嫦娥五號探測器月面鏟挖采樣前后狀態(tài)變化分析

鄧湘金，鄭燕紅，金晟毅，姚 猛，趙志暉

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

0 引 言

探月工程三期的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月球無人采樣返回[1]，嫦娥五號采樣封裝系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)是為我國首次獲取月球樣品。

不少研究者對月球表面月壤的表現(xiàn)狀態(tài)及其可能演化機(jī)理開展了研究，不同深度月壤的形態(tài)差異，可能會提供月球演化歷史和表層月壤的空間風(fēng)化機(jī)理等信息。美國在阿波羅任務(wù)中，對月球表面的狀態(tài)變化情況進(jìn)行了詳細(xì)記錄，阿波羅11號任務(wù)器著陸于月球的靜海，文獻(xiàn)[2]記錄了這種變化：“在剛翻開的土壤中，新鮮面都是深暗的灰色，很像野外的玄武巖”；“在取芯樣的底部，樣品物質(zhì)比表面物質(zhì)陰暗”；“走動或踢動帶起的物質(zhì)一般要比沒有觸動的表面物質(zhì)更暗”。Zhu等[3]利用橄欖石和鈦鐵礦石研究了其外表形態(tài)在低能He+離子輻射前后的變化，結(jié)果表明He+離子輻射對橄欖石和鈦鐵礦有顯著影響，未經(jīng)受He+離子輻射的礦石顆粒具有銳利的邊緣，經(jīng)受He+離子輻射后的礦石顆粒的表面變得平滑，邊緣變圓，所有經(jīng)受He+離子輻射的鈦鐵礦石顆粒表面都覆蓋了厚度約400 nm的平滑皮層。張吉棟[4]認(rèn)為月表物質(zhì)因太陽輻射的作用會使其物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。宋馨等[5]利用嫦娥三號地形地貌相機(jī)和相關(guān)溫度遙測，測算了月球表面太陽輻射光譜反射率約為0.105，發(fā)射率約為0.866。董曉瑩等[6]基于Hapke模型，利用反射實(shí)驗(yàn)室光譜數(shù)據(jù)庫模型，對月表虹灣地區(qū)典型礦物的含量及分布進(jìn)行了繪制，得到了虹灣地區(qū)主要的單斜輝石、斜方輝石、斜長石、橄欖石等5種礦物的豐度分布圖。馬明[7]、李曉芃等[8]研究了月球表面對不同波段光譜反射特性的差異，成熟月壤裸露時間較長，空間風(fēng)化作用更加明顯，反射光譜的礦物識別能力通常僅限于月壤成熟度較低的地區(qū)。楊亞洲[9]開展了月表典型礦物的空間風(fēng)化模擬與光度學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，在可見光-近紅外波段(<3 μm)，相機(jī)獲得的行星表面能量以反射為主，不是以熱發(fā)射能量為主，行星表面發(fā)生的各種風(fēng)化過程(如太陽風(fēng)注入、宇宙與太陽高能射線等)，也可能會使表面物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。曾獻(xiàn)棣等[10-13]認(rèn)為太陽風(fēng)與月壤礦物相互作用，可能可以形成OH甚至是H2O，并開展了相關(guān)機(jī)理研究，日照面的月表能持續(xù)產(chǎn)生OH/H2O，月表高地OH和H2O的吸收強(qiáng)度均明顯強(qiáng)于月海，特別是幾個年輕的富斜長石撞擊坑表現(xiàn)出非常強(qiáng)的OH/H2O吸收，并且高地和月海OH/H2O受溫度和太陽輻射的影響也有所不同，表現(xiàn)為高地長石保存水的能力要高于月海玄武巖。付曉輝等[14]研究了月球表面太空風(fēng)化作用及其效應(yīng)，太空風(fēng)化作用普遍發(fā)生在月球、小行星等一些無大氣的天體表面，太空風(fēng)化作用導(dǎo)致月壤的光譜特性發(fā)生改變，在紫外-可見-近紅外波譜范圍內(nèi)的反射率隨波長增加而增大，光譜吸收特性減弱。文獻(xiàn)[15-17]對月面相關(guān)探測手段或試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析研究。目前尚未看到有人開展實(shí)際月面表層和次表層土壤狀態(tài)差異的定量分析研究工作。

2020年12月1日23時11分，我國的嫦娥五號著上組合體著陸于預(yù)選著陸區(qū)，先后完成了鉆取采樣封裝和表取采樣封裝，2日22點(diǎn)22分，完成了我國首次采樣封裝任務(wù)。表取采樣機(jī)械臂共計(jì)實(shí)施了12次鏟挖采樣，獲得了預(yù)期的月球表面樣品。

表取采樣過程中，固定安裝于著陸器側(cè)板的采樣過程監(jiān)視相機(jī)A對鏟挖全過程進(jìn)行了拍照。采樣過程監(jiān)視相機(jī)的圖像特性顯示月球表面在鏟挖前后對太陽光的反射特性有明顯變化，鏟挖后露出來的新鮮月壤比月表原態(tài)月壤表現(xiàn)得更灰暗，具有更低的反射特性。嫦娥五號采樣前后月面狀態(tài)的變化與美國載人登月的探測結(jié)果有很多相似之處，進(jìn)一步豐富了人類對月球的認(rèn)識。月球表面這種狀態(tài)變化，對研究月球表面特征及月壤演化過程等科學(xué)研究具有重要作用，對我國未來的月球采樣探測和月球基地建設(shè)等工程實(shí)施方式積累了親歷經(jīng)驗(yàn)，可以為后續(xù)月球采樣的封裝方式調(diào)整提供參考。

1 表取鏟挖采樣實(shí)施情況概述

嫦娥五號任務(wù)中，探測器在月球表面實(shí)施了12次鏟挖采樣。第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖位置相互之間的重疊區(qū)域較小，甚至完全獨(dú)立，具有較好的位置區(qū)分關(guān)系。第4次鏟挖采樣在第1、2、3次鏟挖位置上實(shí)施，與第2、3次鏟挖位置有較多重疊區(qū)域。第10、11次鏟挖采樣在第6、7、8、9次鏟挖位置上實(shí)施，與其鏟挖位置有較大重疊區(qū)域。嫦娥五號表取鏟挖采樣的實(shí)施位置如圖1所示。

圖1 嫦娥五號任務(wù)的表取鏟挖采樣實(shí)施位置圖Fig.1 The sampling sites of Chang’e-5 mission

采樣過程監(jiān)視相機(jī)A的圖像傳感器為IA-G3，分辨率：2352(H)×1728(V)，像元尺寸：7.4 μm×7.4 μm，相機(jī)工作譜段：418 nm～695 nm，相機(jī)視場角：58.94°×45.12°，相機(jī)全視場傳函：大于0.22，相機(jī)全視場畸變：優(yōu)于0.67%，靜態(tài)成像曝光時間：6 ms。輸出圖像具有R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)三種顏色，全色(灰度)圖像數(shù)據(jù)由上述顏色數(shù)據(jù)合成。

2 表取鏟挖采樣實(shí)施前后圖像形態(tài)分析

嫦娥五號采樣封裝任務(wù)實(shí)施過程中，發(fā)現(xiàn)大部份鏟挖采樣后露出的新鮮月壤與鏟挖采樣前的原態(tài)月壤的圖像亮度有顯著差異，大部分新鮮月壤的平均亮度均小于原態(tài)月壤的平均亮度，其前后時間跨距不超過30分鐘。

本文中鏟挖位置圖是指表取采樣機(jī)械臂的搖臂鏟與月壤作用位置圖，由于在鏟挖過程中也會導(dǎo)致部份區(qū)域發(fā)生開裂或月壤堆積等效應(yīng)，這些效應(yīng)區(qū)域也是鏟挖位置圖的組成部分。鄰域圖是指鏟挖位置及其臨近區(qū)域的圖。在12次鏟挖前后，其原態(tài)月壤與新鮮月壤的圖像對比圖分別如圖2、圖3、圖4、圖6、圖7、圖8、圖9和圖13所示。從圖中可以看出，第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖前的原態(tài)月壤圖像整體要亮于鏟挖后的新鮮月壤圖像。第4、10、11次鏟挖前后的原態(tài)月壤與新鮮月壤之間的亮度變化不太明顯。

圖2 第1次鏟挖前后圖像Fig.2 The images of the 1st sampling region before and after digging

圖3 第2次鏟挖前后圖像Fig.3 The images of the 2nd sampling region before and after digging

圖4 第3次鏟挖前后圖像Fig.4 The images of the 3rd sampling region before and after digging

圖5 第4次鏟挖前后圖像Fig.5 The images of the 4th sampling region before and after digging

圖6 第5次鏟挖前后圖像Fig.6 The images of the 5th sampling region before and after digging

圖7 第6次鏟挖前后圖像Fig.7 The images of the 6th sampling region before and after digging

圖8 第7次鏟挖前后圖像Fig.8 The images of the 7th sampling region before and after digging

3 表取鏟挖采樣實(shí)施前后圖像DN值分析

3.1 圖像DN值分析方法

在固定的光照和方位條件下，圖像DN值的變化代表著被成像物體表面反射特性的變化。為了精確分析鏟挖位置在采樣前后的狀態(tài)變化，本文對鏟挖前后的鏟挖位置圖分別開展區(qū)域平均和區(qū)域逐點(diǎn)的圖像DN值變化定量分析。

圖9 第8次鏟挖前后圖像Fig.9 The images of the 8th sampling region before and after digging

圖10 第9次鏟挖前后圖像Fig.10 The images of the 9th sampling region before and after digging

圖11 第10次鏟挖前后圖像Fig.11 The images of the 10th sampling region before and after digging

圖12 第11次鏟挖前后圖像Fig.12 The images of the 11th sampling region before and after digging

圖13 第12次鏟挖前后圖像Fig.13 The images of the 12th sampling region before and after digging

區(qū)域平均DN值分析由式(1)計(jì)算:

(1)

區(qū)域逐點(diǎn)DN值分析由式(2)計(jì)算：

(2)

3.2 區(qū)域平均DN值分析

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖前后，原態(tài)月壤與新鮮月壤，在紅色譜段中，平均變化率為-25.48%，最小變化率為-14.24%，最大變化率為-41.21%；在綠色譜段中，平均變化率為-25.43%，最小變化率為-14.15%，最大變化率為-40.92%；在藍(lán)色譜段中，平均變化率為-22.17%，最小變化率為-10.46%，最大變化率為-37.59%；在全色譜段中，平均變化率為-24.71%，最小變化率為-13.16%，最大變化率為-40.28%。在鏟挖位置的各原態(tài)月壤與新鮮月壤的平均DN值關(guān)系見表1。

表1 鏟挖位置新鮮月壤與原態(tài)月壤的圖像平均DN值比較表(第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖前后)Table 1 The mean DN values in the images of the sampling sites before and after digging (the 1st、2nd、3rd、5th、6th、7th、8th、9th、12th sampling)

續(xù)表1

第4、10、11次鏟挖前后，原態(tài)月壤與新鮮月壤，在紅色譜段中，平均變化率為-1.10%，最小變化率為0.91%，最大變化率為-9.50%；在綠色譜段中，平均變化率為-1.08%，最小變化率為0.69%，最大變化率為-9.40%；在藍(lán)色譜段中，平均變化率為0.89%，最小變化率為1.19%，最大變化率為-6.96%；在全色譜段中，平均變化率為-0.30%，最小變化率為0.90%，最大變化率為-8.89%。在鏟挖位置的各原態(tài)月壤與新鮮月壤的平均DN值關(guān)系見表2。

表2 鏟挖位置新鮮月壤與原態(tài)月壤的圖像平均DN值比較表(第4、10、11次鏟挖前后)Table 2 The mean DN values in the images of the sampling sites before and after digging (the 4th、10th、11thsampling)

3.3 區(qū)域逐點(diǎn)DN值分析

由于原態(tài)月壤和新鮮月壤的差異在各譜段的逐點(diǎn)DN值中具有相同表現(xiàn)趨勢。本文僅展示全色譜段中的具體差異特性。為了更細(xì)致分析原態(tài)月壤與新鮮月壤的差異，對鏟挖位置每個像素點(diǎn)的全色譜段DN值(灰度值)進(jìn)行比較分析，橫向坐標(biāo)是采樣位置的逐點(diǎn)像素序號，縱向坐標(biāo)是某個像素對應(yīng)的全色譜段DN值，圖14～圖25中,圖(a)是原態(tài)月壤對應(yīng)的全色譜段DN值曲線，圖(b)是新鮮月壤對應(yīng)的全色譜段DN值曲線。

第1次鏟挖位置總共占有4114個像素，鏟挖前后，有3263個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為79.31%，如圖14所示。

圖14 第1次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.14 The grey DN curves in images of the 1st sampling site before and after digging

第2次鏟挖位置總共占有15806個像素，鏟挖前后，有12783個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為80.87%，如圖15所示。

圖15 第2次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.15 The grey DN curves in images of the 2nd sampling site before and after digging

第3鏟挖位置總共占有14842個像素，鏟挖前后，有9724個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為65.52%，如圖16所示。

圖16 第3次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.16 The grey DN curves in images of the 3rd sampling site before and after digging

第5次鏟挖位置總共占有25333個像素，鏟挖前后，有21721個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為85.74%，如圖17所示。

圖17 第5次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.17 The grey DN curves in images of the 5th sampling site before and after digging

第6次鏟挖位置總共占有8415個像素，鏟挖前后，有8131個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為96.63%，如圖18所示。

圖18 第6次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.18 The grey DN curves in images of the 6th sampling site before and after digging

第7次鏟挖位置總共占有13495個像素，鏟挖前后，有10746個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為79.63%，如圖19所示。

圖19 第7次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.19 The grey DN curves in images of the 7th sampling site before and after digging

第8次鏟挖位置總共占有14372個像素，鏟挖前后，有10581個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為73.62%，如圖20所示。

圖20 第8次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.20 The grey DN curves in images of the 8th sampling site before and after digging

第9次鏟挖位置總共占有13652個像素，鏟挖前后，有11419個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為83.64%，如圖21所示。

圖21 第9次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.21 The grey DN curves in images of the 9th sampling site before and after digging

第12次鏟挖位置總共占有15521個像素，鏟挖前后，有13730個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為88.46%，如圖22所示。

圖22 第12次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.22 The grey DN curves in images of the 12th sampling site before and after digging

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖前后，采樣位置共計(jì)111898個像素，其中有90679個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有81.04%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。在這9次鏟挖中，第6次鏟挖前后變化最大，采樣位置8415個像素，其中有8131個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有96.63%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。第3次鏟挖前后變化最小，采樣位置14842個像素，其中有9724個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有65.52%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。

第4次鏟挖位置總共占有19872個像素，鏟挖前后，有11846個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為59.61%，如圖23所示。

圖23 第4次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.23 The grey DN curves in images of the 4th sampling site before and after digging

第10次鏟挖位置總共占有13102個像素，鏟挖前后，有5294個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為40.41%，如圖24所示。

圖24 第10次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.24 The grey DN curves in images of the 10th sampling site before and after digging

第11次鏟挖位置總共占有12151個像素，鏟挖前后，有6373個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤，占比為52.45%，如圖25所示。

圖25 第11次鏟挖前后的全色譜段DN值曲線Fig.25 The grey DN curves in images of the 11th sampling site before and after digging

第4、10、11次鏟挖前后，采樣位置共計(jì)45125個像素，其中有23513個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有52.11%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。在這3次鏟挖中，第4次鏟挖前后變化最大，采樣位置19872個像素，其中有11846個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有59.61%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。第10次鏟挖前后變化最小，采樣位置13102個像素，其中有5294個像素的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤，也就是有40.41%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。

4 探討與推測

由于采樣前后的時間跨距不超過30分鐘，此時太陽光照角度變化小于0.27°，這個時間段內(nèi)太陽光照入射方向變化極小，因此可以認(rèn)為太陽光照角度變化對月表圖像灰度變化影響極小,對此有如下推測。

1) 月球次表層物質(zhì)的平均反射率小于表面物質(zhì)。

第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖均與真實(shí)的月表原態(tài)月壤進(jìn)行了明顯的相互作用。第1、2、3、5、6、7、8、9、12次鏟挖前后，在鏟挖位置圖像平均DN值中，原態(tài)月壤與新鮮月壤的平均變化率為-24.71%，最小變化率為-13.16%，最大變化率為-40.28%。在鏟挖位置，81.04%的原態(tài)月壤全色譜段DN值要大于新鮮月壤。每次鏟挖前后的原態(tài)月壤圖像平均DN值要大于新鮮月壤。該現(xiàn)象與文獻(xiàn)[2]相關(guān)記錄吻合。因此可以推測月球表面物質(zhì)與次表層物質(zhì)的平均反射特性不一致，次表層物質(zhì)的平均反射率小于表面物質(zhì)。

2) 局部區(qū)域的月球表面次表層物質(zhì)的平均反射特性基本一致。

圖像形態(tài)上看，第4、10、11次鏟挖采樣前后，月球表面狀態(tài)發(fā)生了明顯形態(tài)變化，可以明顯識別出每次采樣位置。第4次鏟挖采樣是在第1、2、3次鏟挖位置上實(shí)施，鏟挖位置與第2、3次鏟挖后的位置有較多交疊，真實(shí)原態(tài)月表作用區(qū)域只占該次采樣位置區(qū)域的25%左右，約75%的采樣位置區(qū)域是第2、3次鏟挖后的新鮮月壤區(qū)；第4次鏟挖采樣前后，圖像平均DN值變化-8.89%，有59.61%的像素點(diǎn)的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤。第10、11次鏟挖采樣在第6、7、8、9次鏟挖位置上實(shí)施，鏟挖位置幾乎與第6、7、8、9次鏟挖后的位置完全交疊，幾乎沒有真實(shí)原態(tài)月表的作用區(qū)域，也就是說，第10、11次鏟挖前的狀態(tài)是第6、7、8、9鏟挖后的新鮮月壤區(qū)域；第10、11次鏟挖采樣前后，圖像平均DN值變化0.90%和6.10%，僅有46.20%的像素點(diǎn)的原態(tài)月壤全色譜段DN值大于新鮮月壤。在已經(jīng)完成鏟挖動作后的月球表面進(jìn)行再次鏟挖實(shí)施時，雖然鏟挖位置的圖像形態(tài)發(fā)生了明顯變化，其平均DN值變化小于9%，沒有發(fā)生顯著變化。阿波羅任務(wù)中記錄了次表層月壤顯著暗于表層月壤的現(xiàn)象，沒有記錄新鮮月壤再次發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。因此可以推測在本次采樣區(qū)域范圍內(nèi)，月球次表層物質(zhì)的平均反射特性基本一致。

3) 月球表層顆粒形態(tài)與次表層顆粒形態(tài)可能不一致。

月球表層顆粒由于長期在白天受到太陽光照射和高溫影響，在黑夜受到低溫影響，導(dǎo)致表層顆粒表面受到高低溫侵蝕和太陽風(fēng)中各種能量離子的輻射影響，從而導(dǎo)致表層顆粒和次表層顆粒形態(tài)不一致。Zhu等[3]研究結(jié)果認(rèn)為He+離子輻射對橄欖石和鈦鐵礦的外表形態(tài)有顯著影響。因此可以推測月球次表層顆粒形態(tài)與次表層顆粒形態(tài)可能不一致。

4) 月球表層顆粒與次表層顆粒組成及化學(xué)分子結(jié)構(gòu)可能不一致。

月球表層顆粒在較長的時間內(nèi)受到太陽風(fēng)輻照影響，導(dǎo)致表層顆粒的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，甚至可能含有相對較多的納米鐵顆粒。曾獻(xiàn)棣等[10-13]研究結(jié)果認(rèn)為太陽風(fēng)與月壤礦物相互作用，可能可以形成OH甚至是H2O，付曉輝等研究結(jié)果認(rèn)為太陽風(fēng)可能導(dǎo)致月壤發(fā)生非晶質(zhì)形成和納米鐵生成。因此可以推測月球表層顆粒與次表層顆粒的化學(xué)分子或分子結(jié)構(gòu)可能不一致。

5 結(jié) 論

嫦娥五號探測器圓滿完成了我國首次月面自動采樣返回任務(wù)，采樣封裝任務(wù)實(shí)施過程中的探測數(shù)據(jù)表明：月球次表層物質(zhì)的平均反射率小于表面物質(zhì)；月球表面次表層物質(zhì)的平均反射特性基本一致；月球表層顆粒形態(tài)與次表層顆粒形態(tài)可能不一致；月球表層顆粒與次表層顆粒組成及化學(xué)分子結(jié)構(gòu)可能不一致。月球表面這種狀態(tài)差異，對研究月球表面特征、月壤演化過程和演化機(jī)理等科學(xué)研究具有重要作用，對我國未來的月球采樣探測和月球基地建設(shè)等工程實(shí)施方式積累了親歷經(jīng)驗(yàn)。建議在后續(xù)的月球采樣封裝任務(wù)中，在資源條件允許的情況下，盡量能夠單獨(dú)采集并封裝月球表層的樣品，為科學(xué)家研究月球科學(xué)提供更有針對性的月球樣品。