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揭秘:嫦娥五号如何将月球样品带回?如何取出?
www.wforum.com | 2020-12-04 20:02:38  世界军事网 | 0条评论 | 查看/发表评论

  12月3日,国家航天局发布消息:12月2日22时,经过约19小时月面工作,嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样,并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

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  12月2日,嫦娥五号探测器在月球表面自动采样。

  至此,中国首次月面自动采样任务顺利完成。

  作为嫦娥五号“挖土”之旅的核心步骤,月球表面自动采样封装是整个任务中最引人注目的环节之一。先“挖土”,后“打包”,整个过程有多难,又有哪些鲜为人知的任务细节?记者就此采访了嫦娥五号任务相关专家。

  使出浑身解数开启两种“挖土”模式

  12月1日晚,嫦娥五号着陆上升组合体顺利软着陆月球后,这位勤奋的“五姑娘”就开启了“挖土”模式:一种是钻取,一种是表取。

  按照中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢的说法,钻取就是通过空心钻杆的取芯机构,钻到月球表面两米深以下处,得到深层样品的层理信息。表取就是采用机械臂末端固定铲挖型采样器,进行表层和次表层月壤采集,实现多点、多次采样。

  据他介绍,嫦娥“五姑娘”随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等“神器”,采取“深钻”“浅钻”“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约两千克月壤并进行密封封装,之后将经过月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程,最终将月球样品安全送至地球家园。

  彭兢告诉记者,首次月面采样困难不少,首先采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等各种约束;其次,采样期间面临月面高温的工作环境,采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。此外,着陆器着陆后不能移动,钻取采样装置正下方的地面到底是松软的土壤,还是坚硬的岩石,都具有不确定性,也都影响着采样计划的顺利完成。

  一个鲜为人知的细节是,表取采样装置和钻取采样装置并不在嫦娥五号探测器的同一侧,一个在阳面,一个在阴面。

  嫦娥五号采样封装系统主任设计师邓湘金说,为了让钻机处在相对低温的条件下,特意将其部署在阴面。即便这样,钻取采样装置的工作环境仍然比较恶劣。在地面上,电机的耐热极限也就100摄氏度。但嫦娥五号团队通过集智攻关,研制出了能够在180摄氏度环境下持续正常工作的耐高温电机。

  据他介绍,为了确保“钻得动”,钻机上的钻头可谓百里挑一。研制团队通过对比16种设计方案,最终确定双排钻牙阶梯构型,保证钻进过程顺畅可控,具备对8级硬度岩石的钻进能力。

  彭兢说,为确保首次月面采样任务顺利完成,嫦娥五号探测器研制团队多措并举,确定了先钻后表、器地协同的工作程序,还开展了相应的环境试验和专项试验。

  “几百次试验,数十种工况模拟,多次‘三位一体’模式的采样封装演练,研制团队想方设法,全力以赴确保了中国首次月面自动采样任务顺利完成。”彭兢说。

  带“月壤”回家的“打包神器”

  “挖土”完成后,如何将月球样品“打包”带回?中国航天科技集团五院510所专家透露,由该所研制的月球样品密封封装子系统安装在嫦娥五号探测器的最顶端,可将采集到的月球样品“打包”返回。

  相比月面极高真空的环境,地球表面包裹着大气层,大气环境中不仅有气体成分,还漂浮着各种固体颗粒,如果月球样品接触到大气中的这些物质,就会造成污染,导致月球样品科研价值大打折扣。

  因此,如何将38万公里之外的月球土壤和岩石样品在无人条件下进行“打包”,并保证样品在返回地球的过程中不能有任何污染,成为科技人员关心的头等大事。

  据五院510所专家介绍,被誉为“打包神器”的月球样品密封封装子系统,这时就要登场了。在月面工作段,该系统运行先预设好的指令,首先解除盖体锁定,将装置容器口完全敞开,方便钻取及表取的月球样品的承接,待所有样品装入容器后,将盖体锁紧的同时进行高真空密封。

  这台“神器”,要经历运载火箭发射、探测器地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移、再入回收等全任务流程,最终才能将采集到的月球样品送到科研人员手中。

  返回地面后,怎么将密封如此严实的月球样品取出?上述专家说,

  研制的月球样品解封分装操作台,能够实现在真空环境下对返回地面后的月球采样封装装置进行解封,以及收集月球样品释放的稀有气体,最大限度保证月球样品尽可能少受地球外部环境的影响。

  有望揭开月尘飞扬的秘密

  已经结束“挖土”即将“回家”的嫦娥五号,此行其实还承担了一项任务——对带电月尘进行直接测量,这将有望揭开月尘飞扬的秘密。

  作为“探月家族成员”核心系统装置,月尘带电测量仪被安装在嫦娥五号着陆器的顶部,对月球白天扬起的带电月尘进行测量。这是自美国阿波罗计划以来,人类第一次对月球表面的带电尘埃进行直接测量。

  上世纪六七十年代,人类踏足月球发现,月球地平线上漂浮着一层“薄雾”,在阳光的照射下,发出白色的“辉光”。关于“地平线辉光”,科学家普遍认为,那是月球表面极细的粉尘颗粒——月尘在某些作用下,扬起和漂浮到空中后散射太阳光形成的。

  五院510所专家表示,月尘来源于月壤中粒径小于20μm的颗粒,大部分属于PM2.5。这些月尘月表环境中易发生迁移运动,主要因素有流星体溅射、人类活动、静电悬浮等。

  一些科学家认为,自然环境下,月尘悬浮迁移的主要原因是月尘带电和近月表静电场的存在——在太阳光照射、太阳风和宇宙线等复杂的作用下,带上了电荷,并在电场的作用下四散飞扬。然而,这些作用具体是如何发挥作用,一直众说纷纭,吸引着人类不懈探索。

  五院510所专家说,此次随嫦娥五号登月的月尘带电测量仪,由两套相同的测量探头组成,每套探头又分别由一组阻滞栅网和一台微质量天平组成。其中,阻滞栅网像扇门,只有满足一定条件的月尘才可以通过。

  “这个条件就和月尘的带电量有关。”五院510所专家说,栅网的下方是一个由粘性薄膜和石英晶片组成的微质量天平,它相当于月尘颗粒的体重秤。这是目前最灵敏的“秤”,甚至可以测到纳克级的质量。

  按照航天专家的说法,当通过栅网的月尘颗粒被粘性膜“粘住”后,这些颗粒的质量就被称量出来了。于是,通过设置不同的门槛,不同带电量的月尘就被测量出来了。

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