北京時(shí)間2020年12月6日5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)接，并于6時(shí)12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中。這是嫦娥五號(hào)首次月球“挖土”并“打包”帶回地球，它的一系列操作中也有行星地質(zhì)學(xué)家的智慧與汗水。

嫦娥五號(hào)探測(cè)器實(shí)施動(dòng)力下降并成功著陸，將在預(yù)選區(qū)域開展月面采樣工作(圖片來(lái)源：國(guó)家航天局)

此次嫦娥五號(hào)邁出中國(guó)探月工程“繞、落、回”的關(guān)鍵一步，實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣并成功返回，是我國(guó)探月工程最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。而早在10年前，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)肖龍教授團(tuán)隊(duì)、段隆臣教授團(tuán)隊(duì)和李大佛教授團(tuán)隊(duì)就接受任務(wù)，為嫦娥系列任務(wù)研制模擬月壤、繪制采樣點(diǎn)地質(zhì)地貌地圖，研究采用何種型號(hào)鉆頭、使用何種鉆探方法取樣……

1 研制模擬月壤，助力月面鉆探取樣

月面采樣能否成功的關(guān)鍵因素之一，是要了解月壤的性質(zhì)，并研制出與實(shí)際月壤性質(zhì)較為相似的模擬月壤，用于采樣工程技術(shù)驗(yàn)證。從2011年開始，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)行星科學(xué)研究所肖龍教授和他的團(tuán)隊(duì)就開始著手為嫦娥系列任務(wù)研制可供實(shí)驗(yàn)的月球土壤樣本。在肖龍的實(shí)驗(yàn)室兼辦公室，桌面上擺放最多的就是各種類型的模擬月壤，這也記錄了他們團(tuán)隊(duì)10年的奮斗歷程。

由于缺乏真實(shí)樣本數(shù)據(jù)，他們只能用有限的隕石和遙感數(shù)據(jù)反復(fù)進(jìn)行分析，用不同的材料進(jìn)行配比嘗試。為保障模擬月壤的高仿逼真，肖龍帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)調(diào)研了“阿波羅載人登月計(jì)劃”采集的月壤樣品性質(zhì)，獲得了實(shí)際月壤的相關(guān)參數(shù)，以及隨深度變化的月壤剖面結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊(duì)根據(jù)實(shí)際月壤的可能狀態(tài)和月面低重力的工作環(huán)境，選取了不同類型的玄武巖、火山灰、斜長(zhǎng)巖、鈦粉等數(shù)十種與月壤性質(zhì)較為相似的地球巖石和礦物，選擇特定的工藝，對(duì)巖石進(jìn)行破碎加工，制造出顆粒形態(tài)和成分等都與實(shí)際月壤相似的原料，進(jìn)而將不同粒度的原料進(jìn)行配比。

經(jīng)過大量試驗(yàn)和迭代，團(tuán)隊(duì)成員研制了不同密度、不同級(jí)配、不同成分等10多個(gè)系列的模擬月壤，被工程單位用作地面鉆探試驗(yàn)，確定各項(xiàng)鉆探參數(shù)，再根據(jù)這些參數(shù)設(shè)定月面鉆探取樣的工作模式。

肖龍介紹，為嫦娥系列任務(wù)研制模擬月壤的10年來(lái)，其團(tuán)隊(duì)總共為工程單位提供了近100噸模擬月壤；共研發(fā)出60多個(gè)種類的模擬月壤，經(jīng)過反復(fù)篩選，其中10多種被最終確認(rèn)為試驗(yàn)用月球土壤。近幾年，他們還研制了用于材料加工(如3D打印)的模擬月壤，以及模擬火星土壤等，為月球基地建設(shè)、火星探測(cè)、地外資源利用等提供支撐。

2 繪制大比例尺月球地質(zhì)圖，為“嫦娥”指路

如同打仗需要戰(zhàn)場(chǎng)地形圖一樣，嫦娥五號(hào)降落月表同樣需要一份詳細(xì)適用的地圖。只有廓清落點(diǎn)的地質(zhì)地貌，才能確保嫦娥落月的安全。因?yàn)樯婕霸旅嫒⊥磷鳂I(yè)，這份地圖還必須涵蓋落點(diǎn)附近的地質(zhì)構(gòu)造，以滿足嫦娥五號(hào)的工作需求。

據(jù)了解，嫦娥五號(hào)預(yù)選著陸區(qū)東西長(zhǎng)約450公里、南北寬約120公里，總面積約5.5萬(wàn)平方公里。這么大面積的月海地形地貌圖如何繪制？作為采樣點(diǎn)選址的一項(xiàng)關(guān)鍵工作，肖龍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)在結(jié)合以往國(guó)內(nèi)外月球地質(zhì)填圖資料和填圖規(guī)范的基礎(chǔ)上，建立了利用多源遙感數(shù)據(jù)開展月球地質(zhì)填圖的方法和流程，包括落月點(diǎn)地形地貌、石塊分布、月壤厚度以及撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年；并采用高程數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)選著陸區(qū)山體陰影、坡度，月海的地形特征和玄武巖厚度；采用多光譜數(shù)據(jù)反演鐵鈦含量、計(jì)算光學(xué)成熟度、合成假彩色影像和月壤粒度。

經(jīng)過10年努力，肖龍教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)順利完成并提交了《嫦娥五號(hào)預(yù)選著陸區(qū)1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖》，基本查明了嫦娥五號(hào)預(yù)選著陸區(qū)的地質(zhì)框架和地質(zhì)事件序列，為嫦娥五號(hào)著陸提供了大比例尺月球地質(zhì)圖。該地質(zhì)填圖成果為探月工程提供了基礎(chǔ)地質(zhì)支撐，通過對(duì)月海玄武巖物質(zhì)成分、玄武巖噴發(fā)歷史和撞擊坑等著陸區(qū)域?qū)ｎ}研究，確定了地層切割關(guān)系、成分和礦物組成，厘清了該區(qū)域的地質(zhì)演化歷史。

“《嫦娥五號(hào)預(yù)選著陸區(qū)1∶25萬(wàn)地質(zhì)圖》完全覆蓋嫦娥五號(hào)預(yù)選著陸區(qū)，彌補(bǔ)了預(yù)選著陸區(qū)沒有大比例尺月球地質(zhì)圖的空白，是我國(guó)嫦娥五號(hào)任務(wù)重要的參考資料。該地質(zhì)圖表現(xiàn)了預(yù)選著陸區(qū)范圍內(nèi)各種地形、地貌、地質(zhì)信息，以及主要地質(zhì)單元的分布、年齡、巖性、化學(xué)成分、礦物組成等特征。豐富翔實(shí)的地質(zhì)圖面內(nèi)容可以為嫦娥五號(hào)任務(wù)選擇一個(gè)樣品價(jià)值最為豐富、實(shí)施難度適中的著陸點(diǎn)提供依據(jù)。同時(shí)，也為返回樣品的研究提供了不可或缺的地質(zhì)背景信息?！毙埥榻B說。

作為嫦娥五號(hào)鉆取子系統(tǒng)飛控專家組成員，肖龍還參與了嫦娥五號(hào)科學(xué)目標(biāo)的論證和采樣點(diǎn)的選址工作。

北京時(shí)間12月1日23時(shí)11分，嫦娥五號(hào)在月球正面西經(jīng)51.8度、北緯43.1度附近成功著陸。著陸點(diǎn)位于月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)，這是中國(guó)探測(cè)器第三次在月球?qū)崿F(xiàn)軟著陸，也是人類探測(cè)器首次踏足這一領(lǐng)域。為什么選擇在此處采樣？

肖龍表示，著陸點(diǎn)的選址最主要考慮兩點(diǎn)，一是工程的安全性，二是要有重要的科學(xué)價(jià)值。工程方面，主要考慮地形、地貌、坡度、光照和通信條件等因素；科學(xué)方面，重點(diǎn)考慮在月球科學(xué)中的價(jià)值，能否為回答月球科學(xué)問題提供關(guān)鍵樣本。著陸點(diǎn)要遠(yuǎn)離以往著陸采樣區(qū)，還要有與以往不一樣的樣品，能夠回答以往沒有解決的科學(xué)問題。呂姆克山區(qū)域有月球上最年輕的火山巖，樣品的研究意義很大。

3 設(shè)計(jì)螺旋鉆進(jìn)方案，破解鉆頭散熱難題

鉆取月壤的鉆頭要鉆進(jìn)月表2 m深，而月球上沒有空氣和水，那么，高速旋轉(zhuǎn)下的鉆頭該如何散熱？中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)段隆臣教授團(tuán)隊(duì)和李大佛教授團(tuán)隊(duì)參加了部分鉆探方案設(shè)計(jì)和鉆探模擬試驗(yàn)等工作。

段隆臣介紹，月球鉆探與地球鉆探的最大不同是環(huán)境不一樣。有利的是，月球引力只有地球引力的1/6，機(jī)械設(shè)備消耗的功率較??；不利的是，月球上是真空環(huán)境，重力環(huán)境也發(fā)生改變。此外，在地球環(huán)境下，鉆頭鉆進(jìn)往往會(huì)使用冷卻液，給鉆頭降溫才能繼續(xù)工作，而月球上沒有空氣和水，鉆頭在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的高溫?zé)o法散熱，必然影響鉆頭工作。

段隆臣帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過理論計(jì)算，確定了在月球上鉆探2 m需要的動(dòng)力儲(chǔ)備，并通過低密度的月壤模擬低重力效果，經(jīng)過反復(fù)嘗試，最終選定螺旋鉆進(jìn)方案。在鉆頭的選取上，李大佛教授團(tuán)隊(duì)也進(jìn)行了很多有益嘗試。

“鉆頭鉆進(jìn)后，月壤的一部分會(huì)由鉆頭的螺旋葉片帶出，另一部分月壤通過空芯鉆桿帶回地球?！倍温〕紙F(tuán)隊(duì)成員高輝介紹了鉆取月壤鉆頭的工作原理：螺旋葉片帶出月表的月壤可以有效降低鉆頭的溫度，不需要再進(jìn)行冷卻也能確保鉆頭正常工作。

據(jù)介紹，嫦娥五號(hào)的取土作業(yè)采用機(jī)械臂表取和鉆具鉆取兩種方式進(jìn)行，其中表取1.5 kg、鉆取0.5 kg。表取由機(jī)械臂采用挖、夾、鏟等動(dòng)作完成，表取的機(jī)械臂相當(dāng)于機(jī)械手，非常靈活，配合計(jì)算機(jī)視覺系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)自由抓取。

月球樣品成功返回后，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)將積極申請(qǐng)樣品，開展相關(guān)研究工作。月壤樣品寶貴，成分非常復(fù)雜，需要系統(tǒng)開展研究，包括月壤顆粒粒度、巖石礦物組成、年代學(xué)、元素和同位素組成等。通過系統(tǒng)的研究，可以獲得有關(guān)對(duì)月球火山活動(dòng)歷史、月幔物質(zhì)組成、月球熱歷史等方面的新認(rèn)識(shí)。這些工作將由多個(gè)單位共同完成。