为了探寻月壤的奥秘

 

1935.3克！这是人类首次从月球背面采集到的月壤质量。

嫦娥六号任务期间，作为参研参试人员，中国航天科技集团有限公司（以下简称“航天科技集团”）张鼐的内心一直在“打鼓”——究竟能钻采多少月壤？

最终，经中国科学院国家天文台测量，嫦娥六号任务采集的月壤，比4年前嫦娥五号从月球正面采集的多出200余克。其中，通过钻取方式采集的月壤，比嫦娥五号任务多出约60克。

“这些样品来自于月球表面最大、最深、最古老的撞击盆地，可能包含更深层次的物质，对研究月球的演化过程具有重要意义。”日前，张鼐告诉科技日报记者，“多年来，研发团队潜心研制钻取采样装置，打造月球取壤利器，为科学家们探寻月壤奥秘打下坚实基础。”

电机仅保温杯大小

实施月球采样任务时，钻取过程中极易遭遇坚硬的玄武岩。如何破岩？除了要有高强度的切削钻头，还需要强劲的电机提供动力。

早在2008年，研发团队就开始了电机研制工作。最大的困难，是如何让它又轻又小。

“即便电机质量只增加几百克，也会让携带它的载具随之增重，从而影响整个探测器的承载和尺寸，进而可能导致发动机燃料成本大幅增加。”张鼐解释。

这就意味着，不仅要“鱼和熊掌兼得”，而且要“一举四得”——电机的体积、质量、功率和扭矩，一个都不能少！

外壳重就换材料、扭矩小就加减速器、轴承大就改款式……航天科技集团孙启臣笑称：“孙悟空是千方百计要翻出如来的手掌心，我们却是想方设法要将组件控制在‘方寸天地’内。”

反复论证，确定多级“电机+多级减速器”方案；再三考量，首次将滚针轴承应用到我国宇航级产品中；新材料、高强度框架结构等多种“黑科技”加持……团队绞尽脑汁，终于设计出仅有保温杯般大小、功率却高达千瓦以上的电机。

“疑难杂症”总是环环相扣。此时，电路控制难题又随之而来。

“星上供电电压只有29伏，要让电机功率超过千瓦级，供电电流需达到40安培左右。”张鼐告诉记者，这可能导致电机刚开始运转，就因为局部温度迅速升高而损毁。

大家又巧妙地利用逆变升压技术提高电压、减小电流，并通过混合润滑方式，在有效化解热效应集聚的同时，让整个机构受力更均匀。

随着大载荷下轻小型零件易磨损、狭小空间内电流波动引发电磁干扰、强电流时对电子电路的安全保护等难题一一获得破解，历经四代样机打磨，研发团队终于研制成功国内首款星用高功率密度电机。

预案比《新华字典》还厚

2012年，钻取采样装置迈入工程样机的研制阶段。

“这是一个复杂而繁琐的过程。”孙启臣说，“装置既要适应月球空间环境，还要满足各种地质工况要求。”

只有通过大量钻取试验，才能制定出万无一失的任务预案。

模拟出月壤是第一步。团队参考已知的月壤成分、密实度和力学参数，以及国内外相关文献资料，联合清华大学和中国地质大学展开研究。

“我们利用地球上的火山灰、玄武岩等成分相近的原材料，经过筛分、研磨，用直径10微米至41毫米的颗粒，研制不同配比的模拟月壤材料。”航天科技集团尹忠旺告诉记者，这些材料被装进几米高的桶里，按照一定的密实度要求挤压、夯实，模拟出各种真实场景下的月壤。

一桶土最多钻6次，就要更换材料，重新夯实。团队成员好似“机器人”一般，日复一日地重复着夯土、钻取、采样、分析、改进这一系列流程。

每次钻完，大家又变成了“考古队员”，细心地将钻孔剖面一层层扒开，分析记录各类参数，再与此前积累的数据进行比对，制定出不同“月壤”环境下的钻取方案。

“实际采样时，一旦遇到问题，地面就可以根据钻取参数，迅速判断遇到什么工况，对应哪种方案。”孙启臣告诉记者，“任务中，真正用于钻取的时间只有65分钟。我们必须在地面把工作做充分，节省在轨处理时间，避免现场‘拍脑门作决策’的情况。”

或许有人不解：何必如此繁琐，直接“油门到底”“火力全开”，岂不省事？

张鼐介绍，钻取采样处置方法并非越强烈越好，过于激进的方法会产生剧烈振动，造成部分已经取到的样品坠落。因此，执行任务时，会从不损失样品的方案开始尝试，按照由弱至强、逐步提升的原则采用预案。

经过数千次钻取试验，团队总结归纳出3大类、46种工况，针对所有能考虑到的状况，制订了比《新华字典》还厚的预案。2017年，研发团队完成了钻取采样装置正样研制工作。

从“提心吊胆”到“手拿把攥”

“卡住了！”“启动应急预案！”

操控人员话音刚落，旁边的孙启臣，心一下子提到了嗓子眼。每每提及2020年嫦娥五号在执行我国首次月面采样任务时，提芯上拉样品软袋遇阻的那一幕，他仍心有余悸。

38万公里外提拉受阻，一次、两次处置，均未成功。当时，团队甚至想到了最坏的结果——如果在规定时间内提不出来，上升器只能舍弃钻取样品，按计划起飞。

孙启臣虽心急如焚，但依然保持冷静。他判断，软袋里可能有较大石块，卡住了管芯。

操控人员对照预案，采取了复合性措施——将提芯机构输出能力调至最大，辅以底部冲击力，让软袋松动，终于将样品袋从钻杆内提取出来。

“就像血管中血栓一下被捅开，接下来就畅通无阻了。”孙启臣记忆犹新。事后，经国家天文台确认，样品中果然有石块。

经历过这场虚惊，到今年6月嫦娥六号采样时，孙启臣从容多了：“‘手拿把攥’的感觉，跟上次的‘提心吊胆’完全不一样。”

他的自信来源于这几年更加完善的地面准备工作——预案更充分、更细化，操作上也更加自主智能。

以前的任务，是由操控人员监视在轨参数并进行研判。而在嫦娥六号任务中，钻取采样装置实现了软件自动读取、分析参数，按程序自主操作。

“在正常工况下，程序会根据实时数据，控制电机升挡降挡、调节转速等。”尹忠旺介绍，如果参数超出阈值，程序会自动停止钻进，并显示遇到的问题，以及有哪些对应预案。待地面决策后，再按照控制指令继续工作。

如今，嫦娥五号、六号任务已圆满成功。研发团队正向着探测火星、小行星、木星等任务发起新的挑战。

9月23日，习近平总书记在接见探月工程嫦娥六号任务参研参试人员代表时发表重要讲话强调，探索太空永无止境。希望航天战线同志们再接再厉、乘势而上，精心开展月球样品科学研究，接续实施好深空探测等航天重大工程，推动空间科学、空间技术、空间应用全面发展，为建设航天强国再立新功。

“这让我们备受鼓舞，同时也深感责任重大。”孙启臣说，“未来，我们将大力弘扬追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢的探月精神，向高质量、高效益深空探测之路继续迈进！”