原標(biāo)題：嫦娥五號在月球上“挖土”有多難？鉆鏟挖夾十八般武藝齊上陣
據(jù)新華社報道，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(yù)選著陸區(qū)。成功著陸后，將正式開始持續(xù)約2天的月面工作，完成中國首次地外天體無人自動采樣，并帶回約2公斤樣品。
嫦娥五號是迄今為止國內(nèi)最復(fù)雜的航天器，這次無人月面采樣返回從發(fā)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”。月球表面自動采樣封裝，是嫦娥五號任務(wù)中最引人注目的一個環(huán)節(jié)。嫦娥五號如何采集月壤、又有哪些特殊本領(lǐng)將為嫦娥五號探測器的順利“通關(guān)”保駕護航呢？
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自動采樣秘笈：鉆取+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(huán)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(dá)到零下150℃，晝夜溫差約330℃，無人采樣器需在150℃以上的月球表面工作。陌生的環(huán)境常常會帶來新鮮感，但對嫦娥五號來說，這種“新鮮感”卻成為無人月面采樣返回要過的第一道坎。
據(jù)航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計師彭兢介紹，考慮到樣品的種類、數(shù)量以及月球表面的不確定性，他們設(shè)計了鉆取和表取兩種方式，兩種樣品大概比例為1∶3。
怎么鉆??？彭兢說：“目前有一些科學(xué)研究成果表明，月球正面風(fēng)暴洋北緣的呂姆克山附近區(qū)域的平均月壤厚度大約是4米，但這只是統(tǒng)計意義上的概率，困難的地方在于我們?nèi)ブ安⒉恢滥抢锸呛軋杂驳膸r石，還是很松軟的月壤。從現(xiàn)在的研究來看，大概率是松軟的，現(xiàn)在設(shè)計的目標(biāo)深度是兩米左右。”
由于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(gòu)成，這個重8.2噸的“大家伙”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：“鉆取采樣裝置正下方的點有哪些特性，我們事先并不知道，萬一碰到特別堅硬的巖石，就有可能采不到，當(dāng)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，是可以通過鉆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(rèn)為深空探測里比較有魅力的地方?！?/p>
那么，表取又是如何進行？對此，科學(xué)家們專門為這種采樣方式設(shè)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(guān)節(jié)上有兩個采樣器。一個采樣器類似于一個鏟子，這個鏟子有點像帶鉤子的鐵鍬，通過接近月面的時候轉(zhuǎn)動，從月面挖取樣品?！迸砭そ榻B，在表取時將使用兩種采樣器，除了鏟挖式，還有一種末端為花瓣狀結(jié)構(gòu)的采樣器，它能通過旋轉(zhuǎn)，破碎掉黏結(jié)在一起的月壤，從而獲得相對較深層的樣品。
彭兢說：“現(xiàn)在選定的風(fēng)暴洋西北部地區(qū)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后，在地面開展了相關(guān)的研究工作才能知道。”
據(jù)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(shè)計師、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，嫦娥五號隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將采取深鉆、淺鉆，以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約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，隨后帶回地球。
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對接秘笈：用上“抱爪式”對接機構(gòu)
之后，嫦娥五號采樣返回的第二道關(guān)卡出現(xiàn)了，就是月面起飛。彭兢介紹，從距離地球38萬公里以外的月面起飛，不確定性非常大，而能否成功起飛也關(guān)系到后面交會對接能否順利實現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)是交會對接的起點，需要上升器百分百瞄準(zhǔn)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厘米，在月球上現(xiàn)在的指標(biāo)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(shè)計要考慮月球引力場的影響?！?/p>
成功從月面起飛后，上升器和軌道器開始交會對接，將樣品轉(zhuǎn)移至返回器中。相比此前，空間實驗室天宮一號采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(diào)整。據(jù)航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設(shè)計師查學(xué)雷介紹，這一次采用了全新、輕型化“抱爪式”對接機構(gòu)。
查學(xué)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(yuǎn)，會有一個時延，對我們是比較大的一個挑戰(zhàn)?！?/p>
查學(xué)雷介紹，采用輕小型化的抱爪式對接機構(gòu)，能夠在21秒的時間里，“穩(wěn)、準(zhǔn)、狠”地完成任務(wù)。
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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？這是無人采樣返回的最后一道關(guān)卡。據(jù)裴照宇介紹，團隊采用了半彈道彈跳式返回的方式。
裴照宇說：“彈道式就像導(dǎo)彈，導(dǎo)彈打到外太空之后再入地球，不再進行升力控制，是靠慣性落到地面，而我們要進行準(zhǔn)確的著陸點的控制，采用了半升力控制的方式?！?/p>
什么是跳躍式？就像“打水漂”，相當(dāng)于返回器要先進一次大氣層，利用大氣層的阻力使它降速，然后再回來；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：“采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(shù)積累?！?/p>
除了通過“打水漂”，科學(xué)家們還在返回器材料上做了文章。據(jù)航天科技集團五院嫦娥五號探測器返回器副主任設(shè)計師劉大海介紹，返回器使用了蜂窩結(jié)構(gòu)的防熱層，約20毫米厚，里面填充的都是新型耐燒蝕材料。除此之外，在耐高溫發(fā)動機以及推進器的控制方面，進行了創(chuàng)新。
（封面新聞 王萌 綜合 新華社、央廣網(wǎng)、央視等）
