嫦娥落月取土,武汉教授十年磨“锄”

2020-12-02 08:47 来源: 新华社
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  长江网12月2日讯(首席记者杨佳峰)昨晚11时11分,嫦娥五号落月,将正式开始持续约2天的月面工作,采集月球样品。
  这是武汉参与研究、助力完成的工作。早在10年前,中国地质大学(武汉)肖龙教授团队、段隆臣教授团队和李大佛教授团队接受任务,为嫦娥系列任务研制模拟月壤、绘制采样点地质地貌地图,研究使用何种钻探方法取样、采用何种型号钻头。十年磨一剑,他们走过了少有人知的科学攻关之路。 
  肖龙教授向记者展示着陆点月球月海位置。记者杨佳峰 摄
  10年模拟,研制模拟月壤100吨
  “月面采样能否成功的关键因素之一,是要了解月壤的性质,研制出与实际月壤相似的模拟月壤。”11月26日,刚刚从文昌发射现场回到武汉的中国地质大学(武汉)行星科学研究所肖龙教授,没有歇息便带长江日报-长江网记者来到研究所看他的坛坛罐罐——一瓶瓶的模拟月壤。“别看它们也是土,但来历可不一般。”他对即将到来的嫦娥五号月面取土作业充满自信。
  今年57岁的肖龙教授是嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员,参与了嫦娥五号取土作业的两项关键任务——模拟月壤和采样点地质地貌地图绘制。10年间,他带领团队北至东北、南到海南,收集各种岩石和土壤,研制出成分、颗粒、形态等都与月球相似的模拟月壤,先后提供了100多吨模拟月壤用于月面采样工程技术验证。
  肖龙教授见证了嫦娥三号、嫦娥四号的现场发射;在嫦娥五号的发射现场,火箭升空的一刻,他流下了热泪。“作为参与者,我亲身感受到我国探月工程一步一个脚印向前迈进,内心怎能不激动!”肖龙说,早在2011年,他和团队就开始着手为嫦娥五号研究可供实验的月球土壤样本。由于缺乏真实样本数据,他们只能用有限的陨石和遥感数据反复进行分析,用不同的材料进行配比尝试。
  为保障模拟月壤的高仿逼真,肖龙带领团队首先调研了“阿波罗载人登月计划”采集的月壤样品性质,获得了实际月壤的相关参数,以及随深度变化的月壤剖面结构。团队根据实际月壤的可能状态和月面低重力的工作环境,选取了不同类型的玄武岩、火山灰、斜长岩、钛粉等数十种与月壤性质较为相似的地球岩石和矿物,进行破碎加工,制造出成分、颗粒形态等都与实际月壤相似的原料。
  在肖龙教授的实验室兼办公室,记者发现桌面上放置最多的就是各种类型的模拟月壤,记录了这一团队10年的奋斗历程。“现在摆这里的已经很少了,最多时房间里根本摆不下,都移放到车库里了,同样也是塞得满满的。”肖龙说,试验需要用到大量的岩石、土壤等原材料,实验室放不下,他把自家的车库改为了临时仓库。
  肖龙教授配制出的各种模拟月壤样本。记者杨佳峰 摄
  10年来,肖龙教授团队共研发出60多个种类的模拟月壤,经过反复筛选,其中10多种被最终确认为试验用月球土壤。
  绘制着陆点地质地形地图,为“嫦娥”指路
  如同打仗需要战场地形图一样,嫦娥五号降落月表同样需要一份地图,只有廓清着陆点的地质地貌,才能确保“嫦娥”着陆的安全。因为涉及月面取土作业,这份地图还必须涵盖落点附近的地质构造,以满足嫦娥五号的工作需求。
  据悉,嫦娥五号将实现月球区域软着陆及采样返回,其预选着陆区位于月球正面风暴洋北部,北纬41°~45°,西经49°~69°区域,该区域东西长约450公里,南北宽约120公里,总面积约55000平方公里。
  “着陆点的选址最主要考虑两点,一是工程的安全性,二是要有重要的科学价值。”肖龙透露,此处采样点其他国家的探测器从未到访过。
  这么大面积的月海地质地形地貌地图如何绘制?作为采样点选址的一项关键工作,肖龙教授带领团队在结合以往国内外月球地质填图资料和填图规范的基础上,建立了利用多源遥感数据开展月球地质填图的方法和流程,包括落月点地形地貌、石块分布、月壤厚度,以及撞击坑统计定年(通过统计单位面积中撞击坑的大小和数量,来计算该区域的年龄);并采用高程数据计算预选着陆区山体阴影、坡度,月溪的地形特征和月海玄武岩厚度;采用多光谱数据反演铁钛含量、计算光学成熟度、合成假彩色影像和月壤粒度。
  经过10年努力,肖龙教授带领团队顺利完成并提交了这份复杂的地图——《嫦娥五号预选着陆区1:25万地质图》,覆盖了嫦娥五号预选着陆区,基本查明嫦娥五号预选着陆区的地质框架和地质事件序列,为嫦娥五号着陆提供了大比例尺月球地质图。
  嫦娥五号预选着陆区地质填图成果可以为探月工程提供基础地质支撑。肖龙告诉长江日报-长江网记者,通过对月海玄武岩物质成分、玄武岩喷发历史和撞击坑等着陆区域专题研究,确定了地层切割关系、成分和矿物组成,厘清了该区域的地质演化历史。
  据悉,《嫦娥五号预选着陆区1:25万地质图》完全覆盖嫦娥五号预选着陆区,弥补了预选着陆区没有大比例尺月球地质图的空白,是我国嫦娥五号计划重要的参考资料。该地质图表现了预选着陆区范围内各种地形、地貌、地质信息,以及主要地质单元的分布、年龄、岩性、化学成分、矿物组成等特征。丰富详实的地质图面内容可以为嫦娥五号工程选择一个样品价值最为丰富、实施难度适中的着陆点提供依据。同时,也为返回样品的研究提供了不可或缺的地质背景信息。
  为钻取月壤,设计螺旋钻进方案
  月球上没有空气、没有水,取月壤的钻头要钻进月表2米深,在高速旋转下钻头该如何散热?除肖龙教授参与嫦娥五号探月工程钻取子系统外,中国地质大学(武汉)段隆臣教授团队和李大佛教授团队参加了部分钻探方案设计和钻探模拟试验等工作。
  自2010年便参与月球采样研究的段隆臣教授介绍,在地球上模拟月球的采样试验,过去没有过,难度很大。月球钻探的最大不同是采样环境不一样,月球上是真空的,重力环境也发生改变,这是不利的一面;有利的一面是月球引力只有地球引力的六分之一,机械设备消耗的功率较小。此外,在地球环境下,钻头钻进往往会使用冷却液,给钻头降温才能继续工作,而月球上没有空气、水,钻头在高速运转中产生的高温无法散热,必然影响钻头工作。
  在模拟月壤的参与下,段隆臣教授带领团队经过理论计算,确定在月球上钻探2米需要的动力储备,并通过低密度的月壤模拟低重力效果,经过反复尝试,最终选定螺旋钻进方案。段隆臣透露,在钻头的选取上,李大佛教授团队也进行了很多有益尝试,但李教授没有等到嫦娥五号升空的这一天就去世了。
  “钻头钻进后,月壤的一部分会由钻头的螺旋叶片带出月表,另一部分月壤通过空芯钻杆带回地球。”段隆臣团队成员高辉副教授向记者描述钻取月壤钻头的工作原理:螺旋叶片带出月表的月壤可以有效降低钻头的温度,不需要再进行冷却也能确保钻头正常工作。
  高辉介绍,嫦娥的取土作业采用表取和钻取两种方式进行。按照计划,表取1.5千克,钻取0.5千克。表取由机械臂采用挖、夹、铲等动作完成。表取的机械臂相当于机械手,异常灵活,配合计算机视觉系统,可以实现自由抓取。若遇到大型岩石或者硬度较高的月表,力量超过机器人设计限度,钻取无法进行,这时候将更多依赖于表取。
  对话肖龙教授>>>
  在2千克月壤样本中或许能找到来自地球的陨石

  “这是地球上找到的一块陨石,但是它来自月球。”肖龙教授手拿一块薄石片说。记者杨佳峰 摄
  记者:作为研究行星的科学家,您首次接触月壤是什么时候?它和地球上的土壤有什么不同?
  肖龙:2008年,我在美国亚利桑那州立大学做访问学者时,参加了当地一个宝石展销会,会上有各种稀罕石头,我第一次见到了月球陨石。自己掏腰包,我买了一块小薄片,0.1克月球陨石。随后研究发现,这块小石片表面有烧黑的熔壳,有包含月球上的特殊的元素和同位素,甚至可以测定居地年龄(在地球上待了多少年),完全可以确定它来自月球。当时通过这个0.1克月球陨石,我进行了研究,也发表了论文,与地球土壤的区别主要是微量元素和氧同位素不一样。
  记者:在中学教材上有一篇课文,说到月球的起源,月球究竟是地球的妻子、姐妹还是女儿?通过2千克月壤样本可不可以判断出来这种关系?
  肖龙:月球有很多地球的基因,大部分科学家都认为月球是地球的女儿。月球形成于地球的大碰撞中。在约46亿年前,地球正在形成之际,遭到其他天体的碰撞,碰撞导致的大量地球碎块抛向太空,并围绕地球旋转,最终这些碎块逐渐形成了月球。如果说地球的年龄是46亿年,那么月球的年龄就稍微晚一点,所以说月球是地球的女儿。
  嫦娥五号带回来的2千克月壤样本可以让我们获得更多的同位素组成,但很难从中找到月球是地球女儿的直接证据。理论上,地球上有来自月球的石头,月球上有来自地球的石头,但目前月球上还没有找到来自地球的陨石,或许在2千克月壤样本中能找到来自地球的陨石。
  记者:此前,美国和苏联已经从月球带回大量月壤做研究,这次中国从月球取2千克的月壤在科研上价值何在?
  肖龙:这次我们在月球上的采样点与美国和苏联的都不一样,他们采过的地方我们不去,这次嫦娥五号预选着陆区位于月球正面风暴洋北部月海一个月球火山口附近。之所以选择这个地方,是因为美国通过阿波罗飞船带回的月壤研究发现,这些月壤都是31亿年前形成的,由此他们认为31亿年前月球就“死”了,月球是个“死”行星。
  月球火山口附近的月壤更复杂,科研价值更大。通过对月球表面图像的研究,时间越久其表面遭陨石的撞击越多,反之越少,这就是“撞击坑统计定年法”。依据此法,在月海中的火山岩应该晚于20亿年前,在10亿到20亿年间。若这种推算成立,则证明月球20亿前还有“生机”,而不是30亿前月球就“死”了。这种推断是从月球遥感而来的,但缺乏来自月表的证据,假若2千克的月壤样品能证明这一点,科学家可以重新思考月球演化的历史。
  2千克的月壤样品还可以进一步验证“撞击坑统计定年法”的可靠性。假若撞击坑统计定年法的年代划分证明是对的或者错的,月海中的火山岩出现在15亿年或者18亿年,那么一些研究成果可以获得更精准的校正,月球的撞击年代曲线可能会发生变化。这种方法也可以运用到其他星球的研究上。从这一角度讲,在月海中取土2千克的价值是相当大的。
  记者:月球取土工程的安全性、可靠性如何保障,若失败有没有备选方案?
  肖龙:嫦娥五号探测器将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆。工程方面,主要考虑地形、地貌、坡度、光照和通讯条件等因素。科学方面,着陆点要远离以往着陆采样区,以获得与以往不一样的样品,能回答以往没有解决的科学问题。吕姆克山东部区域,有月球上最年轻的火山岩,这里的样品研究意义很大。
  月球取土采用的是全过程无人操作,完全依赖于传感器的反馈进行操作,也有失败的可能。如着陆点的小环境不好,钻头在钻进过程中遇到比较坚硬的岩石,导致无法钻进;月表月壤比较紧实,导致抓取月壤困难;这些都有可能发生。但是,我们进行了10年的月球取土的模拟实验,无论是着陆区地质地貌地图,还是钻探机械设备的模拟取土实验,都作了深入研究,月球取土成功是有很大把握的。
  记者:嫦娥五号带着月壤样本返回地球后,您有没有可能获得部分月壤样本进行研究?未来还有新的研究方向吗?
  肖龙:嫦娥五号取到样本回来以后,我们会积极申请获得月壤样本,用由中国人自己采集的月球样本进行研究,不再受限于其他一些国家的制约。对于我们国家来说,这是行星科学发展的一个机会,也是中国贡献世界的一个很重要的方面。
  我和我的团队已经着手于火星土壤和岩石的研究。未来,我们希望为中国的火星探索贡献自己的力量。
  【编辑:贺方程 朱晨颖】
  
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