12月3日，國家航天局發布消息：12月2日22時，經過約19小時月面工作，嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動採樣，並已按預定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。
至此，中國首次月面自動採樣任務順利完成。
作為嫦娥五號「挖土」之旅的核心步驟，月球表面自動採樣封裝是整個任務中最引人注目的環節之一。先「挖土」，後「打包」，整個過程有多難，又有哪些鮮為人知的任務細節？記者就此採訪了嫦娥五號任務相關專家。
使出渾身解數開啟兩種「挖土」模式
12月1日晚，嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸月球後，這位勤奮的「五姑娘」就開啟了「挖土」模式：一種是鑽取，一種是表取。
按照中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢的說法，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採樣器，進行表層和次表層月壤採集，實現多點、多次採樣。
據他介紹，嫦娥「五姑娘」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」，採取「深鑽」「淺鑽」「鏟土」「挖土」「夾土」等方式，採集約兩千克月壤並進行密封封裝，之後將經過月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移和再入回收等過程，最終將月球樣品安全送至地球家園。
彭兢告訴記者，首次月面採樣困難不少，首先採樣裝置為全新研製，技術新、難度大，需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束；其次，採樣期間面臨月面高溫的工作環境，採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。此外，著陸器著陸後不能移動，鑽取採樣裝置正下方的地面到底是鬆軟的土壤，還是堅硬的巖石，都具有不確定性，也都影響著採樣計劃的順利完成。
一個鮮為人知的細節是，表取採樣裝置和鑽取採樣裝置並不在嫦娥五號探測器的同一側，一個在陽面，一個在陰面。
嫦娥五號採樣封裝系統主任設計師鄧湘金說，為了讓鑽機處在相對低溫的條件下，特意將其部署在陰面。即便這樣，鑽取採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。
據他介紹，為了確保「鑽得動」，鑽機上的鑽頭可謂百裡挑一。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，保證鑽進過程順暢可控，具備對8級硬度巖石的鑽進能力。
彭兢說，為確保首次月面採樣任務順利完成，嫦娥五號探測器研製團隊多措並舉，確定了先鑽後表、器地協同的工作程序，還開展了相應的環境試驗和專項試驗。
「幾百次試驗，數十種工況模擬，多次『三位一體』模式的採樣封裝演練，研製團隊想方設法，全力以赴確保了中國首次月面自動採樣任務順利完成。」彭兢說。
帶「月壤」回家的「打包神器」
「挖土」完成後，如何將月球樣品「打包」帶回？中國航天科技集團五院510所專家透露，由該所研製的月球樣品密封封裝子系統安裝在嫦娥五號探測器的最頂端，可將採集到的月球樣品「打包」返回。
相比月面極高真空的環境，地球表面包裹著大氣層，大氣環境中不僅有氣體成分，還漂浮著各種固體顆粒，如果月球樣品接觸到大氣中的這些物質，就會造成汙染，導致月球樣品科研價值大打折扣。
因此，如何將38萬公裡之外的月球土壤和巖石樣品在無人條件下進行「打包」，並保證樣品在返回地球的過程中不能有任何汙染，成為科技人員關心的頭等大事。
據五院510所專家介紹，被譽為「打包神器」的月球樣品密封封裝子系統，這時就要登場了。在月面工作段，該系統運行先預設好的指令，首先解除蓋體鎖定，將裝置容器口完全敞開，方便鑽取及表取的月球樣品的承接，待所有樣品裝入容器後，將蓋體鎖緊的同時進行高真空密封。
這臺「神器」，要經歷運載火箭發射、探測器地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降、月面工作、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移、再入回收等全任務流程，最終才能將採集到的月球樣品送到科研人員手中。
返回地面後，怎麼將密封如此嚴實的月球樣品取出？上述專家說，研製的月球樣品解封分裝操作臺，能夠實現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，以及收集月球樣品釋放的稀有氣體，最大限度保證月球樣品儘可能少受地球外部環境的影響。
有望揭開月塵飛揚的秘密
已經結束「挖土」即將「回家」的嫦娥五號，此行其實還承擔了一項任務——對帶電月塵進行直接測量，這將有望揭開月塵飛揚的秘密。
作為「探月家族成員」核心系統裝置，月塵帶電測量儀被安裝在嫦娥五號著陸器的頂部，對月球白天揚起的帶電月塵進行測量。這是自美國阿波羅計劃以來，人類第一次對月球表面的帶電塵埃進行直接測量。
上世紀六七十年代，人類踏足月球發現，月球地平線上漂浮著一層「薄霧」，在陽光的照射下，發出白色的「輝光」。關於「地平線輝光」，科學家普遍認為，那是月球表面極細的粉塵顆粒——月塵在某些作用下，揚起和漂浮到空中後散射太陽光形成的。
五院510所專家表示，月塵來源於月壤中粒徑小於20μm的顆粒，大部分屬於PM2.5。這些月塵月表環境中易發生遷移運動，主要因素有流星體濺射、人類活動、靜電懸浮等。
一些科學家認為，自然環境下，月塵懸浮遷移的主要原因是月塵帶電和近月表靜電場的存在——在太陽光照射、太陽風和宇宙線等複雜的作用下，帶上了電荷，並在電場的作用下四散飛揚。然而，這些作用具體是如何發揮作用，一直眾說紛紜，吸引著人類不懈探索。
五院510所專家說，此次隨嫦娥五號登月的月塵帶電測量儀，由兩套相同的測量探頭組成，每套探頭又分別由一組阻滯柵網和一臺微質量天平組成。其中，阻滯柵網像扇門，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。」五院510所專家說，柵網的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。
按照航天專家的說法，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。
中青報·中青網記者 邱晨輝 來源：中國青年報
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