月亮之上 嫦娥五號如何挖運土樣
本報記者 付毅飛
據國家航天局消息，嫦娥五號探測器經過約19小時月面工作，於12月2日22時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。
自動採樣是此次任務的核心關鍵環節之一。嫦娥五號通過機械臂表取、鑽具鑽取，通過深鑽、淺鑽、剷土、挖土、夾土等各種方式，實現了多點、多樣化自動採樣。目前，它已經把樣品打包裝好，準備揹着它們離開月球。
這麼複雜的工作，它是怎麼完成的？
嫦娥的“手臂”指哪挖哪
挖土無疑是件揮汗如雨的體力活。嫦娥五號挖土的畫風又是如何？
在月面超過100攝氏度的高温考驗下，它克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，舒展長臂，高高舉起了挖土鏟……
此處需註明的是，嫦娥五號的挖土鏟，可跟咱們在生活中用到的不一樣。這台設備一頭是一個小鏟子，一頭是淺表鑽，可以360度無死角可視化操作，能輕鬆完成鏟挖、淺鑽、拾取這些動作。
嫦娥五號的“手臂”纖細、白皙，卻結實有力。如果説人的手臂力量來自肱二頭肌、肱撓肌、掌肌等，這條集高顏值、高科技於一體的機械臂，各個關節的力量來自安裝在關節處的電機。這就是由中國航天科技集團四院401所研製的表採關節臂電機組件。
關節臂電機有兩種，重的不到1斤，輕的不到半斤，個頭不大、力氣不小，而且靈活機動，精度可達1度以內，能讓嫦娥五號指哪挖哪。
這些電機裝在機械臂各個關節附近，暴露於月表環境中，意味着它們要耐受太陽直射下超過130攝氏度的高温，以及比地球上大得多的輻射，還要承擔真空環境下難以散熱而帶來的性能衰減。好在，研製團隊已經解決了這些環境適應性問題。
如果電機在工作中壞掉或沒電了怎麼辦？為了保證任務完成，研製團隊在一個電機殼體中塞了兩台電機，提供雙重保障；同時還增加了突然斷電情況下對機械臂的位置保持功能，防止機械臂因“沒勁”而落在月面上“摔傷”，可以説是很貼心了。
怎樣將腳下的樣品舉到頭頂？
針對鑽取任務，航天科技集團五院529廠為嫦娥五號提供了一套“金剛鑽”。
這套鑽取子系統具備鑽進能力強、排粉能力強、月壤適應性強三大基本功。
嫦娥五號不能移動，落到哪就得在哪鑽，這對鑽取適應性提出很高要求。研製團隊開展了上千次地面鑽取試驗，積累形成了不同工況的鑽取參數數據庫；通過在軌預編程自主控制，實現了鑽取子系統“迴轉”“衝擊”和“迴轉+衝擊”三種模式，以及不同參數的自由切換，以適應多種月壤工況。
為了讓嫦娥五號擁有百裏挑一的獨創鑽頭，科研團隊選用了雙排鑽牙階梯構型，經過“千錘百煉”，保證鑽進過程順暢可控，具備對8級硬度岩石的鑽進能力。他們還為雙排出刃設計了多個切削麪，使其能夠撥動、突破臨界顆粒與顆粒集羣，以便應對危險工況、處理大顆粒。
同時，科研團隊對鑽頭採用漸闊的錐形排粉槽通道，與鑽桿排粉槽連接相通，形成一體排粉通道，並通過鑽桿模型的匹配和參數優化，使系統的排粉能力大幅提高。
“取得着、封得住”是鑽取子系統的核心技術之一。為保證取得的巖芯在提出過程中不會掉落，系統採用開放式構型的“8”字形超彈性合金絲作為封口方案，與取芯軟袋末端進行一體化縫合，依靠彈性收縮力來實現簡單可靠的封口。
嫦娥五號鑽取的樣品封入軟袋後，將被裝進環形封裝容器，再運送到上升器頂端。月球表面坑窪不平，如果嫦娥五號着陸時站得不正，有可能影響到樣品的傳送。
針對低重力下着陸姿態角度對樣品傳送的不利影響，研製團隊設計了具有碰撞自適應能力的傳送方案。通過彈性驅動為月壤封裝容器提供初始速度，再借助重力，將含有三級導向錐角的封裝容器沿固定導向結構傳送到上升器內。該方案不需要續送機構，簡單可靠，可以在不同着陸姿態下，實現封裝容器精準傳送。
樣品打包、拆封都是高科技
據國家航天局消息，為確保月球樣品在返回地球過程中保持真空密閉以及不受外界環境影響，嫦娥五號在月面對樣品進行了密封封裝。
記者從航天科技集團五院510所瞭解到，相比月面極高真空環境，地球大氣中不僅有氣體成分，還漂浮着各種固體顆粒，月球樣品接觸到這些物質就會被污染，科研價值將大打折扣。
為此，該所給嫦娥五號研製了專用打包裝置——密封封裝子系統。它能自動承接、封裝月球樣品，並妥善密封保存。
該系統裝在嫦娥五號最頂端，由主體框架、密封容器組件、蓋體組件和開合機構組件等組成。鏤空的主體框架上分佈着用於轉移的棘齒和導向條，鈦合金和鋁合金材料能保證其結構強度和剛度，並最大限度減輕重量。
在月面工作階段，該系統根據預先設定的指令開始工作，先解除蓋體鎖定，讓蓋體豎直抬升、轉動一定角度，將容器口完全敞開；待所有樣品裝入容器後，蓋體原路返回，通過火工組件鎖緊並進行高真空密封。
等嫦娥五號返回地面後，月球樣品可不是輕易就能從密封裝置中取出來的。解鈴還須繫鈴人。510所研製的月球樣品解封分裝操作枱可以勝任此項工作，在高純氮氣環境下對月球樣品進行收集、登記、描述等處理，最大限度保證樣品少受地球外部環境影響。
（文字素材：胡俊 劉曉慶 劉璐 馬聰）