1、引言

我国的探月工程始于2004年，制定了“绕、落、回”三步走的战略。2007年嫦娥一号圆满完成任务，2012年嫦娥三号成功登陆月球，今天的嫦娥五号将会带回2kg的月壤。可以说，嫦娥五号为当初制定的探月三步走战略，即将划上圆满的句号。

探月工程

嫦娥五号的工作过程分好几个阶段，从发射胖五开始，经过一系列地月转移、近月制动、着陆器分离、动力下降、月面工作、上升器月面上升、轨道对接、样品转移、上升器分离、轨道器月地转移、轨道器释放返回器、返回器再入。每一个阶段都困难重重。但是相比于之前的绕和落，月面取壤和返回是嫦娥五号面临的新的问题。

嫦娥五号工作流程

嫦娥的返回，依靠的是发动机的精确控制，在这方面，我们的技术已经足够强大了，登月的成功，其实就意味着返回也并没有太大的难度。这么看来，月面取壤的工作才是整个嫦娥五号遇到的最新问题。

嫦娥五号的月球取壤工作分两种方式：表取和钻取，分别取1.5kg的月球表层的月壤样本，和取0.5kg的2m深度的月壤样本。前者依靠铲子的铲挖工作就可以获得，后者依靠钻头的钻入。在这两种方式的取壤过程中，会遇到哪些问题呢？

2、表取的难点

月壤的表取是采集月球表层的土壤样本，总共需要采集1.5kg，这一步相对来说较为容易些。月球表层分布着风化以后的岩石尘埃，下图就是当年阿姆斯特朗的月球脚印，可以看到到处都是灰尘。在地球上，对付灰尘最好的办法就是吸尘器，不过月球上没有空气，吸尘器无法正常工作。所以，铲子是最佳的工具。我们的嫦娥五号，正是采用挖铲的方式来获取表层样本的。通过铲，获取月表的尘埃、浮动的小岩石等。通过挖，获取浅层的被埋入的月壤样本。

月表的尘埃

在挖铲的过程中，会遇到坚硬的大石头，需要嫦娥预先判断。一个是通过图像判断，如果是个大石头，就不要去挖了。另一个是通过传感器，浅层的石头无法通过图像识别，当挖掘力太大时，就表示这个地方有石头，换个位置吧。

根据这个挖铲的过程，月壤表取的难度并不是太大。真正的难点在于钻取，这也是预计钻取的量才0.5kg的一个原因。

3、钻取的难点

根据工作计划，钻取需要钻入月表2m左右的深度。即使是在地球上，把一个杆子插入2m深也不是简单的事。洛阳铲可以深入地下，但是那都是土，相对容易些。但是在月球表面，底下埋的是什么，我们一无所知。

洛阳铲

大概率，2m深的月下，是一些岩石，大的小的，都有可能。所以，取样并不是像洛阳铲那样，靠蛮力把洛阳铲插下去，而是通过钻头的旋转，不断地破坏可能的岩石，从而减小向下的力。这里面就有一个关键问题：钻头。

冲击钻

我们日常中接触最多的就是这种冲击钻，这是装修师傅的必备工具。这种钻头用来破除混凝土还行，但是如果破除岩石就必须打上一个问号了？岩石的钻头要复杂多了，如下图这种是地球上用来钻井的钻头。在月面上，必然也是采用类似的钻头。

钻井的过程

地球上，我们会看到装修师傅在钻的时候，会给钻头喷水。因为在钻取的过程中，钻头与岩石摩擦破坏，会产生大量的热，而岩石的导热性能不太好，这些热量堆积在钻头附近，会让钻头温度急剧升高，这会降低钻头的性能。

冷却液降低钻头的温度

钻取的过程，其实就是机械行业的钻削过程，为了保证钻头的使用寿命和状态，长时间工作的钻头必须用冷却液进行降温冷却。但是，在月球上哪来的冷却液。所以，月球的钻取过程，就是干干的钻削过程。

如果是比较易碎的石头，钻取时间就不会太长，那么可以一次性钻到底。但是如果遇到坚硬的石头，问题就来了。钻削必须依靠一定的钻速，否则就无法实现破坏效果，这就表明不能通过降低钻速来降低温度的提升。那么唯一的方法就是，工作一会，休息一会，这就延长了钻取的时间了。

钻削的有限元仿真

这种工作方式带来了一个新的问题，究竟工作多久需要休息？我相信，嫦娥工程的设计师们肯定做过这样的仿真试验。针对目标月球地区的年轻的玄武岩，根据设计的钻头，通过有限元仿真，分析出钻头的受力和温度变化，从而确定钻头的温升时间。另外，月球的玄武岩跟地球的玄武岩力学性能是否一样，也无从所知，这应该也是本次任务的一个目标。

4、总结

嫦娥五号成功落月，真正的挑战其实才刚刚开始。月面取壤的过程，会遇到各种各样的力学难题，等待着嫦娥五号慢慢去攻克。