“胖五”送“嫦五”“奔月”采样去

所嫦娥五号研制团队部分研制人员

国家探月工程中心专家、嫦娥五号飞控专家组专家、所探月工程技术总负责人王先荣研究员。何燕摄

着陆器无损探伤测量仪

国际救援示位标

月球样品自动封装装置

月尘带电测量仪

月尘带电测量仪研制现场

探月工程，是继人造地球卫星、载人航天飞行取得成功之后祖国航天事业发展的又一座里程碑，开启了中国人走向深空探索宇宙奥秘的时代。11月24日凌晨4时30分，嫦娥五号探测器搭乘“胖五”长征五号遥五运载火箭，在海南文昌卫星发射中心顺利发射升空。嫦娥五号任务是我国首个月面采样返回任务，也是我国探月工程“绕、落、回”三步走战略规划中至关重要的一步，计划实现月面自动采样返回，助力深化月球成因和演化历史等科学研究，是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一，将为后续月球及深空探测等任务奠定科学和工程基础。如果成功，我国将成为人类历史上第三个获取月球样本的国家，相比最近的前苏联年月球24号采样返回任务，时隔44年。

“嫦五”落月之后采样封装并在其后成功返回地球这一核心任务的成败，与地处祖国西部兰州的中国航天科技集团有限公司五院研究所（即所）密不可分。“由所特种设计研制的月球样品钻取和表取设备，将在着陆后对月球表面及其下部的深层结构物质进行取样，取样后严密封装进所特殊设计的一个封装容器，然后返回地面。”国家探月工程中心专家、嫦娥五号飞控专家组专家、所探月工程技术总负责人王先荣研究员，向记者揭秘了由所独立设计研制的“嫦五”核心装置——月球样品密封封装子系统、返回地球之后的月球样品解封分装操作台为代表的所“嫦五”家族。除“嫦五”核心装置外，“嫦五”还搭载了由所研制的月尘带电及着陆器无损探伤测量仪两部科学与工程载荷，以及曾在其他型号任务中使用且进行了优化提升的国际救援示位标、贮箱、电源等其他产品，总计27台/套；另有60平方米高透明导电聚酰亚胺镀铝二次表面镜，以及活动件润滑机构件等。

1“回”不是“空手回”，要带月球物质“回家”

年，我国探月工程立项实施。嫦娥一号至嫦娥四号任务，已圆满完成我国探月工程“绕、落、回”三步走战略规划的前两步。

“探月三期‘回’以嫦娥五号作为重要且唯一的表征，它不仅要在探月一期、二期的基础上落回到月球表面进行科学和深空的探测，它的核心特征、也是与探月一期、二期任务的最大区别，所谓‘回’不是‘空手而回’，而是要带着月球的物质回来。”王先荣儒雅从容，提及迄今为止，国外只有美国和前苏联实现了月球样品的采样返回，美国是在载人条件下进行的，而“我国嫦娥五号任务的难点和技术突破，在于完全依靠独立创新设计的装备在月表进行月球样品采集、封装，并由月面发射到月球轨道，再由月球轨道返回地月轨道、地球轨道，并最终回到地球。”“嫦五”任务包含运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移、轨道分离、再入回收等12个部分。它有望实现我国航天史上的四个“首次”，首次在月球表面自动采样、首次从月面起飞、首次在月球轨道进行无人交会对接、首次带月球物质以接近第二宇宙速度返回地球。所承担的恰是最为核心、艰巨的“首次在月球表面自动采样”任务，与其他三大“首次”任务密切相关。

王先荣告诉记者，嫦娥五号是一个庞大的空间结构体系，由探测器、上升器、轨道器和返回器“四器”组成。探测器着陆于月球表面，在月表实施空间、深空、月表探测，以及其他科学载荷的探测，同时还将实施核心的月表取样任务。之后，将封装完毕的月样置入上升器，然后通过独立设计的发射装置，将上升器再次发射，推到月球轨道上，择机与在月球轨道上等待的轨道器及与之捆绑的返回器交会对接。其后，上升器内取到的样品及封装装置会被反推入返回器。最终只有返回器返回地球，实现月球取样返回。

“想象一下，如此庞大的‘四器’构成的飞行器，一定是一个庞大的质量体系。要将其发射到38万公里之外的地外天体月球，一定得是推力充分的火箭，这是嫦娥五号任务的第一大难点。”王先荣接连讲到“嫦五”任务的9大难点。除火箭推力问题，其二，是中途多次轨道修正。其三，要在月球南纬45度左右，找到一个合适的落月位置。其四，“钻取和表取装置能不能在月球开展有效的工作？”王先荣说，迄今人类对月球的了解仍非常有限，到底表面是月尘还是还有其他什么，钻取的时候能不能钻得动，碰到的是岩石还是极其坚硬的别的物质……都是未知数。其五，封装装置怎么能够保证不改变月样的物理性质和化学性质，在保持它原有的物性的情况下，把它严丝合缝地封装起来。其六，月面的再发射尚属首次。其七，月球轨道上的交会对接也是第一次。其八，再度进入月地轨道。再入大气层。其九，回收。”这些技术难点的解决，彰显了我们国家技术的先进性。”

2月球样品密封封装子系统国际领先，亦将应用于未来小行星、火星和其他深空探测任务

“月球引力只有地球的1/6，在这种环境下，着陆器如何钻孔、铲挖，能不能顺利把样品封装进上升器，以前没做过。”王先荣说。

由所独立研制的“嫦娥五号月球样品密封封装子系统”由探测器带上月表，将对采集到的月壤和月岩进行自动封装，保证月球样品在返回地面的过程中不受污染，维持样品的原始状态，充分保留其科研价值。“这次月球取样包括钻取和表取样品将达2公斤。我们的装置成功了，嫦娥五号任务就成功了；我们的装置失败了，嫦娥五号任务就失败了。所以我们所嫦娥团队在过去的7年中承担着重要的责任，同时也承受了巨大的压力。”

由于采样是在无人条件下通过设备自主动作完成的，难度巨大，需要攻克的关键技术更多。首先要实现月表环境下的盖体自动开合升降，由于对装置重量和尺寸的严格限制，盖体的上升、旋转和下降等开关盖动作只能使用一套电机组件驱动，运动机构复杂。为保证机构的可靠性，研制团队在多年的研制过程中反复进行各种工况下的开合试验，模拟装置倾斜状态下的极限拉偏试验，将装置在月面可能出现的所有工况都进行了试验。在能够保证正常开关盖的同时，要实现月面极高、低温和月尘环境干扰下的高真空密封，研制团队通过不断的摸索，最终确定了橡胶圈密封和金属挤压密封相结合的冗余密封技术，在反复试验、设计更改、再试验的过程中确立了最优的密封结构，结合火工锁紧机构实现了盖体密封和锁定。保证装置在发射上升入轨后随返回器重返地球的过程中经历严苛的振动和冲击等力学环境后仍能实现有效密封，保证月球样品的成分不发生物理与化学变化并维持月表原态。

所依托深厚的科学研究与工程研制基础，在国内首次研制了基于金属挤压密封原理的月球样品密封装置。产品突破了“极高真空样品密封技术”、“月表真空、带电月尘、高低温综合环境地面验证”等关键核心技术，使得装置性能指标达到国际先进水平。在未来我国深空探测工程中，此次设计的月球样品密封装置还可用于后续探测工程样品采集返回，如月球极区水冰采样返回任务、小行星采样返回任务、火星采样返回任务等。

3月球样品解封分装操作台已交付国家天文台

“月球样品采集成功来到地球后，如何在地面环境下打开在10的负11次方Pa那样一个极高真空环境下封装起来的封装装置，并将月球样品转移到可进行人工操作的舱内？”王先荣说，这就要用到所研制的“嫦娥五号月球样品解封分装操作台”。该装置已交付国家天文台，是我国探月三期月球样品地面应用系统的核心装置，能够在真空环境下对返回地面后的月球采样封装装置进行解封及收集月球样品释放的稀有气体，并在高纯氮气环境下对月球样品进行收集、登记、切割、描述等处理，最大限度保证月球样品尽可能少受地球外部环境的影响，避免月球样品氧化和污染，满足深空探测任务中地外天体样品密封容器解封、处理和保存等需求。

该产品创新性地提出了分舱段进行月球样品解封及处理的方案，解决了样品密封装置解封时内外压差过大及真空环境下无法操作处理样品的难题，实现了真空环境下月球样品密封封装装置的解封及高纯氮气环境下月球样品的操作和处理。针对微量月球样品释放稀有气体难以采集的技术难点，设计了气体采集装置，实现了月球样品释放稀有气体采集及成分分析，解决了月球样品释放气体采集的难题。设计了自动解封机构，通过一套机构实现旋转解除样品密封、直线提升打通月球样品初级封装容器等多个动作，具有自动定位、自动解封的创新功能。

4月尘带电测量仪将实现人类首次对月尘带电的直接测量

“两项核心装置而外，嫦娥五号探测器上还搭载了所两个新的科学载荷——嫦娥五号月尘带电测量仪和嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪。”王先荣说。

距离地球38万公里的月球上存在着尘土，叫做月尘，这些尘土可能在微流星和人类活动的情况下被激起而四散飞扬。所为嫦娥三号研制的月尘测量仪采用了高灵敏和大量程传感器组合式的探测方法，可以测量着陆过程和自然状态下月尘累积质量。而在嫦娥五号项目中，为了进一步了解月尘的特性，设计研制了测量悬浮月尘带电的科学载荷装置。

月尘是月面环境中最重要的空间存在与环境因素，它的悬浮和输运会对航天器探测载荷以及宇航员健康造成直接影响与危害，密切关系着航天探测科学目标的实现乃至整个探测任务的成败，而月尘带电被认为是使其悬浮和输运的重要因素。

月尘带电测量仪由两套相同的测量探头组成，月尘带电测量探头是嫦娥五号着陆器工程参数测量分系统的一部分，它能够对月球表面由自然环境影响引起的月尘带电特性进行测量。每套探头又分别由一组阻滞栅网（阻滞势分析仪）和一台微质量天平（粘性石英晶体微量天平）组成。阻滞栅网像扇门，在一定时候，只有满足一定条件的“月尘”才可以通过，这个条件就和月尘的带电量有关（荷质比）。栅网下方是一个由粘性薄膜和石英晶片组成的微质量天平，它相当于月尘颗粒的“体重秤”，这是目前最灵敏的“秤”，甚至可以测到纳克级的质量。当通过栅网的月尘颗粒被粘性膜“粘住”后，这些颗粒的质量就被称量出来了。于是，通过设置不同的“门槛”，不同带电量的月尘就被测量出来了。月尘带电测量探头获取的月尘相关特性数据可为后续载人登月的月尘防护和清除提供设计依据，具有重要的工程应用价值。

所月尘带电测量仪将被安装在嫦娥五号着陆器的顶部，这将是自美国阿波罗计划以来，人类第一次对月球表面的尘埃带电进行直接测量。

5着陆器无损探伤测量仪为着陆器“验伤”

嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪是在着陆器着陆时，用来检测与力学支撑结构连接处受冲击产生的损伤状况的仪器设备。该设备可以为地面环境试验提供在轨数据，并为后续月球登陆提供设计优化支持。

在航天这种对产品可靠性要求极高的特殊领域，无损检测与评价技术水平在一定程度上反映了国家航天器的技术发展水平。目前国际上公认的适合空间应用的无损检测方法主要包括电涡流无损检测方法、电磁超声无损检测方法和目视法三种方法，其中电涡流无损检测技术发展最为成熟。所嫦娥五号着陆器无损探伤测量仪采用的是脉冲电涡流无损检测技术，根据任务目标，探头的工作实际上分为在轨测量和地面数据处理应用两个阶段。在轨测量主要是着陆过程中着陆器受着陆冲击损伤状况的测量。地面数据处理主要是对在轨测量数据进行反演，利用地面标定实验结果对测量数据进行定量或定性分析，获得着陆器支撑结构连接部位受冲击损伤状况，为地面环模试验提供验证，并为后续深空探测着陆设计改进提供技术支持。

此外，所着陆器无损探伤测量仪还采用了先进的TMR无损检测技术，该项技术是国际无损检测技术的重要发展方向。由于我国对高性能TMR传感器的研究起步晚，尤其是空间应用尚未开展，为此，所研制了基于TMR的弱磁场传感器，满足无损检测之用。其中，采用TMR进行无损检测中线圈与TMR的集成技术、TMR无损检测仪的标定技术等在国内均属首次，因此，研制具有空间环境适应能力的高性能TMR传感器技术是无损检测技术中的关键技术之一，也是本项目的创新点。

6所为“嫦五”提供的其他产品

王先荣透露，嫦娥五号探测器将于11月30日左右着陆月表采样，12月中下旬返回地面。在整个“嫦五”任务中，还将用到所研制的嫦娥五号着陆缓冲机构信号装置，钻取样品截取和剪切装置，喷气组件（喷气转移装置作为密封封装装置的备份转移手段，是一种冗余设计，在主份样品转移方案失效的情况下，将上升器储气瓶中的剩余气体通过喷气组件的3个喷管喷出，产生的超音速气体射流撞击在密封封装装置的底板，在高真空环境下产生一定的推力，进而将密封封装装置从上升器的初始位置推送一段距离到返回器的样品容器舱内，完成密封封装装置的转移），采样视觉标识，国际救援示位标，润滑活动件，水升华器贮箱和电源产品等。

嫦娥五号的使命是实现月球区域软着陆及月面采样返回，是中国首个实施无人状态下月面采样返回的航天器，是探月工程中最关键的探测器，也是中国探月工程第三阶段的收官之战。在此次任务中，所继续发挥自身技术优势，通过多年创新攻关，以多样产品组成“探月家族”向月球进发，用拼搏进取的创新精神助力中国探月工程，为建设航天强国再谱新篇！

兰州日报社全媒体记者何燕/文所供图