嫦娥五号任务月球样品正式交接，月壤重 1731 克，为什么少了 200 多克？ 第1页

和某些人搞得神秘主义或者阴谋论恰恰相反，虽然真实月壤极其珍贵稀少，但是根据美苏带回的样本的研究在全世界学术界公开讨论的话题，而且国内外研制了多种与真实月壤具有相似矿物成分和力学特性的模拟月壤，如美国的JSC-1A，BP-1，国内的CAS-1，TJ-1，多篇经过同行评议的论文对其剪切强度、抗拉强度、剪胀角等力学特性参数与真实月壤进行了对比。^[4]中国探月工程三期内场实验采用了吉林大学研制的JLU5型模拟月壤，它是以吉林辉南玄武质火山灰为主要原料，通过筛选、研磨、粒径级配加工而成，含水率小于0.3%^[5][6]

目前对月球的探测所获得数据为，月表15cm以内的月壤密实度约为65%，当深度超过30cm后，密实度将会急剧上升到92%^[1]苏联Luna16和美国阿波罗15的钻取都差点栽在了密实度急剧升高上。嫦娥五号在设计的时候，充分总结前人的经验，利用实验数据进行神经网络训练，构建了一套密实度分类感知算法，通过精密传感器感知钻头的密实度状态，然后来智能调整回转速度和钻进速度，以保证不发生卡钻。^[7]

至于什么是回转，什么是冲击，请参考以下资料^[8]：

（1）回转工作模式。回转工作模式利用钻具对月壤进
行回转切削使月壤破碎，并通过钻具螺旋翼排粉和收纳心
部月壤柱，实现样品采集。该模式要求回转切削力和钻压
力控制在有效的范围内，钻机的回转转速和进给速度也要
合理。回转工作模式有利于保持月壤样品的层理信息，适
合于小尺度月壤样品的钻取。
（2）冲击工作模式。冲击工作模式是通过钻机对钻具
施加固定冲击频率的冲击载荷，冲击载荷通过钻具对月岩
产生冲力作用，从而达到破碎月岩的作用。同时当钻杆因
排屑不畅引起堵转时，冲击运动可使得挤塞在钻杆螺旋槽
内的月壤受振而改变原有力链，当钻杆再次回转时比较顺
畅的排屑。
（3）回转-冲击工作模式。当钻进过程中遇到负载反
馈参数（如转矩、钻压力等参数）过大时，启动回转冲击工
作模式，最大能力的提升钻具钻进不同月面环境的能力，
以降低系统负载，冲击+回转可以是一种最为安全钻进模
式，也可以提高取芯率。

其次是要保证自动钻取机构能够在100多度的高温中工作，而且因为没有空气散热，钻头的运动摩擦部件很容易过热，这也必须解决。中国专门研制了千瓦级钻机用于嫦娥五号，可以在零下50摄氏度-零上120摄氏度的极大温差中工作。^[8]

但最令人头疼的，还是月岩的问题，也就是Luna20所遇到的问题。太空器的总功率受到供电系统的限制，不可能无限制地提供强大的坚硬岩石钻取能力，所以指望一根钻取器钻透几米的坚硬岩层是完全不现实的。毕竟这是无人探测器，如果一旦出现钻头折断或是卡住，那么就需要背负整个计划完全失败的风险。此外请注意嫦娥五号所采用的柔性取样带，如果硬是敲碎月岩，那么坚硬的约岩可能无法被卷上回收筒，或是划破取样袋。如果下面的设计图不够直观，我放上了采用类似收纳方案的苏联Luna24取样机构，可以直观地看到样品收纳过程。这里面应该装的是柔软的月壤，如果是具有一定长度的、坚硬的岩石，会发生什么情况可想而知。所以对于这种设计的钻取机构，最多只能取一些小于取样袋直径的“大颗粒月壤”，整体钻通很厚的月岩是不现实的^[9]。其实早在嫦娥五号的设计阶段就已经充分考虑到了种种情况，也做了大量的试验。甚至就是为了对冲刚一打下钻头就遇到坚硬岩石这种尴尬的情况，所以设计人员才加入了表面取样这个部分，以保证即便钻取完全失败，也不至于白跑一趟。所以出现了这样的问题，只能说是运气不佳，但也算是很成功，一切都在设计考虑范围内。

为了方便地面测控人员做决策，嫦娥五号着陆器携带了月表穿透雷达（LPR），以搞清楚探测器下方数米的岩石分布情况。这种雷达衍生自玉兔号月球车上的月表穿透雷达，由两个通道，共计三个天线组成，一通道有独立的收发天线，二通道则是收发一体。

嫦娥五号落月后，钻取工作开始之前，地面就收到了测月雷达的回波数据，就已经发现了地下不到1米处就开始有密集的岩石层。后来经过风险分析和利弊权衡，决定放弃钻取岩石层，于是钻取的样品只有0.9几米长，230克左右，这一点早在嫦娥五号归来之前，科研人员就知道这次并没有采够2千克。我想，经过我这一通科普，大家也应该明白，无人落月钻取是一件随机性非常强的工程作业，能采到多少月壤运气成分非常大，所以各位要调整一下心理预期，没有采够2000克并不等于任务部分失败，不然苏联Luna返回系列就没完全成功过......

在接下来的在嫦娥六号任务中，面对更加复杂，钻取工作条件更加恶劣（低温可达-230℃）的南极永久冻土层或者月背地质，科研人员会做更多的改进，当然运气更加重要，但愿下次咱别落到浅层岩石层上。

虽然有点点小遗憾，不过依然要祝贺中国取回我们自己的第一捧月壤！

评论区有些人还在这边杠，看点新闻就以为自己什么都知道了？我都说了不是密度问题，不同风化层的密实度（注意和密度区分）有着非常大的区别，以目前人类对月球的了解，月表以下的风化层密实度数据很稀少，这给钻取带来了很大的不确定性，和表取没啥关系。事实上表取样本质量和预期的几乎完全一致。之所以取样次数比预期的要少是因为每一次挖铲的采样量比原来预期的多，和密度没有一毛钱关系。

参考

1. ^ ^{a b} HEIKEN G H, VANIMAN D T, FRENCH B M. Lunar sourcebook a user's guide to the moon [M]. New York: Cambridge University Press, 1991.
2. ^NASA Solar System Exploration. 15 March 2018. Retrieved 2020-02-05. https://solarsystem.nasa.gov/missions/luna-20/in-depth/
3. ^ Kemurdzhian A L, Gromov V V, Cherkasov I I. Automatic stations for investigation of the lunar surface[M]. Moscow, USSR: Mashinostroyeniye Press, 1976.
4. ^ Arslan H, Batiste S, Sture S. Engineering properties of lunar soil simulant JSC-1A[J]. Journal of Aerospace Engineering, 2009, 23(1): 70－83.
5. ^ 邹猛，李建桥，李因武，等. 刚性轮—月壤相互作用预测 模型及试验研究[J]. 农业工程学报，2007，23(12)：119－123.
6. ^ 黄晗，吴保广，等. 高密实度模拟月壤力学特性试验研究[J]. 农业工程学报，2019，35（1）
7. ^ 郑燕红 等. 月球风化层钻取采样过程密实度分类研究[J]. 航空学报，2020，41（4）
8. ^ ^{a b} 刘晓庆 等. 一种月壤采样器钻机的研制[J]. 机电产品开发与创新， 2017 30（4）
9. ^ 庞勇，冯亚杰，孙启臣， 等. 月壤大颗粒对钻进力载影响的仿真及实验研究[J] 北京大学学报(自然科学版), 2019，55（3）

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“不是……不要误会，我不是针对你，我是说在座的各位……都是＊＊。”

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