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九天揽月·筑梦苍穹 探寻“赴月取壤”背后的故事

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2020年12月17日凌晨,嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,圆满完成“赴月取壤”任务。作为嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员,肖龙认为,浩渺宇宙中,月球是地球的“近邻”,二者几乎处在同一个位置。通过对月球、地球的对比研究,可以回答地球环境变化等问题。月壤样本的分析,能够为地球过去、现在、未来的发展演变,提供一些线索。
精彩观点
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肖龙

模拟月壤用处大,为采样工程提供技术验证

模拟月壤用处大,为采样工程提供技术验证
地球土壤,是地球上的岩石经风化作用形成的。不同地方的岩石不同,形成土壤的性质也不一样。月球也一样,表面月壤层也是由原来的石头风化形成,记录了之前岩石的各种成分,属于混合物。如果我们从月球拿块石头回来,可能只包含了一种岩性;但如果把月壤采样带回来,包含的信息就会非常丰富,可以告诉我们很多地质演化内容。
月面采样能否成功的关键因素之一,是要了解月壤的性质,并研制出与实际月壤性质较为相似的模拟月壤,用于采样工程技术验证。到月球表面取样的方式有两种:钻取和表取。钻取的方式是打钻。但当我们在进行钻进参数设定的时候,并不知道钻机的转速应该是快还是慢:速度太快了,可能会把钻头烧掉;太慢的话,钻头又可能打不下去。为了解决这个问题,需要在地球地面模拟实验。要想方设法了解月球表面土壤的性质,在地球上找到性质相近的岩石,进行破碎、配比,配成模拟月壤,进行工程实验。比如:钻机的转速应该设置多快才能够钻下去;取样的时候,如果出现较大的颗粒,能不能取得上来等等。通过模拟月壤钻取的实验,我们就能为钻机设定好多种方案。
关于模拟月壤的配比方法,需要了解嫦娥五号取样的位置和钻取对象。嫦娥五号的采样点选择了玄武岩区。玄武岩是一种火山岩。为了更好地模拟月壤,首先要找到跟月球岩石性质差不多的玄武岩,为此我们从海南到东北,包括江苏、山东很多地方的玄武岩的一些性质,都进行了调研,通过对比分析以后,再选择可能更像月球岩石的一些玄武岩,然后破碎、配比,来做模拟月壤钻取的实验。每种类似月壤的玄武岩都要进行各种实验,最后决定选取哪一种。我们总共研制了30多种模拟月壤,最后真的选用进行模拟钻取的有十几种。
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肖龙

无人采样难度大,披荆斩棘过难关

无人采样难度大,披荆斩棘过难关
嫦娥五号在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,是其他国家的探测器从来没有到访过的地方。为什么选择此处采样?主要考虑两点:一是工程的安全性,二是要有重要的科学价值。工程方面主要考虑地形、地貌、坡度、光照和通讯条件等因素。科学方面则重点考虑在月球科学中的价值,能否为回答月球科学问题提供关键样本。所以着陆点要远离以往着陆采样区,还要有与以往不一样的样品,能够回答以往没有解决的科学问题。所以最后我们选择了吕姆克山区域,这里有月球上最年轻的火山岩,月壤样品的研究意义非常重要。
嫦娥五号整个月球采样颇为曲折,可谓是“步步惊心”!嫦娥五号采样地点的坐标是经度51.8,纬度43.1,表面大石子和石块不少,下面情况更加复杂。整个过程不可预见性较大,如果碰到一个较大的石块,就可能没办法继续钻取。因此在发射前做了很多验证试验,针对可能发生的状况逐一准备了预案。嫦娥五号在钻进到近一米的深度时,钻机自动保护性停机,说明遇到大石块了。如果选择继续钻取,就要加大钻速,砸开石子,但在加大力度向下冲的过程中可能会丢失已经取到的月壤。在平衡得失之后,飞控专家组经几次尝试后,选择了稳妥的方案,停止继续冲击破岩工作,钻取深度最终为90多公分。取样过程较为波折,最初我们预计取到的样品大约会有几十克,但最终超出了我们的预期。
钻取结束后,还需要通过机械手进行表取,非常不凑巧的是机械手的正前方就是一个大石块。好在机械手的设计是可以在一定夹角范围内左右活动的,因此可以越过大石块,选择在石头的两侧进行采样。表取比设想的顺利,很快整个采样罐子都装满了,提前结束了表取的过程。
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肖龙

探月工程目标大,月球极区成为重点研究对象

探月工程目标大,月球极区成为重点研究对象
在“嫦娥四号”之前,没有国家成功探索过月球背面,因此产生了很多关于月球背面的阴谋论和谣言,要去月球背面的呼声很高。月球背面不能跟地球直接通讯,因此需要中继通信。所以我们要先发射一个中继星“鹊桥”去保持对地和对月球背面的通讯联络。最终“嫦娥四号”着陆器非常精准地落到月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内,实现人类探测器首次在月球背面软着陆,并通过“鹊桥”传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图。后续还发回来很多影像、光谱和雷达探测数据等。
月球取样样品已经送回来了,意味着嫦娥工程“绕落回”三部曲全部实现了。那么我们未来还要做些什么呢?目标是月球的两极地区。极区探测主要是围绕月球的水冰。以前认为月球是没有水的,但现在的探测数据显示月球的极区可能有水,所以我们要到月球极区去探测。
此外,中科院公布的“中国2050年科技发展路线图”也指出,我国另一个目标是在2030年前后实现载人登月,建立国际月球科研站。
 除了月球取样以外,我们还有火星探测。“天问一号”之后,我国将实施小行星采样返回和火星采样计划。我们知道“天问一号”火星探测在2020年7月23日发射成功了,它将于2021年2月份进入火星的轨道,5月中旬着陆火星展开巡视探测。未来的深空探测计划中,火星和木星系统将会成为我国航天航空研究的重点对象。
肖龙
嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员、中国地质大学(武汉)教授
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