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实现“绕落回” 展望“勘建用”——嫦娥五号“挖土”中的地质科技含量
2020-12-22 09:06 来源:中国矿业报 编辑:矿材网

12月17日凌晨1时59分,嫦娥五号返回器携月球样品在预定区域安全着陆,探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。这是人类44年以来再次获得月球样品,也使得中国成为继美国和苏联之后第3个取得月球样本的国家。一时间,国内国际、各级各类媒体对此高度关注,密集报道。


历时23天,嫦娥五号完成了一次对接、六次分离,两种方式采样、五次样品转移,经历了11个重大阶段和关键步骤,圆满完成任务。国家航天局副局长、探月工程副总指挥吴艳华在国务院新闻办12月17日下午举行的探月工程嫦娥五号任务有关情况发布会上表示,此次任务的成功实施,标志着我国具备了地月往返的能力,实现了“绕、落、回”三步走规划完美收官,为我国未来月球与行星探测奠定了坚实基础。


探月工程嫦娥五号任务克服了哪些困难实现“挖土”等任务?此次采回的月球样品有何用途?中国未来还有哪些探月计划?记者带您一探究竟。


如何实现在月球上“挖土”?


嫦娥五号探测器经历了发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收11个阶段。其中,月面工作是最引人注目的任务之一。那么,嫦娥五号是如何在月面工作的?地质科技发挥了怎样的作用?


据了解,嫦娥五号探测器自动采样任务采用表钻结合、多点采样的方式,设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。当着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面,嫦娥五号就开始为期2天的月面工作。它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,科学分工、精密配合,采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等方式,采集月壤并进行密封封装。由于嫦娥五号任务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、热控等条件约束;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。因而采样封装是此次任务的核心环节之一。


测控技术为月面采样提供了精准支撑。北京航天飞行控制中心总工程师谢剑锋表示,研制的基于视觉的月面采样区快速分析,以及采样、放样、装罐、放罐过程的快速定位,为机械臂快速调整提供支持。


地月差异的模拟试验也是保障成功的有效措施。中国航天科技集团有限公司副总经理、探月工程副总指挥杨保华表示,在嫦娥五号研制过程中,除了常规的验证天地差异、地面验证之外,还有一系列针对地月差异的模拟试验,比如在地面模拟1/6重力起飞综合试验、月面的环境、钻取采样/表取采样、样品转移的综合试验,做了几百次的模拟。


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。嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员、中国地质大学(武汉)行星科学研究所肖龙教授团队为嫦娥系列任务研制模拟月壤近10年,总共为工程单位提供了近100吨的模拟月壤。他们还研制了用于材料加工(如3D打印)的模拟月壤等,为月球基地建设等提供支撑。


如同打仗需要战场地形图一样,嫦娥五号降落月表同样需要一份详细适用的地图。据了解,嫦娥五号预选着陆区东西长约450千米、南北宽约120千米,总面积约5.5万平方千米。作为采样点选址的一项关键工作,肖龙教授带领团队在结合以往国内外月球地质填图资料和填图规范的基础上,建立了利用多源遥感数据开展月球地质填图的方法和流程,最终绘制了嫦娥五号预选着陆区地质图。


此外,超硬材料行业专家、中国地质大学(武汉)段隆臣教授团队和李大佛教授团队参加了嫦娥五号探测器自动采样任务部分钻探方案设计和钻探模拟试验等工作,为嫦娥五号配上了刚钻。


为何要在风暴洋“挖土”?


在嫦娥五号任务之前,人类已经获得的月球样品大约有380千克左右,分别来自于月球东南部的静海和丰富海。而嫦娥五号探测器选择的风暴洋着陆区年龄约32亿~40亿年,是一个更为年轻的区域。


风暴洋是月球最大的月海,南北约2500千米,面积约400万平方千米。嫦娥五号任务着陆点选择了位于月球西北部的风暴洋。在此之前,没有其他探测器曾经到达这里。那么,为什么会选择在这里?


中国科学院国家天文台研究员、探月工程三期副总设计师李春来表示,嫦娥五号还包括其他地外天体着陆的过程、区域的选择,实际上是长期的战略研究和技术迭代的过程,主要考虑以下因素。首先,工程的可实现性,包括安全降落地形地貌方面的因素,还包括能源供给的光照条件、热控条件、通信因素、测控因素。另外一个很重要的因素,就是考虑取回样品和原地探测的科学价值。“嫦娥五号的采样点选择了纬度43度的风暴洋东北角的玄武岩区域,这是全新的采样区域、全新的样品研究,对月球表面的风化作用、火山作用和区域地质背景、区域地质演化方面应该会作出很多科研贡献。”李春来说。


“挖土”有何用途?


月球样品对人类有着非常重要的意义,关系着人类未来发展的方向。此次采回的月球样品将有哪些用途呢?


吴艳华表示,此次月球样品有三类用途:一是主要用于科学研究;二是进行科普,一部分样品将入藏国家博物馆,向公众展示;三是依据国际合作公约和多边双边合作协议,国家航天局将发布月球样品和数据管理办法,与有关国家和世界的科学家共享,也有一部分按照国际惯例可能作为国礼相送。


李春来表示,对于采回的月球样品,中国科学院会妥善存储,包括异地灾备存储考虑。绝大部分样品会被用于科学研究,包括它的结构构造、物理特性、化学成份、同位素组成、矿物特点和地质演化方面,希望能够深化对月球的起源、演化方面的认识。


未来中国有哪些探月计划?


对于未来的星际探测,吴艳华表示,探月工程“三步走”,“绕、落、回”很形象,以后主要是“勘、建、用”。他介绍,“勘”就是勘察月球和其他星球的环境,包括空间环境、地质环境及各种辐射等,这是探索的最主要目的。“建”就是要建设,形成一定的基础设施能力。像嫦娥四号的鹊桥卫星就是能够提供持续不断的月地测控通信能力,再比如长期供水供电的能力等。“用”的目的主要是有关地外资源能不能供人类利用和开发。世界各国应该是围绕这么一个目的开展星际探测活动。


至于能不能搞载人旅游,吴艳华说,“我个人认为,从技术上是没问题的,关键是耗费很昂贵,现阶段还是要以服务于探测、服务于科学为首要”。


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