月球取土，地質科技來幫忙

北京時間2020年12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并于6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中。這是嫦娥五號首次月球“挖土”并“打包”帶回地球，它的一系列操作中也有行星地質學家的智慧與汗水。

嫦娥五號探測器實施動力下降并成功著陸，將在預選區域開展月面采樣工作(圖片來源：國家航天局)

此次嫦娥五號邁出中國探月工程“繞、落、回”的關鍵一步，實現月面自動采樣并成功返回，是我國探月工程最復雜、難度最大的任務之一。而早在10年前，中國地質大學(武漢)肖龍教授團隊、段隆臣教授團隊和李大佛教授團隊就接受任務，為嫦娥系列任務研制模擬月壤、繪制采樣點地質地貌地圖，研究采用何種型號鉆頭、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鍵因素之一，是要了解月壤的性質，并研制出與實際月壤性質較為相似的模擬月壤，用于采樣工程技術驗證。從2011年開始，中國地質大學(武漢)行星科學研究所肖龍教授和他的團隊就開始著手為嫦娥系列任務研制可供實驗的月球土壤樣本。在肖龍的實驗室兼辦公室，桌面上擺放最多的就是各種類型的模擬月壤，這也記錄了他們團隊10年的奮斗歷程。

由于缺乏真實樣本數據，他們只能用有限的隕石和遙感數據反復進行分析，用不同的材料進行配比嘗試。為保障模擬月壤的高仿逼真，肖龍帶領團隊調研了“阿波羅載人登月計劃”采集的月壤樣品性質，獲得了實際月壤的相關參數，以及隨深度變化的月壤剖面結構。團隊根據實際月壤的可能狀態和月面低重力的工作環境，選取了不同類型的玄武巖、火山灰、斜長巖、鈦粉等數十種與月壤性質較為相似的地球巖石和礦物，選擇特定的工藝，對巖石進行破碎加工，制造出顆粒形態和成分等都與實際月壤相似的原料，進而將不同粒度的原料進行配比。

經過大量試驗和迭代，團隊成員研制了不同密度、不同級配、不同成分等10多個系列的模擬月壤，被工程單位用作地面鉆探試驗，確定各項鉆探參數，再根據這些參數設定月面鉆探取樣的工作模式。

肖龍介紹，為嫦娥系列任務研制模擬月壤的10年來，其團隊總共為工程單位提供了近100噸模擬月壤；共研發出60多個種類的模擬月壤，經過反復篩選，其中10多種被最終確認為試驗用月球土壤。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、火星探測、地外資源利用等提供支撐。

2 繪制大比例尺月球地質圖，為“嫦娥”指路

如同打仗需要戰場地形圖一樣，嫦娥五號降落月表同樣需要一份詳細適用的地圖。只有廓清落點的地質地貌，才能確保嫦娥落月的安全。因為涉及月面取土作業，這份地圖還必須涵蓋落點附近的地質構造，以滿足嫦娥五號的工作需求。

據了解，嫦娥五號預選著陸區東西長約450公里、南北寬約120公里，總面積約5.5萬平方公里。這么大面積的月海地形地貌圖如何繪制？作為采樣點選址的一項關鍵工作，肖龍教授帶領團隊在結合以往國內外月球地質填圖資料和填圖規范的基礎上，建立了利用多源遙感數據開展月球地質填圖的方法和流程，包括落月點地形地貌、石塊分布、月壤厚度以及撞擊坑統計定年；并采用高程數據計算預選著陸區山體陰影、坡度，月海的地形特征和玄武巖厚度；采用多光譜數據反演鐵鈦含量、計算光學成熟度、合成假彩色影像和月壤粒度。

經過10年努力，肖龍教授帶領團隊順利完成并提交了《嫦娥五號預選著陸區1∶25萬地質圖》，基本查明了嫦娥五號預選著陸區的地質框架和地質事件序列，為嫦娥五號著陸提供了大比例尺月球地質圖。該地質填圖成果為探月工程提供了基礎地質支撐，通過對月海玄武巖物質成分、玄武巖噴發歷史和撞擊坑等著陸區域專題研究，確定了地層切割關系、成分和礦物組成，厘清了該區域的地質演化歷史。

“《嫦娥五號預選著陸區1∶25萬地質圖》完全覆蓋嫦娥五號預選著陸區，彌補了預選著陸區沒有大比例尺月球地質圖的空白，是我國嫦娥五號任務重要的參考資料。該地質圖表現了預選著陸區范圍內各種地形、地貌、地質信息，以及主要地質單元的分布、年齡、巖性、化學成分、礦物組成等特征。豐富翔實的地質圖面內容可以為嫦娥五號任務選擇一個樣品價值最為豐富、實施難度適中的著陸點提供依據。同時，也為返回樣品的研究提供了不可或缺的地質背景信息?！毙埥榻B說。

作為嫦娥五號鉆取子系統飛控專家組成員，肖龍還參與了嫦娥五號科學目標的論證和采樣點的選址工作。

北京時間12月1日23時11分，嫦娥五號在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近成功著陸。著陸點位于月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區，這是中國探測器第三次在月球實現軟著陸，也是人類探測器首次踏足這一領域。為什么選擇在此處采樣？

肖龍表示，著陸點的選址最主要考慮兩點，一是工程的安全性，二是要有重要的科學價值。工程方面，主要考慮地形、地貌、坡度、光照和通信條件等因素；科學方面，重點考慮在月球科學中的價值，能否為回答月球科學問題提供關鍵樣本。著陸點要遠離以往著陸采樣區，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問題。呂姆克山區域有月球上最年輕的火山巖，樣品的研究意義很大。

3 設計螺旋鉆進方案，破解鉆頭散熱難題

鉆取月壤的鉆頭要鉆進月表2 m深，而月球上沒有空氣和水，那么，高速旋轉下的鉆頭該如何散熱？中國地質大學(武漢)段隆臣教授團隊和李大佛教授團隊參加了部分鉆探方案設計和鉆探模擬試驗等工作。

段隆臣介紹，月球鉆探與地球鉆探的最大不同是環境不一樣。有利的是，月球引力只有地球引力的1/6，機械設備消耗的功率較??；不利的是，月球上是真空環境，重力環境也發生改變。此外，在地球環境下，鉆頭鉆進往往會使用冷卻液，給鉆頭降溫才能繼續工作，而月球上沒有空氣和水，鉆頭在高速運轉中產生的高溫無法散熱，必然影響鉆頭工作。

段隆臣帶領團隊經過理論計算，確定了在月球上鉆探2 m需要的動力儲備，并通過低密度的月壤模擬低重力效果，經過反復嘗試，最終選定螺旋鉆進方案。在鉆頭的選取上，李大佛教授團隊也進行了很多有益嘗試。

“鉆頭鉆進后，月壤的一部分會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隊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，不需要再進行冷卻也能確保鉆頭正常工作。

據介紹，嫦娥五號的取土作業采用機械臂表取和鉆具鉆取兩種方式進行，其中表取1.5 kg、鉆取0.5 kg。表取由機械臂采用挖、夾、鏟等動作完成，表取的機械臂相當于機械手，非常靈活，配合計算機視覺系統，可以實現自由抓取。

月球樣品成功返回后，中國地質大學(武漢)將積極申請樣品，開展相關研究工作。月壤樣品寶貴，成分非常復雜，需要系統開展研究，包括月壤顆粒粒度、巖石礦物組成、年代學、元素和同位素組成等。通過系統的研究，可以獲得有關對月球火山活動歷史、月幔物質組成、月球熱歷史等方面的新認識。這些工作將由多個單位共同完成。