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？

关于嫦娥五号任务月球样品重量的疑问，即为何最终交接的月壤重量（1731克）与最初报道的从月球采集总量（约2000克）之间存在约200多克的差异，这是一个非常好的问题，背后涉及到许多科学探索和工程操作的细节。这并非简单的“丢失”，而是有充分的科学和技术原因。

下面我将尽可能详细地解释：

1. 采集总量与实际返回重量的区别：

首先，需要明确的是，“采集总量”通常是指在月球表面通过各种方式钻取和表取到的总物质量，而“返回重量”则是指最终安全地带回地球，并且可以进行科学研究的物质总量。这两者之间存在差异是很正常的。

2. 月球样品采集过程的复杂性：

嫦娥五号采用了两种主要的样品采集方式：

钻取法： 嫦娥五号着陆器携带了一个钻取装置，可以在月球表面以下钻取一定深度的月壤。钻取过程中，月壤会进入一个封装筒中。
表取法： 嫦娥五号还使用机械臂和铲子，在月球表面收集月壤和石块。这些样品会被放入另一个样品容器中。

这两种采集方式在设计和操作上都有其固有的损耗和不确定性。

3. 造成重量差异的主要原因：

以下是导致最终交接重量与采集总量之间存在差异的几个关键因素，它们共同作用，导致了最终重量的减少：

样品分离与损失：
封装过程中的微量损失： 无论是钻取还是表取，样品在被装入样品容器的过程中，都可能存在极微量的粉尘或颗粒在空气中飘散而损失。尽管采取了严格的密封措施，但完全避免微量损失在工程上是极其困难的。
容器壁附着： 有些非常细小的月壤颗粒可能会粘附在钻取的管道、机械臂、铲子表面或样品容器的内壁，无法百分之百地转移到最终的封装容器中。这就像我们从袋子里倒米，总会有一些米粒粘在袋子内壁一样，只是月球上的颗粒更细小，而且是在真空和低重力环境下操作。

采样设备内部残留：
钻取系统内部： 钻头本身、钻孔的通道以及将月壤输送到封装筒的传输装置内部，都可能存在一定量的月壤残留。这些残留物是为了保证下一次采样顺利进行，或者由于机械结构的设计，无法完全被“挤出”到样品容器中。
机械臂和铲子的清洁： 虽然在设计上会尽量减少残留，但机械臂和铲子在反复操作后，其表面仍然可能附着少量月壤。

起飞上升过程的潜在损耗（虽然已尽量避免）：
月面起飞： 嫦娥五号上升器在月球表面起飞时，虽然其设计考虑到了尽量减少对月表的扰动和样品损失，但在极低重力和月尘环境下，微量的月尘飞溅仍然是无法完全避免的。
与轨道器对接： 上升器在月球轨道与返回器进行样品转移，这是一个非常精密的对接过程。虽然采取了多重保险措施，但对接过程中理论上存在极微量的物质损失风险。

样品容器的设计和功能：
样品容器的密封性： 为了保护月球样品免受地球环境的污染，同时又要保证月球样品在返回地球后可以被安全取出进行研究，样品容器的设计需要兼顾极高的密封性和可操作性。这可能意味着容器本身有一定的重量和内部结构，而最终交接的1731克，是指实际采集并封装在密封容器内的月球物质重量，不包括容器本身的重量。
一部分样品用于“内部测试”： 在非常复杂和关键的太空任务中，有时会预留一小部分样品，或者在返回过程中进行一些非破坏性的内部测试，以验证封装的完整性或模拟某些采样后的状态。这部分可能不计入最终“对外交接”的精确数量。

精确称量与报告误差：
地面与太空的称量差异： 在进行太空任务时，重量的测量和报告可能会有不同的标准和时间点。例如，在月球上的称量和在地球上的精确称量可能因为环境和设备差异而略有出入。
数据的收集与整理： 在任务结束后，所有采集到的数据都需要进行仔细的收集、核对和整理，在这个过程中，数据的精度和报告的最终数字也可能存在微小的调整。

4. 科学价值不受影响：

最重要的一点是，这“少了的”两百多克，并不意味着科学价值打了折扣。太空任务中的样品采集，目标是获得有代表性的、足够进行科学研究的样本。1731克的月球样品，已经是一个非常庞大和宝贵的科学样本量，足以支持全球科学家进行长达数十年的深入研究，揭示月球的形成和演化历史。

总结来说，嫦娥五号任务返回的1731克月壤，是经过一系列复杂且精密的工程操作后，最终安全封装并成功带回地球，可以进行科学研究的有效样品总量。造成与最初报道的采集总量之间约200多克的差异，是由于样品在采集、封装、传输和返回过程中的正常损耗、设备残留以及精确测量和报告的因素共同作用的结果。这些差异是航天工程的正常现象，并不影响月球样品极其重要的科学价值。

网友意见

样品储罐体积是一定的，具体重量是多少，取决于所挖月面位置的月壤密度。

那实际密度和预估密度有偏差是很正常的。着陆器落月的时候，会有一个空中悬停的动作，用于观测月面具体地形，如果不适合着陆，则会开启自动搜寻合适着陆点的程序。因此，最终着陆点只能控制在一个范围内，无法精准预估。

月面和地面一样，土质并非均匀的。着陆点稍微移动几十米，可能密度就会有明显差异。特别是嫦娥五号着陆点为吕姆克山区域，大量陨石撞击坑和13亿年前的火山喷发（推测），导致该区域的月壤月岩均匀度较为复杂。

更新：刚刚看了 @空一格 的回答，除了不同点位的密度差异，还有颗粒堆积率随机性的因素。同样一堆土，第一次装和第二次装，可能占的体积并不相同。这也会带来实际值和模拟值的差异。

——————

我是 @纸谈风月 ，感谢阅读。

科普一拨？

颗粒材料的 堆积率（filling ratio） 有随机性。

上边是一种堆积方式，下边是另一种堆积方式。

这两种方式的堆积率差很远，分别为 52.4%和74.05% 。

相对地，它们的 占空比(void ratio) 为：47.6%和25.95%。

也就是说，假如容器的容积是V，那么实际能够装的物质体积为 0.52V到 0.74V 之间。

而：

1、不同位置月壤粒径分布(size distribution)不一样。粒径就是颗粒的大小。有的地方大的多，有的地方小的多，有的地方大小混合。

美国三次探月活动中取得的月壤的粒径分布各不相同。

大小混合的时候堆积率就高，占空比就小。小的颗粒会填补大颗粒中的空隙。

2、不同位置、不同深度的月壤密度不一样，含铁等金属物质较多的就较重。

3、不同的地方月壤带静电的量不一样。

我前一段时间已经科普了，月壤会带大量静电。在被太阳射线直射的地方静电更多。

静电会导致颗粒互相排斥，降低堆积率，提高占空比。

4、不同的地方月壤粘结性（cohesion）不一样。

粘结性是什么？比如一堆沙子，堆在那里，一定呈椎状，有个椎角。太陡了就会滑落、坍塌。这个椎角就由粘结性决定。如果浇点水，粘结性增大，就可以很陡。

如果月壤中的纳米尺寸成分越多、颗粒越尖锐，粘结性就越大。

粘结性越大，越容易形成空腔结构，占空比越高，堆积率越小，装得越少。

5、谷仓效应。

如果粘结性很大，很容易形成谷仓效应。上面堆满了，下面却是空的。

以上这些因素都是随机出现、不可控的。

没有人比我更懂月壤。

1、为什么月壤不足2公斤？

答：样本之所以不是两公斤，与样本密度有关系。如果完全是月岩，密度大，可能会超过2公斤，如果是月岩和月壤的混合样品，可能就不足2公斤。

2、嫦娥五号月壤1731克是不是很少？

答：数量不少了，已经是苏联三次合计的5倍多，而且封装完好。[机智]

3、研究月壤对研究宇宙有什么用？

答：各国航天学家研究宇宙环境的主要途径。根据“月壤”的研究数据，科学家们可以分析出月壳岩石圈的化学成分和分布特征，这对于世界各国月球的研究来说无异于是一次新的突破。

4、为什么说月壤蕴含巨大能量？

答：月壤有丰富的氦3，这是一种无污染储量大能源效率高的理想材料。要知道8吨氦3产生的电量就够整个中国用一年。总而言之，所以哪个国家先研究先攻克，哪个国家就在世界上拥有了更多话语权。

5、嫦娥五号月壤分享给美国航天局吗？

答：2011年，美国国会通过了“沃尔夫条款”，限制美国NASA、国务院科学委员会等官方机构与中国航天往来合作。能不能合作，还要看美国政府的政策。

说密度不对的，什么美苏没给正确数据的，什么表取采少的，不但事实错误，而且极为荒谬...... 再强调一遍，表取没有任何问题，采集样本量非常接近1500g的预期采集量，别再造谣了。

某高赞回答还扯什么颗粒堆积率，颗粒堆积率只有在粒径和总体积空间比例较小的情况下才有比较显著影响，对于月壤颗粒和嫦娥五号样品罐那个级别的差异，简直可以忽略不计......

真实原因是嫦娥五号降落地点下方不到一米处就遇到大量坚硬的岩石层，无法突破，确切的说继续钻取风险过高，遂放弃。嫦娥五号钻取器只下探到了1米不到，原本预计采样500g是2米深度的对应质量，只有一半不到的采样深度就少了260多g。

事实上，由于类似的无人钻地取样是基于探测器降落的地点而定，无法事前进行地下勘探，所以具有相当强的随机性，换句话说，你也不知道你会降落在什么样的地质环境上，只能在设计时尽量多的考虑可能出现的各种问题并且做好预案。我们知道，在中国的嫦娥五号之前，苏联在上个世纪进行过三次成功的月球钻取并成功返回，苏联的钻取月壤的过程就相当不顺利。

苏联首个成功采样返回的Luna16就遇到了在过高密实度的月壤卡滞钻杆的情况^[1]，类似的情况也发生在了美国阿波罗15号的钻取采样上，幸好最后有惊无险，给苏联带回了第一捧月壤。苏联Luna20钻取采样的地点的地质条件主要是有大量长石的斜长岩，和先前Luna16样品中的玄武岩不同，钻头在钻探的过程中数次因为过热而停机，于是只采集了约55g样本（有些资料称30g，这是错误的），比设计的100g左右少了一半不到^[2]。经过改进后的，也是最后一次任务Luna24，原本想要采2米深的月壤层（由于采用倾斜式打钻，实际长度更是达到了2.25米），采样器在下钻过程中多次停钻，虽然最终取得了长达1.6米，170g左右的月壤样本，远超她的前辈，但质量和深度并不及预期设计。^[3]

外星钻取，特别是无人自动钻取，是一件技术含量和风险都非常高的事情。就拿嫦娥五号来说，这里面至少就面临几大至关重要的挑战：

首先，月球地质特点不同于地球，月壤不受空气，流动水和微生物等因素影响，大多数位置的岩土特征处于比较稳定的状态。但是大家也知道月球表面经过了数十亿年的陨石撞击，月壤的密实度在不同位置，不同深度呈现出非常大的差异，这给钻取带来了非常大的风险。要注意的是这里说的密实度不是密度，因为土壤有一个孔隙比的概念，也就是土体中的孔隙体积与其固体颗粒体积之比。密实度有时也会采用“相对密度”这个说法，这是一个无量纲数，样品的密实度dr的定义为：

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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