[科普中国]-月球土壤

据国家航天局消息，嫦娥五号探测器于12月2日顺利完成月球表面自动采样，并按预定方案将月球土壤封装保存在上升器携带的贮存装置中。12月17日，携带1731克月球土壤样品的嫦娥五号返回器降落在内蒙古四子王旗。月球样品中究竟有哪些奥秘值得我们如此费力去挖掘？人类在去月球“挖土”这件事上取得过哪些成就？嫦娥五号挖掘月球土壤的过程中用到了什么技术手段？让我们来了解一下。

一、挖掘月球土壤的科学意义

月球土壤就是月球上的土壤，由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成，其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。月球土壤是研究月球的样本，通过研究这些月壤物质，可以了解月球的地质演化历史，也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

本次嫦娥五号在月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆，此地其他国家的探测器从未到访过，具有重大的科考价值。风暴洋相对较年轻，富集铀、钍、钾等放射性元素，该地有大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，科学家们将更好地了解月球的火山活动和演化历史。

二、人类月球“挖土”史

冷战期间，航天超级大国美国和苏联都很热衷于去月球采样。苏联月球16号探测器从月球丰富海取回了一块101克的小样本。月球20号探测器和月球24号探测器则分别从阿波罗尼厄斯高地和月球危海采集到了55克与170克样品。美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务，除了阿波罗13号因发生故障中途返回，其余6艘飞船皆完成登月，成功将12名航天员送上月球，共带回月壤和月岩样品约381.7千克。此次嫦娥五号探月采样，是四十多年后人类再一次从月球上带回样品。

三、嫦娥五号的“挖土”手段

自动采样是嫦娥五号任务的核心关键环节之一。嫦娥五号有着机械臂表取、钻具钻取两种取样方式，通过深钻、浅钻、铲土、挖土、夹土等各种方式，实现了多点、多样化自动采样。对于钻取这种方式来说，嫦娥五号落地后不能移动，落到哪就得在哪钻，这对钻取适应性提出很高要求。对此，科研人员开展了上千次地面钻取试验，积累了不同工况的钻取参数数据库；通过在轨预编程自主控制，实现钻取子系统“回转”、“冲击”和“回转+冲击”三种模式，同时不同模式可以自由切换，以适应多种月壤工况。

复杂的月壤构成、剧烈的环境温度变化、苛刻的轻量化要求，对钻取设备自身也有着苛刻的要求，这意味着常规金属材料无法满足制备需要。科研人员通过研发铝基复合材料大尺寸坯锭及多道次变形加工工艺，得到了高强度铝基复合材料。同时，针对钻杆用材开展材料高取向微观结构设计，在保证耐磨性的同时，实现材料高强塑性匹配，先后突破了复合材料内孔高精度、高直线度加工、热处理强化与矫直等关键技术。研制的钻杆耐磨性和强度可与钢材媲美，又减重65%，这才制造出能掘地两米的月壤钻杆。

本次中国获得的月球样本将帮助科学家绘制出更清晰的月球历史图景，新的样本提供的月球年龄“将是嫦娥五号样本最重要、最令人兴奋的新发现”。期待嫦娥五号带回的月壤样品，会带给科学家们振奋人心的发现，进一步揭开月球的神秘面纱。

参考资料：

[1]嫦娥五号即将升空 “挖土”之旅或可改写月球历史.科技日报.2020.11.19

[2]月亮之上 嫦娥五号如何挖运土样.科技日报.2020.12.04

[3]金属所为嫦娥五号月球钻土制造钻杆.中国科学院金属研究所.2020.12.04

[4]探月“三步走” 收官“有看头”——中国探月工程嫦娥五号任务正式启航.新华网.2020.11.24

[5]从月球“抓把土” 看看她的“芳龄”.科技日报.2020.11.23