為了探尋月壤的奧秘

1935.3克！這是人類首次從月球背面采集到的月壤質量。

嫦娥六號任務期間，作為參研參試人員，中國航天科技集團有限公司（以下簡稱“航天科技集團”）張鼐的內心一直在“打鼓”——究竟能鉆采多少月壤？

最終，經中國科學院國家天文臺測量，嫦娥六號任務采集的月壤，比4年前嫦娥五號從月球正面采集的多出200余克。其中，通過鉆取方式采集的月壤，比嫦娥五號任務多出約60克。

“這些樣品來自于月球表面最大、最深、最古老的撞擊盆地，可能包含更深層次的物質，對研究月球的演化過程具有重要意義。”日前，張鼐告訴科技日報記者，“多年來，研發團隊潛心研制鉆取采樣裝置，打造月球取壤利器，為科學家們探尋月壤奧秘打下堅實基礎。”

電機僅保溫杯大小

實施月球采樣任務時，鉆取過程中極易遭遇堅硬的玄武巖。如何破巖？除了要有高強度的切削鉆頭，還需要強勁的電機提供動力。

早在2008年，研發團隊就開始了電機研制工作。最大的困難，是如何讓它又輕又小。

“即便電機質量只增加幾百克，也會讓攜帶它的載具隨之增重，從而影響整個探測器的承載和尺寸，進而可能導致發動機燃料成本大幅增加。”張鼐解釋。

這就意味著，不僅要“魚和熊掌兼得”，而且要“一舉四得”——電機的體積、質量、功率和扭矩，一個都不能少！

外殼重就換材料、扭矩小就加減速器、軸承大就改款式……航天科技集團孫啟臣笑稱：“孫悟空是千方百計要翻出如來的手掌心，我們卻是想方設法要將組件控制在‘方寸天地’內。”

反復論證，確定多級“電機+多級減速器”方案；再三考量，首次將滾針軸承應用到我國宇航級產品中；新材料、高強度框架結構等多種“黑科技”加持……團隊絞盡腦汁，終于設計出僅有保溫杯般大小、功率卻高達千瓦以上的電機。

“疑難雜癥”總是環環相扣。此時，電路控制難題又隨之而來。

“星上供電電壓只有29伏，要讓電機功率超過千瓦級，供電電流需達到40安培左右。”張鼐告訴記者，這可能導致電機剛開始運轉，就因為局部溫度迅速升高而損毀。

大家又巧妙地利用逆變升壓技術提高電壓、減小電流，并通過混合潤滑方式，在有效化解熱效應集聚的同時，讓整個機構受力更均勻。

隨著大載荷下輕小型零件易磨損、狹小空間內電流波動引發電磁干擾、強電流時對電子電路的安全保護等難題一一獲得破解，歷經四代樣機打磨，研發團隊終于研制成功國內首款星用高功率密度電機。

預案比《新華字典》還厚

2012年，鉆取采樣裝置邁入工程樣機的研制階段。

“這是一個復雜而繁瑣的過程。”孫啟臣說，“裝置既要適應月球空間環境，還要滿足各種地質工況要求。”

只有通過大量鉆取試驗，才能制定出萬無一失的任務預案。

模擬出月壤是第一步。團隊參考已知的月壤成分、密實度和力學參數，以及國內外相關文獻資料，聯合清華大學和中國地質大學展開研究。

“我們利用地球上的火山灰、玄武巖等成分相近的原材料，經過篩分、研磨，用直徑10微米至41毫米的顆粒，研制不同配比的模擬月壤材料。”航天科技集團尹忠旺告訴記者，這些材料被裝進幾米高的桶里，按照一定的密實度要求擠壓、夯實，模擬出各種真實場景下的月壤。

一桶土最多鉆6次，就要更換材料，重新夯實。團隊成員好似“機器人”一般，日復一日地重復著夯土、鉆取、采樣、分析、改進這一系列流程。

每次鉆完，大家又變成了“考古隊員”，細心地將鉆孔剖面一層層扒開，分析記錄各類參數，再與此前積累的數據進行比對，制定出不同“月壤”環境下的鉆取方案。

“實際采樣時，一旦遇到問題，地面就可以根據鉆取參數，迅速判斷遇到什么工況，對應哪種方案。”孫啟臣告訴記者，“任務中，真正用于鉆取的時間只有65分鐘。我們必須在地面把工作做充分，節省在軌處理時間，避免現場‘拍腦門作決策’的情況。”

或許有人不解：何必如此繁瑣，直接“油門到底”“火力全開”，豈不省事？

張鼐介紹，鉆取采樣處置方法并非越強烈越好，過于激進的方法會產生劇烈振動，造成部分已經取到的樣品墜落。因此，執行任務時，會從不損失樣品的方案開始嘗試，按照由弱至強、逐步提升的原則采用預案。

經過數千次鉆取試驗，團隊總結歸納出3大類、46種工況，針對所有能考慮到的狀況，制訂了比《新華字典》還厚的預案。2017年，研發團隊完成了鉆取采樣裝置正樣研制工作。

從“提心吊膽”到“手拿把攥”

“卡住了！”“啟動應急預案！”

操控人員話音剛落，旁邊的孫啟臣，心一下子提到了嗓子眼。每每提及2020年嫦娥五號在執行我國首次月面采樣任務時，提芯上拉樣品軟袋遇阻的那一幕，他仍心有余悸。

38萬公里外提拉受阻，一次、兩次處置，均未成功。當時，團隊甚至想到了最壞的結果——如果在規定時間內提不出來，上升器只能舍棄鉆取樣品，按計劃起飛。

孫啟臣雖心急如焚，但依然保持冷靜。他判斷，軟袋里可能有較大石塊，卡住了管芯。

操控人員對照預案，采取了復合性措施——將提芯機構輸出能力調至最大，輔以底部沖擊力，讓軟袋松動，終于將樣品袋從鉆桿內提取出來。

“就像血管中血栓一下被捅開，接下來就暢通無阻了。”孫啟臣記憶猶新。事后，經國家天文臺確認，樣品中果然有石塊。

經歷過這場虛驚，到今年6月嫦娥六號采樣時，孫啟臣從容多了：“‘手拿把攥’的感覺，跟上次的‘提心吊膽’完全不一樣。”

他的自信來源于這幾年更加完善的地面準備工作——預案更充分、更細化，操作上也更加自主智能。

以前的任務，是由操控人員監視在軌參數并進行研判。而在嫦娥六號任務中，鉆取采樣裝置實現了軟件自動讀取、分析參數，按程序自主操作。

“在正常工況下，程序會根據實時數據，控制電機升擋降擋、調節轉速等。”尹忠旺介紹，如果參數超出閾值，程序會自動停止鉆進，并顯示遇到的問題，以及有哪些對應預案。待地面決策后，再按照控制指令繼續工作。

如今，嫦娥五號、六號任務已圓滿成功。研發團隊正向著探測火星、小行星、木星等任務發起新的挑戰。

9月23日，習近平總書記在接見探月工程嫦娥六號任務參研參試人員代表時發表重要講話強調，探索太空永無止境。希望航天戰線同志們再接再厲、乘勢而上，精心開展月球樣品科學研究，接續實施好深空探測等航天重大工程，推動空間科學、空間技術、空間應用全面發展，為建設航天強國再立新功。

“這讓我們備受鼓舞，同時也深感責任重大。”孫啟臣說，“未來，我們將大力弘揚追逐夢想、勇于探索、協同攻堅、合作共贏的探月精神，向高質量、高效益深空探測之路繼續邁進！”