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如何在月球挖土？

2020年12月2日22时，经过约19小时月面工作，探月工程嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。
在采样和封装过程中，科技人员在地面实验室根据探测器传回数据，仿真采样区地理模型并全程模拟采样，为采样决策和各环节操作提供了重要依据。着陆器配置的月壤结构探测仪等有效载荷正常工作，按计划开展科学探测，并给予采样信息支持。
自动采样是嫦娥五号任务的核心关键环节之一，探测器经受住超过100摄氏度的月面高温考验，克服了测控、光照、电源等方面的条件约束，依托全新研制的地外天体样品采集机构，通过机械臂表取和钻具钻取两种方式分别采集月球样品，实现了多点、多样化自动采样。
其中，钻具钻取了月面下的月壤样品，机械臂则在末端采样器支持下，在月表开展多种采样。为确保月球样品在返回地球过程中，保持真空密闭以及不受外界环境影响，探测器在月面对样品进行了密封封装。
【 如何在月球挖土？】嫦娥五号探测器配置了降落相机、全景相机、月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等多种有效载荷，能够在月表形貌及矿物组分探测与研究、月球浅层结构探测等科学探测任务中发挥重要作用。探测器钻取采样前，月壤结构探测仪对采样区地下月壤结构进行了分析判断，为采样提供了数据参考。
嫦娥月面挖土，备受关注。通过“表取”和“钻取”两种“挖土”模式，这台中国“最强挖掘机”在全国人民的“云监工”下，顺利完成月球表面自动采样。
其中钻取子系统的研制，历时十余年之久。从最初的自主研发课题，到后来的型号立项，再到月球钻取采样任务圆满完成，钻取子系统可谓经过千锤百炼。
首先是钻进能力强。要想钻取月壤钻得好，必须钻头要给力。科研人员研制了“百里挑一”的独创钻头，通过建立钻进与取芯能力评价体系，对比16种设计方案，最终确定双排钻牙阶梯构型，经过“千锤百炼”，保证钻进过程顺畅可控，具备对8级硬度岩石的钻进能力。同时针对不同颗粒度月壤切削、拨、挤、排能力，双排出刃形成多个切削面，经试验验证能够拨动与突破临界颗粒与颗粒集群，具有较好的解决危险工况和大颗粒的能力。
其次是排粉能力强。通过钻杆模型的匹配和参数优化，最终确定外螺旋翼设计结构，采用双头、小螺旋升角的设计参数，使得其排粉能力裕度大大提高。同时建立排粉与进芯守恒解析模型，采用前排阻隔以及补体局部阻尼结构，有效阻隔了取芯、排粉流场的强关联，大大提高了取芯率及钻进策略的可调整性。钻头采用渐阔的锥形排粉槽通道，与钻杆排粉槽连接相通形成一体的排粉通道。
然后是月壤适应性强。钻取子系统经历了上千次地面钻取试验，积累试验过程数据，形成了不同工况的钻取参数数据库，通过在轨预编程自主控制，实现钻取子系统“回转”、“冲击”和“回转＋冲击”三种模式，不同参数的自由切换。同时可根据采集到的钻进参数，自主切换钻进策略，适应多种月壤工况，具有很强的钻取适应性。
“取得着、封得住”是钻取子系统的核心技术之一。通过取芯关键技术攻关，确定了无滑差主动软质取芯技术基线。通过多方案筛选，确定双管单层外翻式取芯机构方案，采用外护套与钻头配合段阻止星壤颗粒进入，克服了取芯筒的扭转，大大提高了取芯的可靠性，实现对深层月壤主动原位取芯，并有效隔离钻具扰动影响，具有结构简单的特点；考虑月壤剪胀性和极端工况适应性，综合匹配渐阔进样通道参数，实现颗粒月壤顺畅进样以及样品层序保持。
前排切削具在钻头回转运动作用下切削形成环切作用，形成阻隔环结构，能够保护样芯不受切削具回转和冲击的影响，以原始状态进入到取芯通道内，并阻止月岩碎屑进入钻头取芯通道内，实现取芯率高于70％，同时能够具有良好的层序保持特性，进而实现具有回转阻隔、原位主动收纳与层序保持能力的月壤取芯技术。
为保证取得的样品在提芯的过程中不发生掉落，经过多方案的筛选验证，采用开放式构型的“8字型”超弹性合金丝作为封口方案，与取芯软袋末端进行一体化缝合，依靠弹性收缩力来实现对软袋的封口。封口器采用扭转密闭式结构，并进行大应变材料设计，具有低力载、高可靠的特点，且长时间处于大变形承载状态下不发生应力松弛现象，实现简单可靠的封口。

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