2020年12月17日,中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙非常激动。就在这一天,嫦娥五号圆满完成中国首次地外天体采样返回任务。当天下午,他做客该校逸夫博物馆,为广大师生讲述嫦娥五号背后的故事。2天后,他作为唯一一位来自高校的科学家代表,参加了嫦娥五号任务月球样品交接仪式。看到月球“土特产”顺利地来到地球,肖龙的脑海中浮现出为之奋斗的日日夜夜、点点滴滴。
肖龙是嫦娥五号钻取子系统飞控专家组成员。他带领的行星地质团队主要参与嫦娥五号选址区研究、负责研制模拟月壤用于取样试验验证工作,同时还开展了利用模拟月壤进行样品研究的准备工作。
2011年,中国探月工程三期嫦娥五号正式立项。而早在2009年,肖龙团队就开始模拟月壤预研工作。那时,采样工具和方案主研单位迫切需要了解月壤的性质,并且需要使用类似实际月壤的物质作为对象,开展采样试验方案和采样工艺的验证。
为了解决这些问题,肖龙团队通过对阿波罗样品的调研以及其他可能的月壤性质评估,再结合对着陆点的地质分析,做出模拟所有不同类型月壤的研制方案。
10年来,肖龙团队累计提供的模拟月壤重量超100吨。肖龙团队直接服务对象是钻取子系统负责单位。据他介绍,工程单位利用不同类型的模拟月壤开展试验,在试验中不断试错,进而制定各类故障的排除方案,把月面会遇到的情况都尽可能想到了,并不断提高模拟月壤的真实度,最大程度地保证采样成功。
嫦娥五号落在哪儿,也要经过前期周密的谋划。从2016年开始,肖龙团队承担中国地质调查局“嫦娥五号预选着陆区1:25万地质图”任务。
为了解决这些问题,肖龙团队只能从已有的小比例尺月球地质图及相关的填图规范出发。首先建立填图的标准,包括明确月球地质图的填图单元、使用哪些图例、如何挑选地质单元颜色等,还要保证我国的地质图符合国际标准。
但对着陆区的选择,并不那么容易。10年前,我国还没有选定着陆采样区,只确定在月球正面的月海区域。后来,经过科学家与工程单位的多次联合论证,最终把采样区定在风暴洋北部的吕姆克山地区,面积约5.5万平方公里。
作为钻取子系统飞控专家组成员,肖龙用“刻骨铭心”“终身难忘”来形容他见证月面采样的整个过程。
钻机开始工作后,从表面钻到接近1米深时,还相对顺利。后来遇到大石块时,意外发生了——钻机启动保护性停钻。尽管地面指挥中心采取了一系列措施,但依然没有能够继续钻下去。为了保护已取到的样品及后续的表面挖取样品工作,最后的实际钻进深度不到2米便宣告收工。
不过,这距离对月球样品开展研究还有段时日。肖龙介绍道,2020年12月19日举行样品交接仪式时,样品是被密封在样品容器中,打开需要在十分严格的环境中进行,否则样品容易被污染。据悉,国家航天局已在国家天文台建立了月球样品存储中心。
采样地点的选择也是有讲究的。最终选择的地点是东部的年轻玄武岩区,“也是我们所期待的”。团队成员、行星科学所副教授黄俊说。
肖龙向《中国科学报》进一步解释道,因为这里的土壤是更为年轻的玄武岩风化形成的。该地火山喷发的年龄可能在距今15亿年左右,而美国和苏联采集的火山岩样品都是早于31亿年形成的。
更为关键的是,这一年龄差别有重要的科学意义。过去的50年里,人类对月球科学的认知多与样品的研究有关,包括地月系统的形成、月球的起源、月球核幔壳圈层结构的形成机制、月壳的组成、火山活动历史、小天体撞击历史和潜在矿产资源等。而样品来源主要是阿波罗样品和月球陨石样品。
据悉,国家国防科技工业局探月与航天工程中心主导制定了月球样品使用的相关规定,近期将对外发布。