嫦娥五号探测器即将实现我国首次月面自动采样返回任务，北京时间12月1日23时许成功着陆月面后，开展了太阳翼展开、机构解锁等相关准备工作。12月2日4时53分，着陆器和上升器组合体完成了月球钻取采样及封装，进入实质性的采样封装环节。那么，如何将月球土壤和岩石样品打包，并保证不能有任何污染？这就用到一个专门的装置——月球样品采样封装系统装置，能够自动承接、封装月球样品并具有密封功能。而中国航天科技集团有限公司五院510所（以下简称“510所”）研制的月球样品密封封装子系统是保证这一任务实现的关键。这个系统安装在嫦娥五号探测器的最顶端，经历从发射到回收全任务流程后，最终将采集到的月球样品送到科研人员手中。
采 预先设定指令 内置电机驱动
510所研制的月球样品密封封装子系统主要由主体框架、密封容器组件、盖体组件和开合机构组件组成，镂空的主体框架上分布着用于转移的棘齿和导向条，装置采用了钛合金和铝合金来保证结构强度和刚度，同时最大限度地减轻了重量。
在月面工作段，月球样品密封封装子系统运行预先设定好指令，由内置电机驱动组件工作。首先解除盖体锁定，之后盖体竖直抬升，紧接着盖体转动一定角度，将装置的容器口完全敞开，方便承接钻取及表取的月球样品，待所有样品装入容器后，盖体原路返回，下降至盖体解锁状态下的高度。最后，盖体上的火工锁紧组件，将盖体锁紧的同时进行高真空密封。
“在经历发射和落月的强烈震动之后，要保证月球样品密封封装子系统的金属罐体开盖，同时抬起一个一个的腔体，抬起来之后还要偏移盖体，把钻取和表取样品放入两个被隔离的空间，其难度可想而知。这一过程中或许会有延时，不规则的月岩样品会不会不好放、颗料状的样品落在密封台面上如何密封？都是难题。”国家探月工程中心专家、嫦娥五号飞控专家组专家、510所探月工程技术总负责人王先荣向记者介绍了510所研制的月球样品密封封装子系统的技术。他坦言，这也是过去七八年来510所科研人员始终压力很大的原因。
510所机电事业部李昊璘是月球样品密封封装子系统的一名研制人员，参与项目时20多岁，大学刚毕业，由“一位老大哥带着做”。他记得项目的预研始于2009年，由于是直接在月面完成月球样品的采样和封装过程，与美国和前苏联都不相同，所以没有可资借鉴的成例。“这个装置本身必须轻量化，才能多带些月壤回来。同时，由于返回器的容积是有限的，装置必须小型化。苛刻环境适应性地面验证技术，以及能够适应月面环境的开/合盖锁紧密封技术等等，都是研制过程中需要解决的技术难点。”李昊璘说，研制非常辛苦，在为装置减重时，几乎是“一克一克重量往下抛”，尝试了许多新的结构和材料。“鉴定实验的量一加再加，就是为了确保上天后不出问题。”
李昊璘说，月球样品密封封装子系统的研制备受关注。原先设计中的一颗工艺螺钉在上天前必须要取掉，“如果不取掉，落月后取样装置盖体打不开”。嫦娥五号探月工程三期探测器系统总师在审查产品时，一天之内为螺钉的问题询问了五六次。
510所空间环境载荷工程中心负责研制月球样品密封封装子系统的控制单元，与机电事业部的研发工作相辅相成。科研人员周颖说，电性件攻关的时候，大家经常凌晨两时还没回家。有一次盖体怎么也打不开，深夜才发现是电机驱动盖体的方向错了。解决后，大家才回家安心睡觉。
王先荣说，当时在文昌基地合练的时候，装置盖子怎么都打不开，急坏了510所所有相关科研人员，最后两周左右才查找到原因，原来是兰州与文昌的大气压不同。在此过程中，李昊璘与周颖在任务归零的压力下有些崩溃，有三天三夜没合眼。当时院士就守在现场，李昊璘写报告材料写到凌晨4时，到汇报时却晕倒了。
封 火工品爆炸冲力反推罐体密封
我们日常生活中常见的电饭煲、高压锅等都采用的是橡胶圈密封，且都是在一个相对平稳的环境中使用。“包装”月球样品的装置所具有密封性能，远超电饭煲和高压锅。510所研制的月球样品密封封装子系统是采用铟铟合金和橡胶密封的复合密封方式，保证密封漏率。在包装了月球样品后，还要经历返回器再入大气层的冲击、振动和内外压差的变化以及着陆冲击等力学环境。“当盖体回复罐体原来位置并下降后，通过机械传动能力和电驱动进行密封；这还不行，还有一个炸药的作动装置，用它的爆炸冲击力反推罐体密封。密封材料采用的是稀有金属合金，两种金属按一定比例混合后，制成一种特殊的合金，不能太硬、也不能太软、要耐一定高温，而且不能太高。”王先荣说，要恰好达到这些技术要求，才能保证火工品爆炸后压下并压死盖体，使漏率达到10^-9帕。“这已经是在地面不太容易实现和达到的一个极高真空环境。”
“开合的过程中，不能改变月球样品的物性。这台装置涉及到结构、机构、驱动，以及38万公里的电的控制等，都对技术提出了极高要求。”
解 创造跟腔体同样的真空环境打开盖子
月球样品密封封装子系统返回地面后，怎么将密封得如此严实的月球样品从装置中取出？“解铃还须系铃人”，510所研制的月球样品解封分装操作台可以胜任此项工作。“在地面如果想把漏率在10^-9帕的密闭容器打开，一般可行的方法只有锯开！嫦娥五号任务当然不可能用锯的办法，如何打开我们又有新的设计：必须创造一个跟腔体内同样的真空环境，才能把这盖子打开。之后，把月球样品从中转移到我们可以人工操作的舱体内。”王先荣说，通过月球样品解封分装操作台，可以在高纯氮气环境下对月球样品进行收集、登记、描述等处理，最大限度保证月球样品不受地球外部环境的影响，避免月球样品氧化和污染，满足深空探测任务中地外天体样品密封容器解封、处理和保存等需求。“解封之后，还要将一个个样品‘包装’，以供不同单位进行科学研究。这个庞大的装置已经交付国家天文台，在那儿等着月球样品取回后解封。”
兰州日报社全媒体记者 何燕