嫦娥五號在月球上「挖土」有多難?鑽鏟挖夾十八般武藝齊上陣

2020-12-04 東方財富網

據新華社報導，記者從國家航天局獲悉，12月1日，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面預選著陸區。成功著陸後，將正式開始持續約2天的月面工作，完成中國首次地外天體無人自動採樣，並帶回約2公斤樣品。

嫦娥五號是迄今為止國內最複雜的太空飛行器，這次無人月面採樣返回從發射入軌到返回再入，共有11個飛行階段，一個又一個難題可謂「步步驚心」。月球表面自動採樣封裝，是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。嫦娥五號如何採集月壤、又有哪些特殊本領將為嫦娥五號探測器的順利「通關」保駕護航呢？

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自動採樣秘笈：鑽取+表取兩種方式

在月球上取樣，說的通俗點，就是在月球上「挖土」。但是，月面環境和我們熟悉的地球大不相同，月球表面白天溫度約180，夜間能達到零下150，晝夜溫差約330，無人採樣器需在150以上的月球表面工作。陌生的環境常常會帶來新鮮感，但對嫦娥五號來說，這種「新鮮感」卻成為無人月面採樣返回要過的第一道坎。

據航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹，考慮到樣品的種類、數量以及月球表面的不確定性，他們設計了鑽取和表取兩種方式，兩種樣品大概比例為1∶3。

怎麼鑽取？彭兢說：「目前有一些科學研究成果表明，月球正面風暴洋北緣的呂姆克山附近區域的平均月壤厚度大約是4米，但這只是統計意義上的概率，困難的地方在於我們去之前並不知道那裡是很堅硬的巖石，還是很鬆軟的月壤。從現在的研究來看，大概率是鬆軟的，現在設計的目標深度是兩米左右。」

由於嫦娥五號本身是由上升器、著陸器、返回器和軌道器四部分共同構成，這個重8.2噸的「大傢伙」自身比較重，也就決定了它沒有機會再攜帶巡視器，相比嫦娥三號和嫦娥四號，嫦娥五號不能再依靠巡視器完成勘探的工作。

彭兢說：「鑽取採樣裝置正下方的點有哪些特性，我們事先並不知道，萬一碰到特別堅硬的巖石，就有可能採不到，當然我們在地面也做了很多工作，某一些堅硬的巖石在特定的條件下，是可以通過鑽頭將堅硬的巖石表面打碎，取得一些顆粒狀的月壤，但是這些有很大的不確定性，這也是我個人認為深空探測裡比較有魅力的地方。」

那麼，表取又是如何進行？對此，科學家們專門為這種採樣方式設置了特定的機械臂。

彭兢表示：「這個機械臂和人手幾乎是一樣的，在末端，就是腕關節上有兩個採樣器。一個採樣器類似於一個鏟子，這個鏟子有點像帶鉤子的鐵鍬，通過接近月面的時候轉動，從月面挖取樣品。」彭兢介紹，在表取時將使用兩種採樣器，除了鏟挖式，還有一種末端為花瓣狀結構的採樣器，它能通過旋轉，破碎掉黏結在一起的月壤，從而獲得相對較深層的樣品。

彭兢說：「現在選定的風暴洋西北部地區帶回來的樣品，跟之前的樣品放在一起，對月球形成演化的過程會有更好的了解。樣品有一定的不確定性，需要等到樣品返回地球之後，在地面開展了相關的研究工作才能知道。」

據國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹，嫦娥五號隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等「神器」，將採取深鑽、淺鑽，以及「鏟土」「挖土」「夾土」等方式，採集約2公斤月壤，取得的樣品將用上升器的密封封裝裝置進行高真空密封，隨後帶回地球。

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對接秘笈：用上「抱爪式」對接機構

之後，嫦娥五號採樣返回的第二道關卡出現了，就是月面起飛。彭兢介紹，從距離地球38萬公裡以外的月面起飛，不確定性非常大，而能否成功起飛也關係到後面交會對接能否順利實現，這一環節是交會對接的起點，需要上升器百分百瞄準交會對接的軌道器。

彭兢說：「這個位置可能會存在一定的偏差，不像在地面表面可以精確到米甚至釐米，在月球上現在的指標可能就是百米這個量級，這些誤差都會影響到入軌的精度。另外，月球的引力場確實和地球有所不同，所以軌道設計要考慮月球引力場的影響。」

成功從月面起飛後，上升器和軌道器開始交會對接，將樣品轉移至返回器中。相比此前，空間實驗室天宮一號採取的是撞擊式交會對接，這一次，按照月球軌道和嫦娥五號的特點，有了全新調整。據航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹，這一次採用了全新、輕型化「抱爪式」對接機構。

查學雷說：「主要的特點是相對很輕，能夠保證月球探測器減重的需求；另外一個特點，與地球軌道上非常不一樣的是，在月球軌道上進行對接，因為距離地球很遠，會有一個時延，對我們是比較大的一個挑戰。」

查學雷介紹，採用輕小型化的抱爪式對接機構，能夠在21秒的時間裡，「穩、準、狠」地完成任務。

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返回秘笈：太空打水漂再入返回地球

與之前不同，這時返回器不但速度快，而且與大氣劇烈摩擦、表面溫度也更高，如何保證順利回到地球？這是無人採樣返回的最後一道關卡。據裴照宇介紹，團隊採用了半彈道彈跳式返回的方式。

裴照宇說：「彈道式就像飛彈，飛彈打到外太空之後再入地球，不再進行升力控制，是靠慣性落到地面，而我們要進行準確的著陸點的控制，採用了半升力控制的方式。」

什麼是跳躍式？就像「打水漂」，相當於返回器要先進一次大氣層，利用大氣層的阻力使它降速，然後再回來；第二次再入大氣的時候，它的速度就會更慢一些適合著陸。

裴照宇表示：「採用跳躍式是為了減少力熱的影響，使得再入的時候更安全，這樣的方式為未來進行技術積累。」

除了通過「打水漂」，科學家們還在返回器材料上做了文章。據航天科技集團五院嫦娥五號探測器返回器副主任設計師劉大海介紹，返回器使用了蜂窩結構的防熱層，約20毫米厚，裡面填充的都是新型耐燒蝕材料。除此之外，在耐高溫發動機以及推進器的控制方面，進行了創新。

（文章來源：封面新聞）

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