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構中的關鍵部件——鉆桿及其結(jié)構件是由中國科學院金屬研究所馬宗義團隊研制的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制成，其輕質(zhì)、高剛度、高強度和耐磨損等特點，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責嫦娥三期工程“采樣返回”任務的中國首顆月球采樣返回探測器。主要任務是采集月球樣品并返回地球，全面實現(xiàn)月球探測工程“三步走”戰(zhàn)略目標。采樣機構中搭載的2.5米長深孔鉆取式采樣器負責鉆入月球土壤中取樣，并送到上升器中。復雜的月球土壤構成、劇烈的環(huán)境溫度變化、苛刻的輕量化要求，對鉆采機構結(jié)構件的質(zhì)量、強度和耐磨性提出了嚴苛要求，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。
鋁基復合材料具有低密度、高強度、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)鋁基復合材料強韌性匹配差，其穩(wěn)定性和可靠性難以滿足鉆采機構苛刻的工作環(huán)境和“萬無一失”的質(zhì)量要求。馬宗義團隊通過研發(fā)鋁基復合材料大尺寸坯錠及多道次變形加工工藝，研制出高強韌鋁基復合材料擠壓棒材、鍛件和厚壁管材，實現(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)構設計，在保證耐磨性的同時，實現(xiàn)了材料高強塑性匹配，先后突破了復合材料內(nèi)孔高精度、高直線度加工、熱處理強化與矯直等關鍵技術，研制的鉆桿耐磨性和強度可與鋼材媲美，實現(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的順利完成提供了重要支撐。
中國地質(zhì)大學（武漢）行星科學家肖龍說，嫦娥五號的著陸器配備一個鏟斗和一個鉆頭，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)部加熱機制，無法抵御溫度低至零下170℃的月球夜晚。整個探月任務必須在月球上的一個白天完成，大約相當于地球上的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。一旦進入軌道，月球物質(zhì)將被裝進返回器送回地球。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”計劃于當年結(jié)束。2公斤重的新樣本或許聽起來實在不多，但嫦娥五號送回的樣本來自一個從未被探測過的區(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。
嫦娥五號的運行壽命很短，但此次探月任務意義深遠。畢竟，科學家們還在研究1969年至1972年間美國國家航空航天局（NASA）阿波羅探月任務帶回的382公斤月球物質(zhì)，阿波羅任務帶回的一些物質(zhì)來自風暴洋，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，非營利機構行星學會在描述此次任務時稱，嫦娥五號“將幫助科學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，經(jīng)過約19小時的月面工作，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的核心關鍵環(huán)節(jié)之一，探測器經(jīng)受住超過100℃的月面高溫考驗，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構，通過機械臂表取和鉆具鉆取兩種方式分別采集月球樣品，實現(xiàn)了多點、多樣化自動采樣。
嫦娥五號探測器配置了降落相機、全景相機、月球土壤結(jié)構探測儀、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)構探測等科學探測任務中發(fā)揮重要作用。探測器鉆取采樣前，月球土壤結(jié)構探測儀對采樣區(qū)地下月壤結(jié)構進行了分析判斷，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實現(xiàn)月球背面軟著陸的國家，并在建設一個永久性空間站與開展載人登月任務。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，成功地進入火星停泊軌道，將運行約3個月，開展科學探測，可在5~6月之間著陸火星。此外，中國還可能在月球上建設一個永久基地，這些都表明，當前的中國已成為航天大國與強國之一。
總之，目前我國已經(jīng)實現(xiàn)航天鋁材自主生產(chǎn)，航天器鋁制零部件自主設計制造，而在這其中有近10家有色行業(yè)企業(yè)參與了相關工作，并作出了突出貢獻。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該具有更強的、極為完整的可追溯性，希望有關方面對此加以關注。