單袋」的鑽進取芯方案。其中的「單袋」,也叫取芯軟袋,是此次鑽取采樣過程中的一大亮點。這個由凱夫拉高分子纖維做成的黃色一體化編織軟袋,被反套在取芯管外壁。

鑽取到的月球樣品,進了取芯管後,取芯軟袋拉繩隨之上提,樣品就被自動裝進了軟袋。由於質地柔軟,軟袋很方便地進行纏繞封裝,再放入初級封裝裝置內。

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為保證取得的樣品在提芯的過程中不發生掉落,設計師們採用了開放式構型的「8字型」超彈性合金絲作為封口方案,與取芯軟袋末端進行一體化縫合,依靠彈性收縮力來實現對軟袋的封口。

封口器採用扭轉密閉式結構,並進行大應變材料設計,具有低力載、高可靠的特點,實現簡單可靠的封口。

12月2日4時53分,經過3個多小時的持續作業,嫦娥五號鑽取子系統不辱使命,順利完成鑽取采樣任務。

鏟土:3.7米長機械臂與精密「小罐子」

嫦娥五號抵達月面以後,着陸器上的雙目相機進行成像,展現出一個需要采樣區域的地理信息。利用虛擬現實技術,地面團隊造出一個與月球表面高度相似的地形。

選定目標點後,再把這些信息載入到系統里面,生成控制指令。然後,機械臂開始工作,完成一系列采樣的動作,把樣品送到初級封裝容器中去。

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這是嫦娥五號采樣封裝分系統表取子系統的工作過程。五院總體部承擔了該系統的研製工作。

其中,用於表取采樣的機械臂非常搶眼,臂杆長3.7米,由數十個關節組成,采樣范圍在120度七八個平米。

「關節數量的設定主要根據任務需求。關節多會更加靈活,但控制起來也比較復雜,重量也會相應增大;關節太少,則可能完不成任務。」采樣封裝分系統主管設計師姚猛介紹。

在機械臂的設計過程中,鄧湘金認為,「最大的困難就是來自重量資源方面的約束。對航天人來講,這是件比天還大的事情。」

「臂杆很長,在受力條件下要保持一定的剛性,還必須比較輕。這就是一個很大的矛盾。為此,我們做了很多基礎性的研究,比如採用了既輕又剛的晶須型鋁基碳化硅材料。」采樣封裝分系統副主任設計師金晟毅說,研製團隊對機械臂不同部位使用不同的材質,從而讓整個設備實現減重。

機械臂末端的采樣器是一個重要部件, 直接負責對指定點的月壤進行採集。值得注意的是,嫦娥五號采樣機械臂上有兩個采樣器:甲和乙。

采樣器甲是類似於一個鏟挖式的采樣器,選擇合適的角度可以挖到更多的土;采樣器乙是類似於一個旋挖式的采樣器,雖然操作更簡單,但挖土量相對較少。

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這是研製團隊在充分考慮不同情況下設計的異構產品。采樣封裝分系統副主任設計師鄭艷紅告訴記者,采樣順利的話,全部都用采樣器甲。只有當着陸器所在的地方變化起伏很大的時候,比如各種坑窪和坡度,才會啟用采樣器乙。

除了機械臂,在鏟土環節,表取的初級封裝裝置也非常關鍵。它就像一個「小罐子」一樣,巧妙地擱在着陸器里,用來盛放採集到的月球樣品。

「這也是當時綜合很多因素選的一種最優方案。要是把它放在別的位置上,可能不容易把土擱進去,或者可能妨礙到別的產品工作。」姚猛說道。

事實上,表取的初級封裝裝置並非僅僅是一個容器,里面還有很復雜的傳動機構。該裝置雖然只有2個電機,但可以完成22個復雜動作。

由於着陸區域條件較好,嫦娥五號的采樣工作比預計得順利很多,僅用了19個小時提前完成月球表面自動采樣任務。

滿載而歸的嫦娥五號上升器,靜靜地佇立在着陸器上,等候着月面起飛時刻的到來。

來源:cnBeta