嫦娥五號月球鉆土桿金屬所造
2020年12月2日，嫦娥五號著陸器和上升器組合體完成了月球鉆取采樣及封裝工作，其中月球鉆取采樣機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件——鉆桿及其結(jié)構(gòu)件是由中國科學(xué)院金屬研究所馬宗義團(tuán)隊(duì)研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制成，其輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度和耐磨損等特點(diǎn)，滿足了嫦娥五號在月球表面苛刻工況下的采樣需求。
我國的探月工程分為“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略。嫦娥五號探測器是負(fù)責(zé)嫦娥三期工程“采樣返回”任務(wù)的中國首顆月球采樣返回探測器。主要任務(wù)是采集月球樣品并返回地球，全面實(shí)現(xiàn)月球探測工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。采樣機(jī)構(gòu)中搭載的2.5米長深孔鉆取式采樣器負(fù)責(zé)鉆入月球土壤中取樣，并送到上升器中。復(fù)雜的月球土壤構(gòu)成、劇烈的環(huán)境溫度變化、苛刻的輕量化要求，對鉆采機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量、強(qiáng)度和耐磨性提出了嚴(yán)苛要求，其中，鉆桿要鉆入月球土壤深處，對材料的要求更加苛刻，常規(guī)的金屬材料無法滿足制備要求。
鋁基復(fù)合材料具有低密度、高強(qiáng)度、高模量、耐磨損等優(yōu)異特性，是替代鋼、鈦、鋁等傳統(tǒng)金屬制備鉆桿的理想材料。然而，傳統(tǒng)鋁基復(fù)合材料強(qiáng)韌性匹配差，其穩(wěn)定性和可靠性難以滿足鉆采機(jī)構(gòu)苛刻的工作環(huán)境和“萬無一失”的質(zhì)量要求。馬宗義團(tuán)隊(duì)通過研發(fā)鋁基復(fù)合材料大尺寸坯錠及多道次變形加工工藝，研制出高強(qiáng)韌鋁基復(fù)合材料擠壓棒材、鍛件和厚壁管材，實(shí)現(xiàn)了材料性能和穩(wěn)定性的大幅提升。尤其針對鉆桿用材開展了材料高取向微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證耐磨性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了材料高強(qiáng)塑性匹配，先后突破了復(fù)合材料內(nèi)孔高精度、高直線度加工、熱處理強(qiáng)化與矯直等關(guān)鍵技術(shù)，研制的鉆桿耐磨性和強(qiáng)度可與鋼材媲美，實(shí)現(xiàn)減重65%，解決了月球土壤鉆桿“無材可用、有材難加工”的困境，為嫦娥五號鉆采任務(wù)的順利完成提供了重要支撐。
中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)家肖龍說，嫦娥五號的著陸器配備一個(gè)鏟斗和一個(gè)鉆頭，它將采集大約兩公斤的土壤和小塊巖石，最深將鉆到距月球表面2米的地方。
嫦娥五號必須動作迅速。由于沒有內(nèi)部加熱機(jī)制，無法抵御溫度低至零下170℃的月球夜晚。整個(gè)探月任務(wù)必須在月球上的一個(gè)白天完成，大約相當(dāng)于地球上的14天。著陸器采集到樣本后，一枚小型火箭會把樣本帶回軌道器。一旦進(jìn)入軌道，月球物質(zhì)將被裝進(jìn)返回器送回地球。探測器上一次將月球樣本送回地球是在1976年，蘇聯(lián)的“月球”計(jì)劃于當(dāng)年結(jié)束。2公斤重的新樣本或許聽起來實(shí)在不多，但嫦娥五號送回的樣本來自一個(gè)從未被探測過的區(qū)域。
由上升器、著陸器、返回器、軌道器4部分組成的嫦娥五號重8200公斤。嫦娥五號的著陸器采集約2公斤的月球物質(zhì)，其中一些要從2米深的地下鉆取。隨后，樣本將被轉(zhuǎn)移到上升器，上升器再被發(fā)射到月球軌道，與嫦娥五號的另外兩個(gè)組成部分——軌道器和返回器——會合。返回器將把月球上的土壤和巖石帶回地球。
嫦娥五號的運(yùn)行壽命很短，但此次探月任務(wù)意義深遠(yuǎn)。畢竟，科學(xué)家們還在研究1969年至1972年間美國國家航空航天局（NASA）阿波羅探月任務(wù)帶回的382公斤月球物質(zhì)，阿波羅任務(wù)帶回的一些物質(zhì)來自風(fēng)暴洋，該處是阿波羅12號在1969年底探索過的一座火山作用形成的平原。但是，嫦娥五號著陸地呂姆克山脈是12億年前才形成的，而阿波羅計(jì)劃宇航員采集到的所有樣本都有30億年以上的歷史。
因此，非營利機(jī)構(gòu)行星學(xué)會在描述此次任務(wù)時(shí)稱，嫦娥五號“將幫助科學(xué)家弄清月球歷史晚期發(fā)生的事情以及地球和太陽系的演變過程”。
2020年12月2日22時(shí)，經(jīng)過約19小時(shí)的月面工作，探月工程嫦娥五號探測器順利完成月球表面自動采樣，并已按預(yù)定形式將樣品封裝保存在上升器攜帶的貯存裝置中。
自動采樣是嫦娥五號任務(wù)的核心關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，探測器經(jīng)受住超過100℃的月面高溫考驗(yàn)，克服了測控、光照、電源等方面的條件約束，依托全新研制的地外天體樣品采集機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械臂表取和鉆具鉆取兩種方式分別采集月球樣品，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)、多樣化自動采樣。
嫦娥五號探測器配置了降落相機(jī)、全景相機(jī)、月球土壤結(jié)構(gòu)探測儀、月球礦物光譜分析儀等多種有效載荷，能夠在月表形貌及礦物組分探測與研究、月球淺層結(jié)構(gòu)探測等科學(xué)探測任務(wù)中發(fā)揮重要作用。探測器鉆取采樣前，月球土壤結(jié)構(gòu)探測儀對采樣區(qū)地下月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析判斷，為采樣提供了數(shù)據(jù)參考。
結(jié)語
2003年，中國首次將一名宇航員送入環(huán)繞地球的軌道，2020年又將2公斤月球土壤帶回了地球；2019年，中國還是世界上首個(gè)實(shí)現(xiàn)月球背面軟著陸的國家，并在建設(shè)一個(gè)永久性空間站與開展載人登月任務(wù)。目前，“天問一號”火星探測器于2021年2月22日完成了第三次制動，成功地進(jìn)入火星停泊軌道，將運(yùn)行約3個(gè)月，開展科學(xué)探測，可在5~6月之間著陸火星。此外，中國還可能在月球上建設(shè)一個(gè)永久基地，這些都表明，當(dāng)前的中國已成為航天大國與強(qiáng)國之一。
總之，目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)航天鋁材自主生產(chǎn)，航天器鋁制零部件自主設(shè)計(jì)制造，而在這其中有近10家有色行業(yè)企業(yè)參與了相關(guān)工作，并作出了突出貢獻(xiàn)。另外，筆者建議，為推動我國航天鋁材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來航天鋁材的基本要素應(yīng)該具有更強(qiáng)的、極為完整的可追溯性，希望有關(guān)方面對此加以關(guān)注。