月壤地質(zhì)勘探的“十八般武藝”

陳薪碩 李守定 隋旺華

阿波羅時(shí)期的宇航員使用的電動(dòng)鉆機(jī)（實(shí)驗(yàn)圖）

2020年12月17日，我國(guó)“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的返回器攜帶著1731克珍貴的月壤樣品安全返回地球。這是世界上第一次完全由計(jì)算機(jī)自主控制的月球采樣任務(wù)。至此，我們才算是真正實(shí)現(xiàn)了古時(shí)“上九天攬?jiān)隆钡脑竿?，一覽月壤的真容。但在取回樣本之前，我們又是怎樣了解和研究月壤的呢？

自升空以來(lái)，“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器就備受世人關(guān)注，但其實(shí)它還有很多的“老前輩”。其中，我們最熟悉的莫過(guò)于“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器了，當(dāng)然也包括陪伴它們一起奔月的“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”月球車(chē)。這些成功登上月球的探測(cè)器，在完成任務(wù)的過(guò)程中使出了“十八般武藝”，各顯神通，為我們提供了了解月球、研究月壤的寶貴機(jī)會(huì)。

“嫦娥四號(hào)”著陸器地形地貌相機(jī)對(duì)“玉兔二號(hào)”巡視器成像。

“玉兔二號(hào)”車(chē)轍

“玉兔二號(hào)”測(cè)月雷達(dá)沿途探測(cè)月表下結(jié)構(gòu)。

“火眼金睛”

月球探測(cè)器上搭載的用來(lái)研究月壤的科學(xué)儀器中，最為常見(jiàn)的便是相機(jī)了，幾乎所有的探測(cè)任務(wù)中都采用了攝影測(cè)量這種探測(cè)方法。我國(guó)“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器上就攜帶有降落相機(jī)、全景相機(jī)和地形地貌相機(jī)等不同種類(lèi)的攝影裝備。

降落相機(jī)，顧名思義，就是著陸器在降落過(guò)程中實(shí)施拍攝任務(wù)的相機(jī)，它位于著陸器的下方。在降落前的最后2000米路程中，降落相機(jī)對(duì)月球表面進(jìn)行連續(xù)的拍攝，不僅為著陸器著陸位置的選擇提供了參考依據(jù)，也借機(jī)看清了月球表面土壤和巖石的大小和形態(tài)。成功降落之后，拍攝月球別樣風(fēng)景的任務(wù)就交接到了地形地貌相機(jī)和全景相機(jī)身上，前者裝備在“嫦娥三號(hào)”和“嫦娥四號(hào)”探測(cè)任務(wù)的著陸器上，后者則裝備在月球車(chē)上。尤其是“玉兔二號(hào)”月球車(chē)上搭載的兩臺(tái)全景相機(jī)，像是變色龍的兩只眼睛一樣長(zhǎng)在桅桿兩側(cè)，可以進(jìn)行水平與豎直旋轉(zhuǎn)，通過(guò)這種改變朝向和俯仰角的方式，注視著周?chē)l(fā)生的一切?？茖W(xué)家對(duì)傳回的上百?gòu)堈掌M(jìn)行拼接，就可以得到周?chē)L(fēng)景的全貌圖。

不同國(guó)家的月球探測(cè)器，拍攝的內(nèi)容都大同小異，但也并不局限于拍攝天然景觀，它們還很青睞“人類(lèi)的足跡”。在探測(cè)器或宇航員降落、巡視、行走時(shí)，難免會(huì)在月球表面留下蹤跡。“嫦娥四號(hào)”探測(cè)器的地形地貌相機(jī)就曾記錄下了“玉兔二號(hào)”月球車(chē)的車(chē)轍。早在幾十年前的“阿波羅”月球勘測(cè)時(shí)代，宇航員也曾用相機(jī)記錄下了“個(gè)人一小步，人類(lèi)一大步”的足跡?？蓜e小看這些痕跡，科學(xué)家們已經(jīng)通過(guò)深度和形態(tài)的研究，從中計(jì)算出了月壤的力學(xué)性質(zhì)。

“耳聽(tīng)八方”

面對(duì)月球表面的復(fù)雜環(huán)境，月球探測(cè)不能只停留在觀其表象，而要“眼觀六路，耳聽(tīng)八方”。當(dāng)然，這個(gè)“聽(tīng)”可不是聽(tīng)聲音，而是“聆聽(tīng)”反射波。依據(jù)不同的反射波，這種勘探方法可被細(xì)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是接收“月震波”的月震儀;另一類(lèi)是接收電磁波的測(cè)月雷達(dá)。類(lèi)似于光（光也是一種電磁波）射向水面時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射，月震波或電磁波遇到地下障礙物，或者不同土壤或巖石的界面時(shí)，也會(huì)發(fā)生反射和折射。根據(jù)接收到的這些反射波和折射波的時(shí)間和分布，就可以反推地下土壤中巖石的大小與位置，以及不同層的分界情況。

使用月震儀進(jìn)行相關(guān)探測(cè)主要是在“阿波羅”月球勘測(cè)時(shí)代，由美國(guó)宇航員親自部署儀器?！鞍⒉_11號(hào)”至“阿波羅17號(hào)”中，除“阿波羅13號(hào)”任務(wù)出現(xiàn)差錯(cuò)外，其余6次任務(wù)都涉及到了月震波探測(cè)。經(jīng)過(guò)這幾次任務(wù)，最終在月球的正面形成了一個(gè)呈正三角形的探測(cè)網(wǎng)絡(luò)，不斷收集月震波數(shù)據(jù)。除了等待月球自身發(fā)生的地震以外，我們還可以主動(dòng)制造小規(guī)模的地震。在“阿波羅”計(jì)劃中，就采用過(guò)向月球表面扔炸彈、發(fā)射導(dǎo)彈的方法制造震動(dòng)波，再由提前布置好的儀器收集月震波數(shù)據(jù)，以此分析月球表面下的分層結(jié)構(gòu)。

在我國(guó)已執(zhí)行的探月任務(wù)中并未使用月震儀，裝備的是更為先進(jìn)的測(cè)月雷達(dá)。測(cè)月雷達(dá)會(huì)向地下發(fā)射電磁波，再接收地下反射回來(lái)的電磁波，像做CT一樣對(duì)地下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描。“玉兔號(hào)”和“玉兔二號(hào)”月球車(chē)裝備的測(cè)月雷達(dá)可以探測(cè)地下數(shù)百米的深度，“聽(tīng)”得非常遠(yuǎn)。而“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的測(cè)月雷達(dá)則更注重細(xì)節(jié)，雖然只能掃描3米深的月壤，卻可以分辨出地下幾厘米大小的石塊，真正做到了明察秋毫。

“神臂通天”

除了“耳聰目明”，執(zhí)行任務(wù)的探測(cè)器還擁有“通天神臂”，輔助進(jìn)行各種各樣的探測(cè)活動(dòng)?！版隙鹞逄?hào)”探測(cè)器就有這樣一條“神臂”，它的結(jié)構(gòu)和人的手臂相同，分為大臂和小臂，大臂可以在水平垂直兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以自由屈伸，實(shí)現(xiàn)360°無(wú)死角操作。機(jī)械臂的末端是“手”（一個(gè)圓柱形帶蓋的取土器），可以鏟取月壤。在“嫦娥五號(hào)”帶回的月壤中，有1500克都是靠這只“手”挖回來(lái)的。7年前，它的前輩“玉兔號(hào)”月球車(chē)也有一條機(jī)械臂，被稱(chēng)為“玉兔之手”。但受技術(shù)限制，當(dāng)時(shí)“玉兔之手”的大臂僅能進(jìn)行左右擺動(dòng)，小臂僅能上下擺動(dòng)，手臂末端是一臺(tái)X射線(xiàn)譜儀，用來(lái)探測(cè)分析月壤的化學(xué)成分。

“嫦娥五號(hào)”機(jī)械臂與表取鏟斗（模型）

玉兔號(hào)“玉兔之手”

?“勘察者3號(hào)”機(jī)械臂與鏟斗

在20世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)射的“勘察者3號(hào)”和“勘察者7號(hào)”兩輛月球探測(cè)器都是配備有機(jī)械臂的，只不過(guò)結(jié)構(gòu)是相對(duì)原始的菱形，這與我們?nèi)粘Ｉ钪械纳炜s門(mén)類(lèi)似，活動(dòng)能力受到較大的限制。這兩輛月球探測(cè)器的“手”是貨真價(jià)實(shí)的挖掘斗，除了可以挖取土壤外，還可以將蓋子關(guān)閉對(duì)土壤進(jìn)行壓實(shí)，對(duì)抓在手中的土壤進(jìn)行稱(chēng)重，可謂功能齊全。

“一槍封喉”

傳說(shuō)中的孫悟空擁有火眼金睛，會(huì)眾多法術(shù)，可依舊離不了如意金箍棒。我們的月壤勘探也是如此，除去自身的過(guò)硬本領(lǐng)，還需一件趁手的“兵器”——“圓錐貫入儀”。一般來(lái)說(shuō)，圓錐貫入儀呈長(zhǎng)槍狀，由長(zhǎng)柄和圓錐形探頭組成。勘探時(shí)，將該儀器以一定的速度刺入土壤中，錐形探頭內(nèi)的傳感器便會(huì)實(shí)時(shí)記錄受到的阻力，以此研究土壤的力學(xué)性質(zhì)。

阿波羅時(shí)期的圓錐貫入儀

“月球13號(hào)”圓錐貫入儀

“月球車(chē)1號(hào)”圓錐貫入儀

“月球16號(hào)”探測(cè)器（左下為取樣鉆機(jī)）

“嫦娥五號(hào)”的樣品儲(chǔ)存“卷香腸”

“阿波羅”月球勘測(cè)時(shí)代，美國(guó)宇航員親自出馬，在月球表面進(jìn)行了多次試驗(yàn)，其使用的圓錐貫入儀還可以自動(dòng)記錄刺入土壤的深度，便于進(jìn)一步的計(jì)算和分析。由于沒(méi)有宇航員登月，蘇聯(lián)探月任務(wù)中的圓錐貫入儀都是安裝在無(wú)人探測(cè)器上的。受空間限制，儀器并沒(méi)有那么長(zhǎng)的柄，因此縮減了最大測(cè)量深度?！霸虑?3號(hào)”探測(cè)器的圓錐貫入儀為伸縮式，錐形探頭起初是縮在短柄內(nèi)的，在接收到啟動(dòng)指令后，內(nèi)部的小發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，將錐形探頭推入土壤中?！霸虑蜍?chē)1號(hào)”的圓錐貫入儀則經(jīng)過(guò)了進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)，在錐形探頭的兩側(cè)加裝了葉片，刺入土壤后還可以進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，破壞周?chē)寥?，以獲得更多的數(shù)據(jù)資料。試驗(yàn)完成后，通過(guò)鉸鏈將儀器從土壤中拔出，在“月球車(chē)1號(hào)”行駛到下一個(gè)目標(biāo)位置時(shí)，再進(jìn)行下一次試驗(yàn)。

“探囊取物”

在月球上研究月壤，終歸是遠(yuǎn)距離操控。若想研究得更加透徹，還得練就“探囊取物”的功夫，將深層的月壤帶回地球?qū)嶒?yàn)室。

具體來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是由鉆機(jī)完成的。鉆機(jī)由鋒利的鉆頭和鉆桿組成，兩者均是空心結(jié)構(gòu)。在鉆孔過(guò)程中，鉆頭和鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)向下保持著一定的壓力，甚至是有規(guī)律的沖擊。旋轉(zhuǎn)和沖擊的同時(shí)作用，使鉆頭接觸的月壤逐漸破碎。由于鉆頭和鉆桿都是空心結(jié)構(gòu)的，因此中間會(huì)有一部分圓柱形的月壤被完整保留下來(lái)，并隨著鉆頭逐漸向下的運(yùn)動(dòng)慢慢進(jìn)入鉆桿。鉆孔完成后，拆下鉆桿并密封，這個(gè)包裹著月壤的圓柱形長(zhǎng)筒就可以被帶回地球了。

在“阿波羅”登月期間，由宇航員手動(dòng)操作取得了數(shù)量可觀的圓柱形樣品。而在蘇聯(lián)的月球探測(cè)任務(wù)中，鉆機(jī)被安裝在探測(cè)器的一處長(zhǎng)桿末端，采樣后長(zhǎng)桿旋轉(zhuǎn)將樣品送到探測(cè)器頂部的密封艙中帶回，整個(gè)過(guò)程是由地面控制中心的工作人員遠(yuǎn)程操控完成的。后續(xù)的任務(wù)中鉆機(jī)的設(shè)計(jì)也得到了改進(jìn)，增加了一條軌道，可以取回更多的月壤。而我國(guó)的“嫦娥五號(hào)”探測(cè)器的鉆機(jī)在技術(shù)上有了很大的進(jìn)步，從開(kāi)始鉆孔，控制鉆頭旋轉(zhuǎn)的速度和力度，到最后圓柱形樣品的密封儲(chǔ)存，全部由計(jì)算機(jī)自主控制，使得這項(xiàng)工作變得高效且穩(wěn)定。在儲(chǔ)存方面，傳統(tǒng)用來(lái)存儲(chǔ)土壤樣品的鉆桿是硬邦邦的長(zhǎng)筒，而“嫦娥五號(hào)”采用了一個(gè)長(zhǎng)的軟袋子，鉆孔結(jié)束后，就可以像卷香腸一樣盤(pán)起來(lái)，大大節(jié)省了存儲(chǔ)所需的空間。

近來(lái)，一句“我們的征途是星辰大?！被鸨榱司W(wǎng)絡(luò)?？v使月球上沒(méi)有空氣、引力過(guò)小，極冷極熱，環(huán)境非常惡劣，也阻擋不了我們心向宇宙、探索未知的熱情。對(duì)月壤的研究將為未來(lái)我們真正踏上月球，甚至在月球居住起到至關(guān)重要的推動(dòng)作用。人類(lèi)正在運(yùn)用自己的智慧，創(chuàng)造出一代又一代身懷絕技的探測(cè)器，從而揭曉宇宙中無(wú)窮無(wú)盡的奧秘。