「胖五」送「嫦五」 「奔月」採樣去|我國首次,510所擔綱嫦娥五號...

探月工程，是繼人造地球衛星、載人航天飛行取得成功之後祖國航天事業發展的又一座裡程碑，開啟了中國人走向深空探索宇宙奧秘的時代。11月24日4時30分，嫦娥五號探測器搭乘「胖五」長徵五號遙五運載火箭，在海南文昌衛星發射中心順利發射升空。嫦娥五號任務是我國首個月面採樣返回任務，也是我國探月工程「繞、落、回」三步走戰略規劃中至關重要的一步，計劃實現月面自動採樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究，是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一，將為後續月球及深空探測等任務奠定科學和工程基礎。如果成功，我國將成為人類歷史上第三個獲取月球樣本的國家，相比最近的前蘇聯1976年月球24號採樣返回任務，時隔44年。

「嫦五」落月之後採樣封裝並在其後成功返回地球這一核心任務的成敗，與地處祖國西部蘭州的中國航天科技集團有限公司五院510研究所（即「510所」）密不可分。「由510所特種設計研製的月球樣品鑽取和表取設備，將在著陸後對月球表面及其下部的深層結構物質進行取樣，取樣後嚴密封裝進510所特殊設計的一個封裝容器，然後返回地面。」國家探月工程中心專家、嫦娥五號飛控專家組專家、510所探月工程技術總負責人王先榮研究員，向記者揭秘了由510所獨立設計研製的「嫦五」核心裝置——月球樣品密封封裝子系統、返回地球之後的月球樣品解封分裝操作臺為代表的510所「嫦五」家族。除「嫦五」核心裝置外，「嫦五」還搭載了由510所研製的月塵帶電及著陸器無損探傷測量儀兩部科學與工程載荷，以及曾在其他型號任務中使用且進行了優化提升的國際救援示位標、貯箱、電源等其他產品，總計27臺/套；另有60平方米高透明導電聚醯亞胺鍍鋁二次表面鏡，以及活動件潤滑機構1920件等。

「回」不是「空手回」，要帶月球物質「回家」

2004年，我國探月工程立項實施。嫦娥一號至嫦娥四號任務，已圓滿完成我國探月工程「繞、落、回」三步走戰略規劃的前兩步。

月塵帶電測量儀研製現場

「探月三期『回』以嫦娥五號作為重要且唯一的表徵，它不僅要在探月一期、二期的基礎上落回到月球表面進行科學和深空的探測，它的核心特徵、也是與探月一期、二期任務的最大區別，所謂『回』不是『空手而回』，而是要帶著月球的物質回來。」王先榮儒雅從容，提及迄今為止，國外只有美國和前蘇聯實現了月球樣品的採樣返回，美國是在載人條件下進行的，而「我國嫦娥五號任務的難點和技術突破，在於完全依靠獨立創新設計的裝備在月表進行月球樣品採集、封裝，並由月面發射到月球軌道，再由月球軌道返回地月軌道、地球軌道，並最終回到地球。」「嫦五」任務包含運載發射、地月轉移、近月制動、環月飛行、月面下降、月面採樣、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移、軌道分離、再入回收等12個部分。它有望實現我國航天史上的四個「首次」，首次在月球表面自動採樣、首次從月面起飛、首次在月球軌道進行無人交會對接、首次帶月球物質以接近第二宇宙速度返回地球。510所承擔的恰是最為核心、艱巨的「首次在月球表面自動採樣」任務，與其他三大「首次」任務密切相關。

月球樣品密封封裝子系統

王先榮告訴記者，嫦娥五號是一個龐大的空間結構體系，由探測器、上升器、軌道器和返回器「四器」組成。探測器著陸於月球表面，在月表實施空間、深空、月表探測，以及其他科學載荷的探測，同時還將實施核心的月表取樣任務。之後，將封裝完畢的月樣置入上升器，然後通過獨立設計的發射裝置，將上升器再次發射，推到月球軌道上，擇機與在月球軌道上等待的軌道器及與之捆綁的返回器交會對接。其後，上升器內取到的樣品及封裝裝置會被反推入返回器。最終只有返回器返回地球，實現月球取樣返回。

著陸器無損探傷測量儀

「想像一下，如此龐大的『四器』構成的飛行器，一定是一個龐大的質量體系。要將其發射到38萬公裡之外的地外天體月球，一定得是推力充分的火箭，這是嫦娥五號任務的第一大難點。」王先榮接連講到「嫦五」任務的9大難點。除火箭推力問題，其二，是中途多次軌道修正。其三，要在月球南緯45度左右，找到一個合適的落月位置。其四，「鑽取和表取裝置能不能在月球開展有效的工作？」王先榮說，迄今人類對月球的了解仍非常有限，到底表面是月塵還是還有其他什麼，鑽取的時候能不能鑽得動，碰到的是巖石還是極其堅硬的別的物質……都是未知數。其五，封裝裝置怎麼能夠保證不改變月樣的物理性質和化學性質，在保持它原有的物性的情況下，把它嚴絲合縫地封裝起來。其六，月面的再發射尚屬首次。其七，月球軌道上的交會對接也是第一次。其八，再度進入月地軌道。再入大氣層。其九，回收。」這些技術難點的解決，彰顯了我們國家技術的先進性。」

月球樣品密封封裝子系統國際領先，亦將應用於未來小行星、火星和其他深空探測任務

「月球引力只有地球的1/6，在這種環境下，著陸器如何鑽孔、鏟挖，能不能順利把樣品封裝進上升器，以前沒做過。」王先榮說。

月塵帶電測量儀

由510所獨立研製的「嫦娥五號月球樣品密封封裝子系統」由探測器帶上月表，將對採集到的月壤和月巖進行自動封裝，保證月球樣品在返回地面的過程中不受汙染，維持樣品的原始狀態，充分保留其科研價值。「這次月球取樣包括鑽取和表取樣品將達2公斤。我們的裝置成功了，嫦娥五號任務就成功了；我們的裝置失敗了，嫦娥五號任務就失敗了。所以我們510所嫦娥團隊在過去的7年中承擔著重要的責任，同時也承受了巨大的壓力。」

由於採樣是在無人條件下通過設備自主動作完成的，難度巨大，需要攻克的關鍵技術更多。首先要實現月表環境下的蓋體自動開合升降，由於對裝置重量和尺寸的嚴格限制，蓋體的上升、旋轉和下降等開關蓋動作只能使用一套電機組件驅動，運動機構複雜。為保證機構的可靠性，研製團隊在多年的研製過程中反覆進行各種工況下的開合試驗，模擬裝置傾斜狀態下的極限拉偏試驗，將裝置在月面可能出現的所有工況都進行了試驗。在能夠保證正常開關蓋的同時，要實現月面極高、低溫和月塵環境幹擾下的高真空密封，研製團隊通過不斷的摸索，最終確定了橡膠圈密封和金屬擠壓密封相結合的冗餘密封技術，在反覆試驗、設計更改、再試驗的過程中確立了最優的密封結構，結合火工鎖緊機構實現了蓋體密封和鎖定。保證裝置在發射上升入軌後隨返回器重返地球的過程中經歷嚴苛的振動和衝擊等力學環境後仍能實現有效密封，保證月球樣品的成分不發生物理與化學變化並維持月表原態。

510所依託深厚的科學研究與工程研製基礎，在國內首次研製了基於金屬擠壓密封原理的月球樣品密封裝置。產品突破了「極高真空樣品密封技術」、「月表真空、帶電月塵、高低溫綜合環境地面驗證」等關鍵核心技術，使得裝置性能指標達到國際先進水平。在未來我國深空探測工程中，此次設計的月球樣品密封裝置還可用於後續探測工程樣品採集返回，如月球極區水冰採樣返回任務、小行星採樣返回任務、火星採樣返回任務等。

月球樣品解封分裝操作臺已交付國家天文臺

「月球樣品採集成功來到地球後，如何在地面環境下打開在10的負11次方Pa那樣一個極高真空環境下封裝起來的封裝裝置，並將月球樣品轉移到可進行人工操作的艙內？」王先榮說，這就要用到510所研製的「嫦娥五號月球樣品解封分裝操作臺」。該裝置已交付國家天文臺，是我國探月三期月球樣品地面應用系統的核心裝置，能夠在真空環境下對返回地面後的月球採樣封裝裝置進行解封及收集月球樣品釋放的稀有氣體，並在高純氮氣環境下對月球樣品進行收集、登記、切割、描述等處理，最大限度保證月球樣品儘可能少受地球外部環境的影響，避免月球樣品氧化和汙染，滿足深空探測任務中地外天體樣品密封容器解封、處理和保存等需求。

該產品創新性地提出了分艙段進行月球樣品解封及處理的方案，解決了樣品密封裝置解封時內外壓差過大及真空環境下無法操作處理樣品的難題，實現了真空環境下月球樣品密封封裝裝置的解封及高純氮氣環境下月球樣品的操作和處理。針對微量月球樣品釋放稀有氣體難以採集的技術難點，設計了氣體採集裝置，實現了月球樣品釋放稀有氣體採集及成分分析，解決了月球樣品釋放氣體採集的難題。設計了自動解封機構，通過一套機構實現旋轉解除樣品密封、直線提升打通月球樣品初級封裝容器等多個動作，具有自動定位、自動解封的創新功能。

月塵帶電測量儀將實現人類首次對月塵帶電的直接測量

「兩項核心裝置而外，嫦娥五號探測器上還搭載了510所兩個新的科學載荷——嫦娥五號月塵帶電測量儀和嫦娥五號著陸器無損探傷測量儀。」王先榮說。

距離地球三十八萬公裡的月球上存在著塵土，叫做月塵，這些塵土可能在微流星和人類活動的情況下被激起而四散飛揚。510所為嫦娥三號研製的月塵測量儀採用了高靈敏和大量程傳感器組合式的探測方法，可以測量著陸過程和自然狀態下月塵累積質量。而在嫦娥五號項目中，為了進一步了解月塵的特性，設計研製了測量懸浮月塵帶電的科學載荷裝置。

月塵是月面環境中最重要的空間存在與環境因素，它的懸浮和輸運會對太空飛行器探測載荷以及太空人健康造成直接影響與危害，密切關係著航天探測科學目標的實現乃至整個探測任務的成敗，而月塵帶電被認為是使其懸浮和輸運的重要因素。

月塵帶電測量儀由兩套相同的測量探頭組成，月塵帶電測量探頭是嫦娥五號著陸器工程參數測量分系統的一部分，它能夠對月球表面由自然環境影響引起的月塵帶電特性進行測量。每套探頭又分別由一組阻滯柵網（阻滯勢分析儀）和一臺微質量天平（粘性石英晶體微量天平）組成。阻滯柵網像扇門，在一定時候，只有滿足一定條件的「月塵」才可以通過，這個條件就和月塵的帶電量有關（荷質比）。柵網下方是一個由粘性薄膜和石英晶片組成的微質量天平，它相當於月塵顆粒的「體重秤」，這是目前最靈敏的「秤」，甚至可以測到納克級的質量。當通過柵網的月塵顆粒被粘性膜「粘住」後，這些顆粒的質量就被稱量出來了。於是，通過設置不同的「門檻」，不同帶電量的月塵就被測量出來了。月塵帶電測量探頭獲取的月塵相關特性數據可為後續載人登月的月塵防護和清除提供設計依據，具有重要的工程應用價值。

510所月塵帶電測量儀將被安裝在嫦娥五號著陸器的頂部，這將是自美國阿波羅計劃以來，人類第一次對月球表面的塵埃帶電進行直接測量。

著陸器無損探傷測量儀為著陸器「驗傷」

嫦娥五號著陸器無損探傷測量儀是在著陸器著陸時，用來檢測與力學支撐結構連接處受衝擊產生的損傷狀況的儀器設備。該設備可以為地面環境試驗提供在軌數據，並為後續月球登陸提供設計優化支持。

在航天這種對產品可靠性要求極高的特殊領域，無損檢測與評價技術水平在一定程度上反映了國家太空飛行器的技術發展水平。目前國際上公認的適合空間應用的無損檢測方法主要包括電渦流無損檢測方法、電磁超聲無損檢測方法和目視法三種方法，其中電渦流無損檢測技術發展最為成熟。510所嫦娥五號著陸器無損探傷測量儀採用的是脈衝電渦流無損檢測技術，根據任務目標，探頭的工作實際上分為在軌測量和地面數據處理應用兩個階段。在軌測量主要是著陸過程中著陸器受著陸衝擊損傷狀況的測量。地面數據處理主要是對在軌測量數據進行反演，利用地面標定實驗結果對測量數據進行定量或定性分析，獲得著陸器支撐結構連接部位受衝擊損傷狀況，為地面環模試驗提供驗證，並為後續深空探測著陸設計改進提供技術支持。

此外，510所著陸器無損探傷測量儀還採用了先進的TMR無損檢測技術，該項技術是國際無損檢測技術的重要發展方向。由於我國對高性能TMR傳感器的研究起步晚，尤其是空間應用尚未開展，為此，510所研製了基於TMR的弱磁場傳感器，滿足無損檢測之用。其中，採用TMR進行無損檢測中線圈與TMR的集成技術、TMR無損檢測儀的標定技術等在國內均屬首次，因此，研製具有空間環境適應能力的高性能TMR傳感器技術是無損檢測技術中的關鍵技術之一，也是本項目的創新點。

510所為「嫦五」提供的其他產品

王先榮透露，嫦娥五號探測器將於11月30日左右著陸月表採樣，12月中下旬返回地面。在整個「嫦五」任務中，還將用到510所研製的嫦娥五號著陸緩衝機構信號裝置，鑽取樣品截取和剪切裝置，噴氣組件（噴氣轉移裝置作為密封封裝裝置的備份轉移手段，是一種冗餘設計，在主份樣品轉移方案失效的情況下，將上升器儲氣瓶中的剩餘氣體通過噴氣組件的三個噴管噴出，產生的超音速氣體射流撞擊在密封封裝裝置的底板，在高真空環境下產生一定的推力，進而將密封封裝裝置從上升器的初始位置推送一段距離到返回器的樣品容器艙內，完成密封封裝裝置的轉移），採樣視覺標識，國際救援示位標，潤滑活動件，水升華器貯箱和電源產品等。

510所嫦娥五號研製團隊部分研製人員

嫦娥五號的使命是實現月球區域軟著陸及月面採樣返回，是中國首個實施無人狀態下月面採樣返回的太空飛行器，是探月工程中最關鍵的探測器，也是中國探月工程第三階段的收官之戰。在此次任務中，510所繼續發揮自身技術優勢，通過多年創新攻關，以多樣產品組成「探月家族」向月球進發，用拼搏進取的創新精神助力中國探月工程，為建設航天強國再譜新篇！

來源：蘭州日報社全媒體記者 何燕

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