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嫦娥五號任務一周年系列回顧——采樣之旅

來源：中國探月工程

嫦娥五號任務成功發射后, 經地月轉移、近月制動、環月飛行、動力下降等飛行過程, 于2020年12月1日著陸在月球北緯43.1°、西經51.8°的風暴洋東北部預選著陸區，現已將著陸區命名為“天船基地”（Statio Tianchuan），這也是繼阿波羅11號任務靜海基地、嫦娥四號任務天河基地之后的第三個以“基地”命名的月面地理實體。12月2日，完成了月面鉆取采樣、表取采樣與密封封裝, 共獲取月球樣品1731克，成為人類歷史上無人自動采集月球樣品最多的一次。

看點1:挑戰未知——新區域、新環境、新設計

第一個挑戰是著陸環境和地質條件的不確知。嫦娥五號著陸點選擇了一個獨具特色的、探測器從未到達過附近區域的位置，著陸點的精細月表環境和月面下的地質條件事前未知，這給采樣和封裝設備的溫度適應性、采樣機構的樣品獲取能力、采樣和封裝控制策略的自主適應性和工作程序的動態調整能力提出了更高的要求。

第二個挑戰是工作時間短，工作項目多。嫦娥五號著上組合體在月面工作總時長約2個地球日, 實施月面采樣封裝及多項科學探測活動, 并完成月面起飛準備等工作, 時間十分寶貴。兩種采樣方式涉及區域廣, 樣品封裝要求高, 工作環節復雜, 這種短期高集中工作模式加大了產品熱設計、操控設計的難度, 也對采樣封裝的感知、規劃、操控以及天地鏈路信息傳送的快速性、正確性、可靠性提出了更高的要求。

看點2:鉆取采樣——小鉆頭，大能耐

由于月面環境及鉆進角度的不可確知，這對鉆取采樣裝置的設計提出了極大的考驗。當我們在地球上進行鉆探工作時，往往會根據不同的鉆進目標選擇不同的鉆頭類型。但面對目標特性未知的月球鉆取，鉆頭需要具有寬范圍適應能力。嫦娥五號探測器使用的鉆頭由特殊的硬質合金材料制造，確保能夠應對各種硬度和類型的目標材質。鉆桿長度雖然超過2.5米，但主體材料采用鋁基碳化硅材料，設備重量降到最輕。鉆桿內部則裝有高柔韌度、高強度的取芯軟袋。

鉆進過程中，外層月壤通過切削刃與旋翼排粉的方式排出，鉆頭取芯通道的內層月壤被切割后進入取芯袋。軟質取芯袋的末端采用特殊的高彈性記憶合金進行封口處理，確保采集到的樣品不會灑漏。隨后，整形機構轉動，將裝有月壤樣品的取芯袋從取芯鉆具中提拉出來，有序纏繞在鉆取樣品初級封裝容器內，之后將鉆取樣品初級封裝容器分離，使之掉入密封封裝裝置內部，完成月壤的鉆取采樣與封裝。

看點3:表取采樣——靈活自如的機械臂

為了獲取多點多類的表面月球樣品，嫦娥五號探測器設計了大臂展、輕量化、大驅動力矩的機械臂，配置鏟挖和旋挖兩種不同的采樣器，安裝了近攝和遠攝兩個視覺相機。

這套復雜的裝置功能強大。機械臂就像是人類身體的一部分，仿生人類肩、肘、腕手臂工作特點，設計了四自由度活動關節，運動靈活。鏟挖采樣器前端由搖臂鏟和伸縮鏟組成，搖臂鏟的外形呈勾狀，邊緣部分設計成細齒狀，伸縮鏟的外形呈鏟狀金屬罩，可通過鏟、夾等方式獲取月壤樣品。鏟挖開始前，將鏟挖采樣器調整至水平狀態，搖臂鏟打開，伸縮鏟往后收縮，鏟挖時，搖臂鏟圓弧運動完成月壤鏟挖，月壤保持在搖臂鏟中，隨后，伸縮鏟往前推出，與搖臂鏟形成閉合空間，避免月壤樣品灑出。

旋挖采樣器適用于特定形態的月壤樣品，采用了振動吸納式管狀取芯設計。由于鏟挖采樣器工作十分順利，在本次任務中未使用旋挖采樣器。

看點4: 天地一體操控——決勝千里之外

月面采樣封裝任務要在短時間內完成一系列復雜的高精度操作，涉及大量的地月間信息指令傳輸和系統間協同。嫦娥五號任務采用“地面提前驗證、月面協同實施”的采樣封裝器地一體化操控方案，突破了月面鉆取、表取、樣品轉移及精準操控的技術，通過"支持中心、飛控中心、探測器"三位一體的天-地交互操作工作模式，實現了安全、高效、多樣的預定采樣目標。同時通過原位探測，建立了月球樣品現場數據與地面分析數據的關聯關系，為相關月球科學研究提供了更豐富、全面的數據支撐。

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