嫦娥五号在月球表面钻取采样。
北京飞控中心，科技人员为月表采样提供信息支持。
12月2日22时，经过约19小时的月面工作，嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样，并已按预定形式将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。我国首次月面自动采样工作圆满完成。而嫦娥五号也即将进入最后一个任务阶段——带着月壤返回地球。这也是此次任务的“终极挑战”。昨日，嫦娥五号探测器主任设计师姜水清、嫦娥五号探测器钻取子系统负责人王国欣、嫦娥五号对接与样品转移机构团队技术负责人王曙群等人对此次“挖土”任务进行了介绍。
文、图/广州日报全媒体记者 肖欢欢
通讯员 段逊 王玓瑭
三种模式力保顺利采样
在看了嫦娥五号落月、“挖土”的全过程后，中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器主任设计师姜水清给出了“完美”的评价。姜水清介绍，为确保首次月面采样任务顺利完成，嫦娥五号探测器研制团队多措并举，不仅对月面采样过程进行了联合设计分析，确定了“先钻后表、器地协同”的工作程序，以及“器上操作、地面测控和地面物理验证”三位一体的飞控模式；而且还设计了遥控工作、预编程工作和半自主工作三种工作模式，确保采样过程的可靠性；此外，各单机还开展了相应的环境试验和专项试验，子系统开展了钻取、表取和密封封装专项试验，验证了单机及子系统的功能和性能。
姜水清表示，嫦娥五号所采用的表取、钻取两种方式互为备份，可以提高采样的成功率和可靠性，同时也能够获得更为丰富的样品种类，为后续科学家研究提供更多可靠的原始资料。此前，研制团队想方设法做了几百次试验，数十种工况模拟和多次三位一体模式的采样封装演练，才得以全力以赴确保了我国首次月面自动采样任务顺利完成。
“最强挖掘机”钻头百里挑一
中国航天科技集团有限公司五院529厂承担的钻取子系统承担了此次月球次表层自主钻取采样任务。嫦娥五号探测器主任设计师、钻取子系统技术负责人王国欣介绍，这次嫦娥五号的钻取系统具有钻进能力强、排粉能力强、月壤适应性强的特点，堪称“最强挖掘机”。
首先是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，同时具有较好的解决危险工况和大颗粒的能力。
其次，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，使其排粉能力裕度大大提高，大大提高了取芯率及钻进策略的可调整性。
此外，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”三种模式的自由切换。可根据采集到的钻进参数自主切换策略，适应多种月壤工况，具有很强的钻取适应性。
王国欣介绍，相比表取，钻取的难度要大一些，这次的钻取系统具备钻取月表以下2米深度月壤的水平，并且不会破坏该区域月壤的结构。此外，为将月壤封装容器与整形机构分离并传送至上升器内，这一次在月壤传送分离方案上独创设计了“剪切销”式低冲击剪切分离的方式。在整形电机的驱动下，剪切机构在月壤封装容器的上端面施加轴向压力，通过轴向压力剪断均布的3个剪切销，实现月壤封装容器与机构部分的分离。
月壤转移误差不大于5微米
月壤采集好之后，就要进行月壤转移。对接机构中对接环的运动位置精度和对中性是影响月球土壤封装成败的一个关键因素。中国航天科技集团有限公司八院149厂是参与研制生产嫦娥五号对接与样品转移机构的团队。该厂首席技师、对接机构总装组组长王曙群介绍，这次对接样品转移机构是一种弱刚性结构，体积小、结构复杂，但功能一样没有减少，所以对于装配中的测量数量、精度等要求更高。在转移过程中，系统形成了一个封闭式的微型“隧道”，受到了产品特性的六个自由度的限位限制。
在研制过程中，团队的两位技师吴骏和顾京海发现在理论和实际运用中系统的运作出现了偏差，由于六个自由度的限制，让本来就属于弱刚性的结构很容易受到外界压力后产生细微的形变；在消除“卡壳”现象的过程中，他们通过对整个系统的传送的运动轨迹和路径进行仔细分析，提出了将限位减少到两个自由度，即左右和旋转的自由度。为此，他们将原本圆孔的限位装置改为“方孔+扁平轴”的限位装置，从而在确保产品装配精度要求的情况下，使得转移机构在运作的过程中能够不走偏并流畅地完成每一个指令和动作。
最终，研制团队验证了该方法的可行性和可靠性，大大提高了转移机构的运动位置精度，使各个位置的精度误差均不大于5微米，成功实现月壤从上升器向轨道器的转移，一举解决了产品“卡壳”现象的问题。
回程将采取“打水漂”
嫦娥五号完成月球采样后，即将带着月壤高速再入返回地球。嫦娥五号探测器副总设计师查学雷早前在接受记者采访时表示，任务的再入航程与飞行试验器基本一致。在环月等待阶段，嫦娥五号轨道返回组合体将从对接舱分离并进入月地入射点，等待月地入射窗口的到来；在月地转移阶段，轨道返回组合体在经历多次中途修正之后，在距离地球5000公里高度处将实现轨道器和返回器的分离；到了再入返回阶段，嫦娥五号返回器与轨道器分离后，返回器首先以第二宇宙速度冲向地球，在进入地球大气层后，通过半弹道跳跃式再入返回技术重新跳出大气层，再以第一宇宙速度进行降落，最终返回器打开降落伞，平稳地降落在预定地点。
而当返回器带着月壤向地球飞来，其飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度，一旦速度过猛，后果不堪设想，为此，航天科技集团五院的设计师们创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案，就像在太空“打水漂”一样，让返回器先是高速进入大气层，再借助大气层提供的升力跃出大气层，然后以第一宇宙速度重新扎入大气层，返回地面。
为确保嫦娥五号能平稳返回，中国航天科技集团六院为探测器量身定做了3台新型发动机，其中两台3000N发动机将分别为嫦娥五号探测器的轨道器、上升器提供动力，而1台7500N变推力发动机则将完成探测器着陆组合体月面软着陆任务。
此外，返回器S频段应答机作为返回路上的唯一测控通信工具，将为嫦娥五号返回地球保驾护航。
