嫦娥五號月表挖土有啥難的？難道其他國家不會？

摘要：嫦娥五號成功落月，未來將在月表工作兩天，獲取月壤。嫦娥五號將採用表取和鑽取兩種方式，獲得月球表面和2m深的月球土壤樣本。那麼，表取和鑽取，會遇到哪些困難呢？

1、引言

我國的探月工程始於2004年，制定了「繞、落、回」三步走的戰略。2007年嫦娥一號圓滿完成任務，2012年嫦娥三號成功登陸月球，今天的嫦娥五號將會帶回2kg的月壤。可以說，嫦娥五號為當初制定的探月三步走戰略，即將劃上圓滿的句號。

探月工程

嫦娥五號的工作過程分好幾個階段，從發射胖五開始，經過一系列地月轉移、近月制動、著陸器分離、動力下降、月面工作、上升器月面上升、軌道對接、樣品轉移、上升器分離、軌道器月地轉移、軌道器釋放返回器、返回器再入。每一個階段都困難重重。但是相比於之前的繞和落，月面取壤和返回是嫦娥五號面臨的新的問題。

嫦娥五號工作流程

嫦娥的返回，依靠的是發動機的精確控制，在這方面，我們的技術已經足夠強大了，登月的成功，其實就意味著返回也並沒有太大的難度。這麼看來，月面取壤的工作才是整個嫦娥五號遇到的最新問題。

嫦娥五號的月球取壤工作分兩種方式：表取和鑽取，分別取1.5kg的月球表層的月壤樣本，和取0.5kg的2m深度的月壤樣本。前者依靠鏟子的鏟挖工作就可以獲得，後者依靠鑽頭的鑽入。在這兩種方式的取壤過程中，會遇到哪些問題呢？

2、表取的難點

月壤的表取是採集月球表層的土壤樣本，總共需要採集1.5kg，這一步相對來說較為容易些。月球表層分布著風化以後的巖石塵埃，下圖就是當年阿姆斯特朗的月球腳印，可以看到到處都是灰塵。在地球上，對付灰塵最好的辦法就是吸塵器，不過月球上沒有空氣，吸塵器無法正常工作。所以，鏟子是最佳的工具。我們的嫦娥五號，正是採用挖鏟的方式來獲取表層樣本的。通過鏟，獲取月表的塵埃、浮動的小巖石等。通過挖，獲取淺層的被埋入的月壤樣本。

月表的塵埃

在挖鏟的過程中，會遇到堅硬的大石頭，需要嫦娥預先判斷。一個是通過圖像判斷，如果是個大石頭，就不要去挖了。另一個是通過傳感器，淺層的石頭無法通過圖像識別，當挖掘力太大時，就表示這個地方有石頭，換個位置吧。

根據這個挖鏟的過程，月壤表取的難度並不是太大。真正的難點在於鑽取，這也是預計鑽取的量才0.5kg的一個原因。

3、鑽取的難點

根據工作計劃，鑽取需要鑽入月表2m左右的深度。即使是在地球上，把一個杆子插入2m深也不是簡單的事。洛陽鏟可以深入地下，但是那都是土，相對容易些。但是在月球表面，底下埋的是什麼，我們一無所知。

洛陽鏟

大概率，2m深的月下，是一些巖石，大的小的，都有可能。所以，取樣並不是像洛陽鏟那樣，靠蠻力把洛陽鏟插下去，而是通過鑽頭的旋轉，不斷地破壞可能的巖石，從而減小向下的力。這裡面就有一個關鍵問題：鑽頭。

衝擊鑽

我們日常中接觸最多的就是這種衝擊鑽，這是裝修師傅的必備工具。這種鑽頭用來破除混凝土還行，但是如果破除巖石就必須打上一個問號了？巖石的鑽頭要複雜多了，如下圖這種是地球上用來鑽井的鑽頭。在月面上，必然也是採用類似的鑽頭。

鑽井的過程

地球上，我們會看到裝修師傅在鑽的時候，會給鑽頭噴水。因為在鑽取的過程中，鑽頭與巖石摩擦破壞，會產生大量的熱，而巖石的導熱性能不太好，這些熱量堆積在鑽頭附近，會讓鑽頭溫度急劇升高，這會降低鑽頭的性能。

冷卻液降低鑽頭的溫度

鑽取的過程，其實就是機械行業的鑽削過程，為了保證鑽頭的使用壽命和狀態，長時間工作的鑽頭必須用冷卻液進行降溫冷卻。但是，在月球上哪來的冷卻液。所以，月球的鑽取過程，就是乾乾的鑽削過程。

如果是比較易碎的石頭，鑽取時間就不會太長，那麼可以一次性鑽到底。但是如果遇到堅硬的石頭，問題就來了。鑽削必須依靠一定的鑽速，否則就無法實現破壞效果，這就表明不能通過降低鑽速來降低溫度的提升。那麼唯一的方法就是，工作一會，休息一會，這就延長了鑽取的時間了。

鑽削的有限元仿真

這種工作方式帶來了一個新的問題，究竟工作多久需要休息？我相信，嫦娥工程的設計師們肯定做過這樣的仿真試驗。針對目標月球地區的年輕的玄武巖，根據設計的鑽頭，通過有限元仿真，分析出鑽頭的受力和溫度變化，從而確定鑽頭的溫升時間。另外，月球的玄武巖跟地球的玄武巖力學性能是否一樣，也無從所知，這應該也是本次任務的一個目標。

4、總結

嫦娥五號成功落月，真正的挑戰其實才剛剛開始。月面取壤的過程，會遇到各種各樣的力學難題，等待著嫦娥五號慢慢去攻克。