为了带回1731克月球“土特产”,他们这样过了10年
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发布时间：2023-12-25 07:09
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时间：2024-08-22 03:19
作者 | 秦志伟
2020年12月17日，中国地质大学（武汉）行星科学研究所（以下简称行星科学所）教授肖龙非常激动。就在这一天，嫦娥五号圆满完成中国首次地外天体采样返回任务。当天下午，他做客该校逸夫博物馆，为广大师生讲述嫦娥五号背后的故事。
2天后，他作为唯一一位来自高校的科学家代表，参加了嫦娥五号任务月球样品交接仪式。看到月球“土特产”顺利地来到地球，肖龙的脑海中浮现出为之奋斗的日日夜夜、点点滴滴。
10年模拟月壤超100吨
肖龙是嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员。他带领的行星地质团队主要参与嫦娥五号选址区研究、负责研制模拟月壤用于取样试验验证工作，同时还开展了利用模拟月壤进行样品研究的准备工作。
早日见到月球样品真容，是肖龙期盼已久的事。“我和全国相关领域科学家一样，期待早日获得实际样品开展研究，尽快把工程成果转化为科学成果。”他告诉《中国科学报》。
2011年，中国探月工程三期嫦娥五号正式立项。而早在2009年，肖龙团队就开始模拟月壤预研工作。那时，采样工具和方案主研单位迫切需要了解月壤的性质，并且需要使用类似实际月壤的物质作为对象，开展采样试验方案和采样工艺的验证。
“当我们接到这一任务需求时，心情非常激动。”肖龙说，他们以往都是在探测数据回来之后才有机会做些研究工作。“如果能够在前期为这一重大工程的实施贡献力量，那是再好不过的了。”
尽管当时是预研，嫦娥五号能否真正立项还未知，但肖龙团队没有犹豫，全身心投入这项工作。
需要的模拟月壤用量大，没有现成的经验可以参考，这是肖龙认为最具挑战性的环节。难在如何判断采样点的月壤性质，包括物质组成、粒度大小和分布、内聚力和内摩擦角等性质，其中物质成分是主要影响因素之一。
为此，肖龙团队通过对阿波罗样品的调研以及其他可能的月壤性质评估，再结合对着陆点的地质分析，做出模拟所有不同类型月壤的研制方案。
接下来就是模拟出月壤。没有现成可供参考的方法流程、经费短缺、没有试验和样品存放场地……因为这是我国首次地外天体采样，肖龙团队每走一步就像遇到一座山，但他们并没有被眼前的山吓倒，而是通过反复摸索试验攻克技术难题、校友帮助降低研发成本、腾出自家车库转存原料和样品等，最终取得了满意的成果。
团队成员、行星科学所讲师王江一直在和肖龙一起做这项工作，但当时他还是一名研究生。他向《中国科学报》回忆，自2009年到现在，肖龙家的车库一直是被用来放模拟月壤的。
鉴于不同的工况，肖龙团队研制出十多种类型的模拟月壤，包括不同成分、粒度、深度剖面及低重力环境下的模拟月壤。“这些不同类型的模拟月壤，是在7年左右的时间研制完成的。”王江说。
当嫦娥五号的发射时间由2017年推迟到2020年后，肖龙团队又利用3年左右的时间，配合主研单位完善钻进工艺方案等。10年来，肖龙团队累计提供的模拟月壤重量超100吨。
肖龙团队直接服务对象是钻取子系统负责单位。据他介绍，工程单位利用不同类型的模拟月壤开展试验，在试验中不断试错，进而制定各类故障的排除方案，把月面会遇到的情况都尽可能想到了，并不断提高模拟月壤的真实度，最大程度地保证采样成功。
完成1：25万地质填图
嫦娥五号落在哪儿，也要经过前期周密的谋划。从2016年开始，肖龙团队承担中国地质调查局“嫦娥五号预选着陆区1：25万地质图”任务。
“1：25万的地质意义是，图面上表达的最小单位是1毫米，也就是说月球上大于250米的地质体都要反映到图面上。”肖龙介绍道，这个比例尺的填图方案是综合考虑了图幅范围内地质现象的复杂程度和填图的目的后确定的。
工作难度又来了。1：25万地质图的填图规范没有，更缺少现成的资料。
虽然肖龙团队曾对嫦娥三号着陆区进行过地质单元划分，也完成过数量众多的地球地质填图，但这与填制一幅高标准的月球地质图不可同日而语。
为了解决这些问题，肖龙团队只能从已有的小比例尺月球地质图及相关的填图规范出发。首先建立填图的标准，包括明确月球地质图的填图单元、使用哪些图例、如何挑选地质单元颜色等，还要保证我国的地质图符合国际标准。
功夫不负有心人。在与中国地质调查局共同努力下，肖龙团队圆满完成了这一重大任务，弥补了预选着陆区没有大比例尺月球地质图的空白，为后续地质研究提供了基础资料。
但对着陆区的选择，并不那么容易。10年前，我国还没有选定着陆采样区，只确定在月球正面的月海区域。后来，经过科学家与工程单位的多次联合论证，最终把采样区定在风暴洋北部的吕姆克山地区，面积约5.5万平方公里。
“这一选项，主要基于工程可以安全实施和较好的科学产出两大因素。”团队成员、行星科学所博士生钱煜奇表示，这里远离美国阿波罗和苏联的无人采样点，出露的岩石也有差异。
但这个区域非常大，涵盖了多个地貌和岩性单元，包括一个巨大的火山穹隆（吕姆克山）、西边的古老火山岩区及东部的年轻火山岩区。其中，还有很多次级的地貌单元。
“我们把预选着陆区有较大科研价值的目标都做了研究，类比了各自的科学价值，也为模拟月壤研制提供依据。”团队成员、行星科学所副教授赵健楠说。
实际钻取深度不到2米
作为钻取子系统飞控专家组成员，肖龙用“刻骨铭心”“终身难忘”来形容他见证月面采样的整个过程。
坐在飞控室，肖龙最期待的就是嫦娥五号着陆后能第一时间看到监控相机传回的采样点图像，这样便可大致判断采样难度。“考虑到技术成熟度的不同、钻取的不确定性大，我最担心的事情就是钻机下方出现大石块。”对于肖龙来说，这种等待既兴奋，也是一种煎熬。
奇怪的是，着陆后，肖龙所在的子飞控室并没有收到监控相机的画面。“当时的焦虑真是难以言表。”肖龙说，“但很快，从主飞控室传来一张纸条，上面写了着陆点的具体位置以及预估的月壤性质信息，询问我月壤的可钻取性时，心里才稍微踏实了一点。”
随后，肖龙才正式看到监控相机的画面。“我当时还是很紧张的。”肖龙告诉《中国科学报》，因为他所见的画面比阿波罗采样点的情况要复杂，月壤粒度明显要粗，表面以下的土壤中遇到大颗粒的概率更高，“相当于直接面临挑战工况了”。
钻机开始工作后，从表面钻到接近1米深时，还相对顺利。后来遇到大石块时，意外发生了——钻机启动保护性停钻。尽管地面指挥中心采取了一系列措施，但依然没有能够继续钻下去。为了保护已取到的样品及后续的表面挖取样品工作，最后的实际钻进深度不到2米便宣告收工。
“当时我虽心有不甘，但完全理解和支持这一决定，也更加理解采样工程的难度和风险。”肖龙表示，与钻取相比，月球表面取样进展顺利，使得最终采回的样品达到1731克。
不过，这距离对月球样品开展研究还有段时日。肖龙介绍道，2020年12月19日举行样品交接仪式时，样品是被密封在样品容器中，打开需要在十分严格的环境中进行，否则样品容易被污染。据悉，国家航天局已在国家天文台建立了月球样品存储中心。
可能改写对月球演化 历史 的认识
采样地点的选择也是有讲究的。最终选择的地点是东部的年轻玄武岩区，“也是我们所期待的”。团队成员、行星科学所副教授黄俊说。
肖龙向《中国科学报》进一步解释道，因为这里的土壤是更为年轻的玄武岩风化形成的。该地火山喷发的年龄可能在距今15亿年左右，而美国和苏联采集的火山岩样品都是早于31亿年形成的。
更为关键的是，这一年龄差别有重要的科学意义。
过去的50年里，人类对月球科学的认知多与样品的研究有关，包括地月系统的形成、月球的起源、月球核幔壳圈层结构的形成机制、月壳的组成、火山活动 历史 、小天体撞击 历史 和潜在矿产资源等。而样品来源主要是阿波罗样品和月球陨石样品。
“以前，科学家普遍认为月球的火山活动早在31亿年前就停止了，或者说月球的生命周期就结束了。”肖龙表示，而我国取回的样品，很可能会改写人类对月球演化 历史 的认知。
但如何在保证样品不受污染的前提下，使用最小量的样品获得更多的数据和成果，是当务之急。据悉，国家国防 科技 工业局探月与航天工程中心主导制定了月球样品使用的相关规定，近期将对外发布。
作为嫦娥三号和四号探测数据研究核心团队的组长和副组长，肖龙感慨道，“如果仅仅依靠国外的探测数据，我们是不可能取得这些成果的。国家花费如此多的人力和财力去月球采样，就是要在月球和行星科学领域向世界贡献中国智慧和中国力量，这是科学家报效祖国和人民的光荣时刻。”
《中国科学报》 (2021-1-5 第8版 学人 原题为《为了把月球“土特产”带到中国》 )
