九天揽月

文｜本刊编辑部

这是距离我们最近的星球，大约38万千米，今天的人类探测器最快只需要3～5天就能抵达。这里遍布大大小小的陨石坑，地表裸露在真空中数十亿年，时刻遭受着强烈辐射的轰击，岩石破碎，锋利的尘埃在静电中浮空飞行。

这也是我们夜空中最明亮的天体，清凉、皎洁，光芒如水。人类的大部分传说中，都将她塑造为古老的女性神，美丽而有智慧，不断变幻圆缺，牵动海洋的潮汐，主宰人类的夜晚。

受某种神秘特质的指引，人始终向往着深空——广袤深邃的地球之外的世界。而那里，太阳过于炽烈，曾融化过伊卡洛斯天真的翅膀，阻挡过夸夫一往无前的脚步；月亮，则包容着我们的探索与好奇。那是人类已经到达过的地方，我们也必将再次抵达。

2020年12月17日凌晨，内蒙古四子王旗的草原落满积雪，一位举世瞩目的“天外来客”顺利降落，低于-20℃的气温也没能阻挡人们期盼的热情。它是我国前往月球采样的嫦娥五号探测器，历时23天，第一次怀揣月岩和月壤，成功回家了。这一落，为一个东方古国历久弥新的揽月梦想，画上了圆满句点。

本期我们探索嫦娥五号。从中国探月工程“绕、落、回”的历程回顾，到嫦娥五号23天惊心动魄的高难度太空之旅，从月球上的山峰、月海与尘埃，到嫦娥五号的火箭、轨道和发动机，从一代代科学工作者锲而不舍的攻坚克难，到满天星斗般中国航天人的无私奉献，从人类为何探月的疑问，到一捧月尘带来的超越时间的意义，这项中国航天史上最复杂、最困难的系统工程的成功，意义非凡。中国，已经踏响了迈向航天强国的铿锵足音。

“久有凌云志，重上井冈山。千里来寻故地，旧貌变新颜。到处莺歌燕舞，更有潺潺流水，高路入云端。过了黄洋界，险处不须看。风雷动，旌旗奋，是人寰。三十八年过去，弹指一挥间。可上九天揽月，可下五洋捉鳖，谈笑凯歌还。世上无难事，只要肯登攀。”55年前伟人的豪情壮志今已梦想成真，未来，我们星辰大海征途上的每一步，也希望能有你的加入和守护。

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中国探月16年嫦娥五号或将改写月球历史

文｜庞之浩 杨馥溪

嫦娥五号任务是中国探月工程的第6次任务，是我国迄今复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程。此次任务的成功实施，是我国航天事业发展中里程碑式的新跨越，标志着我国具备了地月往返能力，实现了“绕、落、回”三步走规划的完美收官，为深化研究月球成因和演化历史提供了助力，为我国未来进行月球与行星探测奠定了坚实基础。

苏联月球16号采样返回探测器

月球采样返回，苏联占得先机，美国大肆“挖土”

在无人月球采样返回探测方面，苏联可以说是开路先锋，这也许与苏联的载人登月项目半途而废有关，所以将探月重心转向了用无人空间探测器采集月球样品。

1970年9月12日，苏联发射了世界上第一个无人月球采样返回探测器月球16号。它在月面软着陆后，用自动钻孔机采集月球样品，封装于返回舱内。接着，上升级从月面起飞返回地球。最终，返回舱于1970年9月24日在苏联境内着陆。它从月球丰富海取回了1块101克的小样本。

紧接着，1972年2月14日，苏联发射了月球20号。由于遇上了玄武岩，月球20号只从月球阿波罗尼厄斯高地采集到了55克月球样品。1976年8月18日，月球24号在月球危海东南部软着陆，从2米深处挖取了月岩，并总共从月球危海获得170克样品。

20世纪50年代末，苏联在运载火箭和人造卫星技术上先行一步，因此在月球探索上也占得先机，而美国也不甘示弱。

20世纪六七十年代，美国通过阿波罗计划实现载人登月。1969年7月至1972年12月，美国共实施了7次载人登月任务，成功将12名航天员送上月球。尽管载人月球采样返回技术更复杂、成本更高，但由于航天员可以到舱外活动，还能乘月球车漫步到比较远的地方去采集月球样品，所以用载人飞船从月球采样返回，不仅采集量更大、选择性更强，而且采集范围更广。从阿波罗11号到阿波罗17号，美国带回的月壤和月岩样品总计约381.7千克。

科学家通过对月球样品的分析发现，月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒。这些颗粒一般富含铝、硫和锌，在月幔部分融化过程中形成于月球表面下约300千米深处，后因火山活动而被喷射到月球表面。月壤和月岩中氧化铁含量很高，可从中制取水和氧，未来可利用月面物质支持月球基地的运行，并为登月飞行器补充燃料。更重要的是，科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模，月球上的氦-3用于核聚变发电后，能够满足人类约1万年的能源需求。

经过多年沉寂，俄罗斯近期又重启登月计划。2020年，俄罗斯已经把载人登月作为其长期战略目标，并开展了新一代载人飞船、重型运载火箭等设备的研制。此外，俄罗斯还启动了“月球25”号的研制任务，准备降落在月球南极陨石坑。随着航天技术不断走向成熟，日本、印度、韩国等国家，甚至一些民营公司，也提出了自己的月面软着陆或巡视器计划，乃至月球旅游计划。美国也再次决定先重返月球，再前往火星。美国的月球计划核心是建设位于环月轨道或地月L2点的载人空间站，其多功能猎户座飞船和STS太空发射系统重型运载火箭，将为这一计划提供有力的技术支持。未来，美国还将研制基于液氢液氧推进剂的大型单级可重复使用登月舱，实现对月球表面的低成本造访，并以此为基础建设月球基地。

2020年前我国月球探测工程以无人探测为主，分3个实施阶段

拉格朗日点

拉格朗日点（Lagrangian point）又称平动点，由瑞士数学家欧拉、法国数学家拉格朗日分别于1767年、1772年推导得出。在天体力学中，拉格朗日点是限制性三体问题的5个特解，表示一个小物体在两个大物体的引力作用下，在空间中的这5个点上，小物体相对于两个大物体基本保持静止。在每个由两大天体构成的系统中，按推论都有L1、L2、L3、L4、L5共5个拉格朗日点。后来人们进一步发现，在自然界的各种运动系统中，都有拉格朗日点。

中国探月16年，“绕、落、回”三步走顺利完成

自2004年起，中国开始实施月球探测工程。这也是我国空间探测的起点。

月球是离地球最近的星球，又蕴含丰富的资源和能源，所以无论从技术、科学还是经济等方面考虑，各国的空间探测大都先从探月开始。

中国探月工程采用“绕、落、回”三步走发展战略，每一步都是对前一步的深化，并为下一步奠定基础。

“绕”月探测是中国探月的第一步。2007年10月24日，我国发射第一个月球探测器嫦娥一号。这一项目用修2千米地铁的经费，打造了38万千米的天路。

嫦娥一号比原计划多飞行了117天，传回大量有效科学探测数据。它获取了世界第1幅全月图，以及月表化学元素分布和矿物含量、月壤分布、近月空间环境等数据，填补了我国在探月领域的空白。在超额完成各项任务后，2009年3月1日，嫦娥一号受控撞击了月球丰富海区域。

极地轨道

轨道平面垂直于地球赤道的人造地球卫星轨道。人造卫星运行时能到达地球南北极区上空，即卫星能飞经全球范围的上空。需要在全球范围内进行观测和应用的气象卫星、导航卫星、地球资源卫星等都采用这种轨道。

我国探月工程的第二步是“落”月探测，实施了嫦娥二号、嫦娥三号共2次飞行任务。

嫦娥二号作为技术先导星于2010年10月1日发射升空。它运行在距月面100千米高的极地轨道上，主要对6项新技术进行了试验验证，并对未来的预选着陆区进行了高分辨率成像，同时获取了更丰富和准确的探测数据。2011年4月1日，嫦娥二号在半年设计寿命期满后，又进行了一系列拓展试验，开创了我国航天一次发射开展多目标多任务探测的先河。

嫦娥三号是中国探月二期工程的主任务。2013年12月14日，嫦娥三号在月面软着陆，首次实现了我国对地外天体的软着陆；12月15日，嫦娥三号的着陆器与巡视器互相拍照，标志着我国成为世界上第3个掌握落月探测技术的国家。它直接获得了丰富的月球数据，并经受了着陆、移动和长月夜生存三大挑战。目前，嫦娥三号的着陆器仍在工作，是迄今世界上在月面工作时间最长的着陆器。

嫦娥四号原来是嫦娥三号的备份，由于嫦娥三号完成了任务，所以嫦娥四号被改为探月四期工程的第一个任务。2018年5月21日，我国发射世界首颗运行在地月L2点轨道的月球中继卫星——鹊桥，并于同年6月14日进入使命轨道。同年12月8日，世界上首个在月球背面着陆的探测器嫦娥四号升空。利用嫦娥四号传回的探测数据，我国科学家获得了大量科学新发现，例如首次揭示月球背面地下结构、为解答月幔物质组成的问题提供直接证据等。

2020年11月24日，嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场由长征五号遥五运载火箭成功发射，执行我国探月三期任务。探月三期的目标是实现我国首次月面自动采样返回，对返回样品进行系统分析与研究，深化对月球和地月系统的起源与演化的认识。这也将为我国载人登月和深空探测奠定基础。

早在2014年10月24日，我国就发射了再入返回飞行试验器。同年11月1日，试验器返回舱在内蒙古着陆。这是我国航天器第1次在绕月飞行后再入返回地球，表明我国已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回的关键技术，为嫦娥五号的“回”铺平了道路。

作为我国探月工程的三期任务，嫦娥五号探测器由上升器、着陆器、轨道器、返回器4个部分“串联”组成，先后经历发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移和再入回收等11个任务阶段，最终在内蒙古四子王旗着陆，然后将近2千克月球样品送至地面实验室开展精细研究。

嫦娥五号月球探测器结构示意图

嫦娥五号月球探测器的着陆器与上升器组合体在月面软着陆模拟图

嫦娥五号实现了我国开展航天活动以来的5个首次

○ 首次地外天体的采样与封装

○ 首次地外天体上的点火起飞，精准入轨

○ 首次在月球轨道上进行无人交会对接和样品转移

○ 首次带着月球样品以接近第二宇宙速度再入返回

○ 首次建立我国月球样品的存储、分析和研究系统

任务的大概过程是：嫦娥五号组合体进入月球轨道后两两分离，轨道器与返回器（简称“轨返”）组合体留在轨道，着陆器与上升器（简称“着上”）组合体在月面降落。着陆后采集月壤，采集的样品放在上升器的返回舱里，进行无污染严密封装。随后，上升器从月面起飞，与轨返组合体交会对接，把样品转移到返回器后，上升器与轨返组合体分离。接着，轨返组合体踏上归途，在距地球一定高度处，返回器从轨返组合体中分离。最终，返回器采用半弹道跳跃再入方式进入大气层，落至预定着陆场。

嫦娥五号在月球正面最大的月海——风暴洋北部的吕姆克山脉附近着陆，此地从未有其他国家的探测器到访过。之前美国和苏联的月球任务所获得的岩石表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，随后逐渐减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近200亿～10亿年前才形成的火山熔岩。

嫦娥五号软着陆的风暴洋地区就存在20亿～13亿年前的玄武岩，而人类目前尚未有这一时段的月球样本，嫦娥五号的取样将填补这一空白。获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。如果嫦娥五号的样本证实这段时间月球上的火山仍在活动，那么，月球历史将可能被改写。

人类为什么要去月球

文｜毛新愿

人类航天时代的到来，可以回溯至1957年10月4日——这一天，人类发射了第1颗人造地球卫星斯普特尼克1号。此后，人类在20世纪50年代末迅速开启了对月球的探测。

20世纪六七十年代，苏联和美国投入海量资金、人力和各类资源，开启数个大型系列任务，掀起探索月球的高潮。然而，两国进行的各种无人探测器和载人登月任务都基本证明，月球表面只是一片贫瘠的荒漠，毫无生机，对当时的人类而言没有太多的直接利用价值。而与之相对的是载人登月的高昂成本——当年阿波罗计划花掉了超过2000亿美元（折算到如今币值）。1976年8月22日，苏联月球24号探测器从月球返回地球，带回了170克月球土壤样本。这是人类最后一次近距离接触月球。自此，苏美两国相继终止了密集的月球探测计划，人类大规模的月球探测告一段落。

虽然集中投入后的探测高潮在20世纪70年代逐渐回落，但探月带给人类的长期回报却是巨大的。

在民生领域

航天员使用的航天级纸尿裤和今天的婴儿尿不湿有很大关联

对普通人来说，最为直观的感受是，月球探测（尤其是载人登月）带来了很多日常生活用品的革新。由于航天员执行任务期间需要长期生活在狭小的飞船空间内，执行出舱行走任务时往往需要花费数小时穿上复杂的宇航服，且不能随意穿脱，因此，工程师们需要及时、便捷地了解航天员身体的各项健康指标，也必须及时解决他们的生理和心理需求。相应的，科学家们为此研发出了各种简单易携的测量血压、血氧、心跳等的装置，便携式呼吸设备，以及极其重要的纸尿裤。此外，探月活动衍生出的防划玻璃、气垫鞋、记忆枕、防辐射镜片、净水设备和空气净化设备等，也逐渐走入了大众的生活。

在科技领域

月球探测器和载人飞船对重量限制极为严格，这几乎要求任何一种进入太空的设备都要高度集成到狭小的空间内。任务中还要实现地月之间的实时通信和电视直播，这对相关工业技术的进步提出了很多迫切需求。

在20世纪60年代，集成电路、电子芯片、无线通信技术等刚起步的阶段，社会需求极少，但与太空竞赛相关的订单促进了这些领域的公司快速发展。摩托罗拉、贝尔实验室、罗克韦尔、通用电器、IBM、波音、洛克希德、格鲁曼、洛克达因等知名公司迎来了一次巨大的发展机会，尤其是在信息革命最关键的通信与集成电路领域的起步阶段，获得了领先优势。

航天领域处在制造业金字塔的最顶端，航天尖端技术的进步意味着金字塔顶部的提高，通过金字塔自上而下的产业链传递过程，整个金字塔的体积得以极速扩大，从而带动整体制造业，尤其是高科技制造业快速发展。

在教育科研领域

在教育科研领域，探月竞赛过程促进了大量科研机构和高等院校的腾飞，集中孕育了一批高水平理工科人才，也奠定了美国理工科大学对欧洲的全面超越，以及随后的持续领先优势。

人类早期月球探测重要任务

此外，登月期间的数次直播都成为轰动全球的大事件。通过高质量的科学普及教育，很多民众的航天兴趣被激发，也促进了社会资金、资源对航天业的持续支持，吸引了一批又一批青年人才不断投身航天事业中。

可见，探测月球对人类的民生、科技和教育等领域产生了极其深远的影响，它甚至开启了一个崭新的时代。正因如此，人类在进入21世纪后提出重返月球，中国、日本、印度、以色列以及欧洲各国等也都加入其中。

本文内容来自“中国的航天”公众号，ID：chinaspaceday

嫦娥五号探月过程全解析

文｜巅峰执笔

图｜中国航天科技集团

2020年11月24日，长征五号遥五运载火箭搭载嫦娥五号成功发射。嫦娥五号探测器在23天时间里，按计划实施了地月转移、近月制动、两两分离、平稳落月、钻表取样、月面起飞、交会对接、样品转移、环月等待及月地转移，并于2020年12月17日成功实现再入返回、安全着陆。随后，整个工程任务转入科学研究的新阶段。

任务过程中，嫦娥五号完成了1次对接、6次分离、2种方式采样、5次样品转移，全程11个重大阶段和关键步骤环环相连、丝丝入扣。

与一期和二期探月任务相比，作为探月工程三期的嫦娥五号无人月面采样返回任务的技术跨度较大，采样返回的整个过程和之前相比都具有创新性。以嫦娥五号任务圆满成功为起点，我国将接续实施探月工程四期和行星探测工程。

中国，21世纪探月先锋力量

嫦娥探月工程自2004年正式启动到嫦娥五号发射前，我国已经取得了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1、嫦娥四号共计5次任务的连续胜利，其间，还部署了一颗距离地球约45万千米的鹊桥中继通信卫星。连续突破月球环绕探测、月面软着陆探测、月面巡视探测、近第二宇宙速度月地返回、月背探测等一系列世界级月球探测工程难题，不论是月球探测器发射数量还是质量，中国毫无疑问都是人类21世纪探月的先锋力量。

嫦娥探月工程从一开始就确立了“绕、落、回”三步走发展规划，工程立项仅3年，嫦娥一号即实现绕月探测。早在嫦娥三号完成落月任务前2年，旨在完成第3步“回”任务的嫦娥五号就已于2011年5月正式立项。

而嫦娥五号的预定发射日期一再变化，从最早计划的2017年年底，变更到2019年，后直至2020年，这当中我们不难领会到，什么叫作“运载火箭运力有多大，航天舞台就有多大”。虽然嫦娥五号的核心任务是“采样返回”，但实质却是“绕、落、回”三大任务缺一不可，是对整个嫦娥探月工程启动实施16年来的一次系统大考。由于一次发射需要承担多项工程任务，导致探测器发射质量急剧增大至8.2吨，对比嫦娥四号不到4吨的发射质量，嫦娥五号的质量翻了一番还多。

我国具备地月转移轨道8吨级发射能力的火箭唯有长征五号，它可以将9吨左右载荷直送地月转移轨道。换句话说，如果没有长征五号，那么嫦娥五号也就无从谈起。

长征五号作为一款新研火箭，需要通过实际发射验证才能承运如此大质量的嫦娥五号。按照计划，2017年7月2日，长征五号遥二火箭完成发射，经过这次发射的可靠性验证后，当年11月就将执行嫦娥五号的发射任务。但遥二任务的失利使后续发射计划推迟。遥二任务后，长征五号团队就开始了漫长的归零工作，嫦娥五号也需要等待长征五号遥三火箭复飞成功，才能实施发射。

2018年，长征五号团队完成了遥二火箭问题定位，准备当年年底前实施遥三火箭发射。然而就在发动机地面试车时，一位年轻的技术员发现了细微的裂纹问题，遥三任务再度推迟。直至2019年，发动机完成可靠性增长试车后，遥三火箭才被推向发射塔架，此时已是2019年年底。

令人欣慰的是，在落实数百项改进措施之后，长征五号遥三发射任务取得圆满成功。2020年5月5日，长征五号B遥一火箭的再度成功进一步验证了产品技术的高可靠性，为嫦娥五号时隔3年的王者归来奠定了坚实基础。

嫦娥五号，所有高难度科目环环相连、丝丝入扣

拥有8.2吨发射质量的嫦娥五号，不仅是我国目前最大吨位无人深空探测飞船，更是全球最大吨位无人深空探测飞船。嫦娥五号不仅体格大，而且任务复杂，要在23天任务周期里连续完成11个高难度科目。

动作1 发射入轨

2020年11月24日凌晨4点30分，文昌航天发射场使用长征五号遥五运载火箭搭载嫦娥五号飞船发射入轨。

可不要小看这一环节，当下放眼全球，能将8吨级飞船直送地月转移轨道的“玩家”有且仅有两个，一个是美国，另一个就是我们。具体而言就是3型火箭，分别是重型猎鹰、德尔塔IV重型火箭和长征五号。其中，长征五号9吨左右的地月转移轨道运力优于德尔塔IV。这主要得益于采用先进膨胀循环系统的高空氢氧发动机YF-75D的应用，使得火箭拥有更为优异的高轨运力。

动作2 地月转移轨道飞行

与长征五号遥五二级火箭分离后，嫦娥五号轨道器与着陆器分别展开太阳翼，展开后的太阳翼呈十字交叉布局，目的是避免光照遮挡。在地月转移轨道飞行的时间约为112小时，其间，地面深空测控网实时测定探测器的轨道位置，视情况进行了2次轨道修正。经过嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥四号共计3次地月直接转移飞行任务的历练，嫦娥五号奔月之路得以更加平稳。

动作3 近月制动

嫦娥五号在距离月面400千米处和近月点处，需要进行2次反推减速，也就是俗称的“太空刹车减速”，以满足环月飞行速度条件。如果没有及时减速，飞船将飞离月球；而如果减速过猛，飞船也可能撞上月球，因此需要精确计算点火时间。

不同于嫦娥一号、嫦娥二号使用推力为490牛的轨控发动机，也不同于嫦娥三号、嫦娥四号使用的7500牛变推力发动机，嫦娥五号轨道器使用的轨控发动机推力是3000牛。该型发动机早在2012年就首次完成了1000秒连续点火高模试车。值得注意的是，该型发动机是一机两用，嫦娥五号上升器使用的也是同款动力，执行月面起飞任务。

动作4 环月飞行

完成近月制动后，嫦娥五号被月球引力捕获，从而进入一条距月面高度约200千米的环月轨道。紧接着，嫦娥五号一分为二，形成“轨道器与返回器组合体”（轨返组合体）和“着陆器与上升器组合体”（着上组合体）。轨返组合体继续留在200千米环月轨道运行，着上组合体则进入近月点15千米、远月点200千米的着陆准备轨道进行为期约42小时的环月飞行。

嫦娥五号环月飞行模拟图

其间，如果有需求，还可以使用着上组合体搭载的光学相机，对着陆区进行高清成像，微波高度计、激光高度计等载荷也可开机获取着陆区更为详细的地貌信息，然后择机实施着陆任务。

动作5 月面下降

月面着陆目标为月球正面风暴洋吕姆克山脉附近。执行登月任务的嫦娥五号着上组合体，充分继承嫦娥三号、嫦娥四号着陆平台技术，着陆器配置有颇具实战经验的7500牛变推力发动机。该型号发动机具备1500～7500牛推力区间的深度调节能力，不仅能有效解决着陆减速难题，同时还具备高比冲、高精度、高可靠性的强大优势。

整个登月过程分为主动减速段、快速调整段、接近段、悬停避障段、缓速下降段和自由下落段总计6个阶段。进入接近段后，着陆平台启用我国首创的基于机器视觉全自主避障系统，该系统由多种态势感知设备组成。在机器视觉全自主避障系统、7500牛变推力发动机与水平机动推力器的综合作用下，嫦娥五号可实现优于0.7千米的月面着陆精度，该精度居于世界领先水平。

在距离月面较近时，发动机关机，着上组合体开始缓冲着陆，目的是减轻发动机尾流扬起的月尘。最后的着陆能量由4条着陆支撑腿吸收。该部件采用高效吸能合金制造，能够确保着陆器在设定夹角内不倾覆。着陆支撑机构曾在嫦娥四号的月背登陆任务中立下大功——通过回传图像确认，当时嫦娥四号降落在一块带有倾斜角度的坡面上，周围数米距离内就有多个月球坑。如果不是机器视觉系统和着陆支撑机构的双重加持，想要完成复杂的月面着陆行动是无法想象的。

为了攻克地外天体着陆难题，我国早在10年前就兴建了用以模拟月球引力条件下着陆过程的试验设施。2年多以前，位于河北省境内的地外天体着陆综合试验场也拔地而起，其试验能力进一步提升，可以模拟在月球、火星等地外天体环境下悬停、避障、缓速下降的过程。完备的地面试验设施是嫦娥三号、嫦娥四号得以完美落月的强大保障。

动作6 月面工作

着上组合体此前在着陆准备轨道绕月飞行40多个小时的一个重要原因，是为了等待着陆区月午时刻的到来。因为着上组合体获取月壤样本需要充沛的电能，而只有月午时分才能使探测器太阳翼的发电能力最大化。基于月午工作条件，着上组合体的月面工作时间设定为48小时。

嫦娥五号任务目标是抓取约2千克月壤，而探测器设定的月壤抓取上限是4千克。为此，嫦娥五号着上组合体配备了人类迄今最为全面的地外天体样本抓取机构。这一钻取采样系统由“岩心钻探机”和“机械取样器”组成。岩心钻探机目标钻取月面下约2米深度的月岩样本；机械取样器则由四自由度机械臂与末端采样器组成，基于机械臂功能可以实现大范围多样化采样，末端采样器两端分别是铲挖式采样器与浅钻式采样器，能执行铲、挖、浅钻、拾取等多种形式的样本采集。配合末端采样器工作的还有一部依附于机械臂末端位置安装的近距摄像头，稍远处还有一部远距广角摄像头。

那么，嫦娥五号4千克月壤的抓取上限在国际上是什么水平呢？同样是目前月球无人采样领域里的世界第一。此前，人类曾发射3艘无人月球采样飞船，获取的月壤总量也仅有326克，而嫦娥五号的设计采样量是其总量的12倍有余，任务实际采样量是其总量的5倍多。为什么嫦娥五号有如此出色的采样能力呢？除了完备的钻取采样系统，动作7更是关键所在。

机械取样器月表采样模拟图

动作7 月面上升

由于嫦娥五号是短周期任务，无须携带多余的探测载荷，维持月夜工作的核热源也可省去，加上近月制动由轨道器负责，着陆器又可省去一部分燃料重量，因此嫦娥五号着陆器才可以携超过半吨重量的上升器实现登月任务。

人类此前的3次无人月球采样任务，由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案。这就需要上升器克服返回舱与大量燃料死重（除去推进剂的重量），因此极大压缩了样本重量。嫦娥五号则采用具有世界领先水平的月球轨道无人对接方案转移月壤，上升器只需少量燃料，且没有返回舱死重，因此取样重量才能呈几何级提高。

完成月壤采集任务后，着陆器平台升起一面五星红旗，然后使用着陆器监视相机来了一个自拍。紧接着，完成月壤样本初级封装工作的上升器就要准备月面点火起飞了。这又是一个高难度科目。

火箭在地球上起飞有完备的发射塔架系统，点火起飞位置经过精确测算，飞行轨道也是算了又算。月面起飞则完全不同，着陆器就是上升器的发射塔架，而着陆器是不可能四平八稳的，比如嫦娥四号的着陆器就落在了斜坡上，同时着陆器也不可能像地球发射塔架那样配置火箭导流槽。

月面起飞轨道设计、月面起飞测控、发动机羽流导流都是月面起飞的核心难题。早在2015年6月，中国航天科技集团六院就进行了相关的验证试验。第1阶段试验就取得四战四捷的成绩，充分验证了设计的可靠性与正确性。2014年发射的嫦娥五号T1试验器服务舱，也曾在第3阶段的拓展任务中验证了嫦娥五号上升器的运动过程。

上升器月面起飞模拟图

为了确保上升器能够飞起来，我们综合空间任务与地面试验，进行了大量的任务验证，并且建立了一整套系统，以保证各任务之间环环相扣。比如，着陆系统保证着陆在相对平坦的月面，上升系统则保证即便着陆在倾斜坡面也能安全起飞等等，都是着眼最复杂的险局、危局进行任务设计。

动作8 月球轨道交会对接

单依靠上升器是无法把月壤样本送回地球的，它需要与轨道器和返回器组合体（轨返组合体）对接，进行样品转移，由返回器将样品送返地球。

我国通过载人航天工程已经熟练掌握了近地轨道（高度2000千米以下的近圆形轨道）交会对接技术。然而，嫦娥五号要突破的是38万千米以远的月球轨道无人交会对接，这在人类航天史上又是一个第1次。月球轨道无人交会对接需要测控网攻克深空轨道多目标、高精度测定轨技术，同时还需要针对嫦娥五号任务的特殊要求，研制全新的轻量化对接系统。

神舟飞船与天宫实验室交会对接时，是体量相当的空间目标撞击。而嫦娥五号轨返组合体此时质量超过2吨，与数百千克重的上升器相比，体量明显不对等，任务又需要由轨返组合体主动对接上升器，是大追小的复杂受力条件。为了解决这一难题，中国航天科技集团八院研制了一种被称为“抱爪式”的空间轻小型弱撞击对接机构，它采用捕获、校正、锁紧、自动转移功能一体化设计，在无人交会对接的同时，实现样品容器自动转移。这一技术可以当之无愧地称为世界首创，是嫦娥五号具有世界领先水平的重要元素之一。

实施对接任务前，轨返组合体首先要分离返回器支撑舱，从月面起飞的上升器则进入近月点15千米、远月点180千米的目标轨道，随后经过2天的环月飞行，完成上升器与轨返组合体之间的远程导引。进入自主近程交会段后，在微波雷达导引下，于3.5小时内实现两器对接。

月球轨道无人交会对接模拟图

动作9 环月等待

完成对接与样品转移后，上升器被抛离。紧接着，轨返组合体进入为期约6天的环月等待飞行，目的是进入能量最优月地转移轨道。

动作10 月地转移

当112小时月地转移能量最优轨道窗口到来时，轨道器3000牛发动机点火，切入返回轨道，当轨返组合体距离地球约5000千米时，轨道器协助返回器建立再入返回姿态。随后轨返分离，返回器飞向地球，进入再入返回航路。

动作11 近第二宇宙速度再入大气层

以往神舟飞船再入大气层的初始速度是7.6千米/秒，所承受的再入大气烧蚀温度在2000℃左右。而嫦娥五号返回器则以11千米/秒的近第二宇宙速度再入大气层，与大气摩擦的烧蚀温度将接近3000℃。

为了抵御高温烧蚀，嫦娥五号返回器在大底迎风面、大底背风面、大底拐弯角环、侧壁迎风面、侧壁背风面、侧壁舱盖与边缘防热环、稳定翼这7大部位，分别应用了7种不同成分的防热烧蚀材料。

舱体承受高温烧蚀的同时，还面临气动减速难题。因为，接下来还要打开减速伞实现软着陆地球，速度太快会对减速伞造成巨大的压力。为此，我们创新出了高速半弹道跳跃式返回轨道，就像打水漂一样。返回器第一次再入大气后，在距离地面近60千米时，利用大底前端形成的弓形激波，先反弹回太空，然后二次再入大气层，此时返回器的再入速度就能够与神舟飞船返回舱一样了。这样做的目的，主要是为了减速。

轨道器与返回器分离，返回器即将飞向地球

采用高速半弹道跳跃式返回轨道，就像打水漂一样，帮助返回器减速

返回器在距离地面接近10千米高度时，引导伞与主减速伞相继拉出，最终着陆于内蒙古四子王旗航天着陆场。

载人登月，梦想已经照进现实

从长征五号点火起飞到着陆，连续11个高难度科目圆满完成。看到这样前所未有的复杂过程，有些人不禁会发问：为了拿到月壤样本，嫦娥五号真的有必要如此“大费周章”吗？

早在嫦娥五号任务公开伊始，也曾有直接从月面起飞返回的采样方案。但是，这种简化方案只是在走前人的老路，对登月工程技术的带动价值有限。我们要的，显然不仅仅是这近2千克的月壤样本。首先，通过嫦娥五号任务，我国将拥有包括但不限于地外星球复杂样本取样、无人飞船地外星球起飞、地外星球深空轨道无人交会对接、样本封存转移等一系列世界领先技术，是我国引领人类月球开发的里程碑事件。

嫦娥五号月面自动采样返回任务为探月三期工程画上了圆满句号，同时，它更是开启载人登月工程的金钥匙。嫦娥五号的核心使命不仅是采样返回，更是验证一系列登月返回的核心技术。以嫦娥五号为基础扩容，增设生命保障设备，同时提升工程可靠性，这就是一艘21世纪的载人登月飞船。

嫦娥探月工程自启动伊始，就对一系列核心技术展开了正面攻坚，不论是嫦娥三号的机器视觉着陆系统，还是嫦娥四号代表人类首登月背，以及嫦娥五号的集群式突破，全都仰赖科研战线的完全自主创新。因此，中国才掌握了能够在世界上领跑月球探测的技术资本。

如果说20年前我们谈载人登月，只能算是畅想，那么今天，梦想早已照进现实。

早在2019年年初，中国探月工程总设计师吴伟仁就明确表示，未来10年左右，月球南极将出现中国主导、多国参与的月球科研站，月球上将留下中国人的足迹，我国将迈入世界航天强国前列。

尤其是在2020年长征五号B遥一火箭首飞任务中，搭载升空的新一代载人飞船试验船，第一次升空就瞄准远地点8000多千米的大椭圆轨道。这一高度甚至超越了嫦娥五号轨返组合体的分离点，就是为了验证第二宇宙速度下的再入热流烧蚀。

新一代载人飞船试验船的发射，是21世纪第一款服务于载人登月用途，包括返回舱与服务舱在内的完整构型飞船的首飞任务。而配合新飞船执行载人登月任务的，是921新一代重型载人火箭，于2020年9月再度现身2020年中国航天大会。这是一款CBC构型重型火箭，在采用成熟动力技术、火箭箭体基础上，还将应用一系列创新技术，综合技术指标将达到国际一流水准，其奔月轨道运力可达25吨。届时，依托新一代载人重型火箭，我们将实施载人登月任务。

独步全球的嫦娥五号+新一代载人飞船+921新一代载人重型火箭=？相信这又是一个不言自明的问题。

本文内容来自“巅峰高地”公众号，ID：dianfeng2049

五星红旗再次闪耀月球背后的故事

文｜陈 辰

长征五号点火发射 ©国家航天局

2020年12月2日22时，经过约19小时月面的工作，嫦娥五号探测器顺利完成月球表面自动采样。这是我国首次实现地外天体的采样与封装。

2020年12月3日23时10分，嫦娥五号上升器3000牛发动机工作约6分钟，成功将携带样品的上升器送入预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。

在完成采样任务上升起飞前，嫦娥五号着陆器携带的一面五星红旗在月面成功展开。这是我国在月球表面首次实现国旗“独立展示”，也是五星红旗第一次月表动态展示。

另外，如果加上嫦娥三号与玉兔号月球车互拍实现国旗首次亮相月球，以及嫦娥四号首次将国旗带到月球背面，中国国旗已在月球表面展示了3次。而在这些骄傲与荣耀的背后，汇聚着全国数千家单位、数万名科技工作者的艰苦奋斗和无私奉献。技术的每一次突破、工程的每一步跨越，都传承弘扬了中国航天人团结协作、攻坚克难、勇攀高峰的优良传统和创新精神。

旗开得胜

经过数年攻关、各地辗转，当终于看到鲜艳的国旗在月球上实现从“静若处子”到“动若脱兔”的展示时，航天科工所属航天三江红峰公司主管工艺师黄敏既激动自豪，又深知其中不易。

对他们来说，这次研制月面国旗展示系统，不仅一切都是从零开始，而且面临着一系列巨大的技术难题，比如国旗的材料、颜色、重量、火工品、扭簧及展示形式等等。然而，在国家利益面前，一向要强不服输的黄敏没有退缩。

嫦娥五号的国旗展示系统主要由月面国旗、压紧释放装置、展开机构3部分组成。其中，红峰公司主要承担展开机构的加工制作。根据工程组制订的方案，国旗展示系统的终极任务是“旗开得胜”，即国旗能顺利展开，并且打开之后不变形。具体而言，整套系统在折叠状态下长约半米，并须随嫦娥五号着陆月球后接收指令解锁打开。但国旗登月的前提是系统足够轻，几十个零件要想方设法“变苗条”。

在时间紧急、没有任何产品借鉴的情况下，黄敏只能一个个“想破脑袋”去做。比如国旗的“旗杆”顶端有一个空心球，重量要小到极致。黄敏把脑门拍疼时，突然从女儿那个浑然一体的扭蛋玩具上获得了灵感。不过，在空心球中间的合成部分上加工螺纹，难度相当于在头发丝上做微雕。由于需要经过大量的精细计算，黄敏立即找到公司车工沟通，商讨设计制作的各种问题。在缺乏此类加工经验的情况下，黄敏心里也没多少把握。但没想到，这个零件后来竟然制作成功了，不仅顺利通过多项测试考验，而且获得了发明专利。

此外，在火箭发射、探测器运行过程中，要确保国旗“安全”也是一个巨大难题。“那是国家的形象，我们必须要保证它一尘不染。”而要确保旗杆耐异常温度，基座零变形、旗面无污染，黄敏认为，密封圈至关重要。于是，她与设计师对产品结构进行优化，经过反复试验，终于成功解决了问题。但地球上的试验成功了，到了月球上怎么办？黄敏接着又设计出一套试验装置来模拟月球重力环境，成功验证了系统在月球时的展开情况。

披星戴月

从2011年立项论证开始，航天科技集团八院嫦娥五号探测器系统轨道器总体副主任设计师禹志，经历了制订方案、研制初样、生产正样，一直到进入发射场后所有阶段的研制工作。在这个过程中，看着嫦娥五号探测器从无到有，从报告变成图纸再成为实物，禹志心中充满了喜悦。

2020年11月17日，是器箭组合体转运的重要日子。经历了7年研制、3年贮存，嫦娥五号即将发射时，禹志说：“那种心情就像女儿出嫁一般。”其实禹志确实有一个聪明漂亮的女儿，不过才6岁。这次他在基地连续工作了140多天，其间女儿多次问：“爸爸在发射场做什么，什么时候回来？”“爸爸正在修建一架通向月球的天梯，等通过这座天梯，把月球上的土带回地球的时候，爸爸也就回家了。”禹志这样回答。

在嫦娥五号的“四件套”中，禹志负责的轨道器就像一辆太空“摆渡车”，它的运转关系到嫦娥五号任务全部11个阶段中的8个阶段，即探测器月球自动采样的往返运输全过程。为圆满

完成任务，嫦娥五号的轨道器必须实现“重量轻，连得紧，分得开，抓得住，转得过，回得来”。

北京时间2020年12月3日23时10分嫦娥五号上升器从月面起飞，携带月球样品成功进入预定环月轨道，这是中国首次实现地外天体起飞

由于这个轨道器型号比较特殊，国内相关机构便合力攻坚：北京航天五院负责抓总研制，上海方面负责完成总装和测试，然后再运往北京参加试验。因此，禹志和同事们经常在上海、北京两地来回奔波，有时在北京参加试验，一待就是三五个月。回到上海后，同样也时常有大量工作要紧急处理，加班加点、披星戴月成了他们的家常便饭。不少同事年纪轻轻就满头白发，被笑称为型号研制操碎了心。

突如其来的新冠肺炎疫情也给工程带来了很大挑战，交通、工作进度等方面都受到了严重影响。为保证项目正常运转，即便在疫情最严重时，禹志和同事们仍坚持多次乘坐班车赶往北京，一坐就是18个小时，一待至少1周。大家的不懈努力最终保证了型号顺利出厂。

紧接着，试验队全体队员又在发射场连续奋战140余天，完成了轨道器的全部设置，组成“四器”组合体并与运载火箭完成了对接。经过各项测试，轨道器状态良好。

负重前行

在海南文昌航天发射场，发射平台上“中国探月工程”的标志图案，充满东方意韵，格外引人注意。有记者问：“这是谁的脚印？”“这是我们中国航天人的脚印啊！”笑容甜美的孙振莲自豪地说。

作为长征五号火箭发射支持系统型号主管，33岁的她和小伙伴们一直奔跑在路上。此前，长征五号系列火箭的地面设备一次配套、多次使用，发射后均需要时间进行检修和更新工作。比如遥一、遥二火箭的恢复周期都是90多天。但由于文昌发射场2020年要执行3次发射任务，这次任务流程2个月，留给地面恢复的周期只有1个多月。按照之前的经验，将90多天的恢复周期缩短2个月，几乎是不可能完成的任务。但孙振莲坚定了信念：必须提升地面发射支持系统的短期快速恢复能力，探索出一套流程优化的新模式。于是，她带领队伍按照发射场技术流程，结合地面发射支持系统及海南极端天气特点，把工作项目、资源、人员所需时间都细化到小时，最终将恢复周期压缩为35天。

受到新冠肺炎疫情影响，2020年工程推进期间资源、人员协调难度加大，火箭地面恢复团队经过千方百计的努力，终于在发射前把全部资源协调到了现场。

在长征五号成功发射的第二天，副总设计师贺建华就组织团队开始进行设备恢复工作。全体工作人员迎难而上、全力以赴，克服了多重困难。其中，很多工作只能在室外进行，而海南时常出现烈日、台风和暴雨天气。为了拼进度，防热涂层修复人员在不影响其他系统工作的前提下，白天插空干，晚上连续加班干。而在室内的作业，更是给团队带来了极大挑战。当发射场厂房停电检修时，由于没有空调，厂房内温度近40℃，湿度超过90%。所有工作人员的衣服都被汗水湿透了，甚至被盐浸得白花花的一片。此外，孙振莲还透露，支承臂主管设计人员徐铮患有肾结石，但受疫情影响没人能及时替换他。他硬是靠着吃止痛片扛过了一次次病情发作，直到完成工作才去医院就诊。

目前，在极短的时间内，发射支持系统的队员们完成了规定项目的恢复更换工作。其中很多人已在靶场待了十几个月，没有回过家。作为发射支持系统的一员，孙振莲的想法很朴素，她说，在和平年代，爱岗敬业就是航天人家国情怀的最好体现，每个平凡人的努力也能变成推动国家进步的力量。

生死坚守

“魂牵梦绕，醒着、睡着脑子里都是火箭。”作为我国唯一一位参与所有现役捆绑型运载火箭研制全过程的特级技能人才，59岁的崔蕴参与总装过的火箭已有70多发。然而，面对直径大了近1倍、95%都是新技术的长征五号火箭，过去总装传统火箭所采用的工具和装配方式已经完全不能满足需求。

整体上，长征五号火箭箭体上有5万多个零部件，螺钉数目更是巨大，而且品种繁多、装配要求不一，任何一个微小的安装失误都可能导致火箭发射失败。例如，长征五号的燃料储箱体积增大，贮箱壁使用了全新的工艺和材料，壁厚最薄的地方只有2毫米。如果把一个贮箱等比缩小到一个鸡蛋大小，其厚度竟然只有鸡蛋壳厚度的十万分之几。这样的部件在装配时必须严禁触碰，无疑大大增加了装配难度。

另一方面，总装大直径火箭，国内也没有任何经验可以借鉴，无异于摸着石头过河。就在科研人员一筹莫展时，崔蕴凭借几十年来对火箭各系统性能的了解和知识积累，提出了所有人都意想不到的办法，带领团队经过上百次实验，无数次图纸和方案修改，才最终攻克大直径火箭装配的关键难题。此后，技术人员在地面就可以进行各项装配工序，而且升级的装配技术实现了多人多点同时操作。这将总装工作的效率提高了2～3倍。

通过技术和管理上的大胆创新，崔蕴带领团队有效保证了长征五号火箭的出厂时间节点，使嫦娥五号得以顺利升空。

然而，从事火箭制造30多年，崔蕴也曾数次与死神擦肩而过。比如1990年7月，我国首枚“长二捆”（长征二号E）火箭准备在西昌发射。就在千钧一发之际，火箭4个助推器的氧化剂输送管路上的密封圈忽然出现了泄漏，崔蕴义无反顾地冲进抢险现场。在有毒的红色四氧化二氮气体弥漫下，他仍在舱内连续作业了近1个小时。之后被送到医院时，他的肺部已经烧伤75%，生命垂危。医生用超大剂量的解毒剂，多次抢救，才让崔蕴活过来。

在“长二捆”火箭成功发射当天，带着氧气瓶的崔蕴被护士抬到医院楼顶。听着火箭发射的轰鸣声，他的眼泪止不住地往下掉。

精打细算

有了长征系列火箭的“摆渡”，嫦娥系列月球探测器才坚实地走出了一步一个“脚印”的中国探月之路。而这都有赖于中国航天科研战线的自主创新。但在浩大的探月工程面前，人们不免会想到，这势必花了不少钱。可事实是这样吗？

国家航天局探月与航天工程中心主管王正伟曾表示：“从零开始做起的嫦娥一号工程，仅花了北京一两千米地铁的价格。嫦娥四号的花费跟修1千米地铁差不多。”虽然他没有透露具体价格，但以北京16号线为例，2016年开建，每千米造价12亿元。由此大致推断，嫦娥四号的投入成本约在12亿。鉴于嫦娥五号的复杂程度提升不小，投入费用也将相应增加。显而易见，与国外动辄数亿美元的探测器相比，嫦娥工程的性价比极高。

而在关于嫦娥工程的少有的发言中，王正伟常说的词就是“精打细算”。虽然他体型微胖、面孔看上去还很青春，但头发已现斑白，装束也非常简朴。在项目经费的管理方面，王正伟强调：“我们注重节约成本，通过科学计算、科学管理，把每一分钱都花在刀刃上，并通过技术创新谋求效益最大化。”

比如，为保证探月工程进展顺利，嫦娥一号备份二号，嫦娥三号备份四号。按照常规，嫦娥一号和三号发射成功后，如果备份不用通常就放进库房了。但为了避免资源浪费，中国航天的工程师和技术人员对嫦娥二号和四号进行了重新论证，调整任务目标，在总经费不超支的情况下圆满完成了任务，并获得了更丰硕的成果。

举个例子，2014年，嫦娥三号圆满完成任务后，国防科工局牵头组织开展了嫦娥四号任务实施方案调整的论证工作，最终确定月球背面软着陆和巡视探测的总体方案。另外，嫦娥五号T，即为嫦娥五号探路的再入飞行返回试验器，在立项时计划做2次飞行试验，结果1次就成功了。后来经过工程总体充分论证，工程领导小组慎重决策：不再进行第2次试验。于是，节省下来的经费就投用到了后续任务中，有效提高了经费的使用效率。

王正伟表示，探月工程是体现中国力量的一件大事，但并不意味着在经费使用上粗放无度。送嫦娥上天、采月壤返回，在这些具有历史开创意义的伟大成就背后，是中国航天人时刻不忘以“精打细算”铺就的自强不息之路。

满天星火

在中国探月这项万众瞩目的任务中，除了“旗开得胜”的黄敏、“披星戴月”的禹志、“负重前行”的孙振莲、“生死坚守”的崔蕴和“精打细算”的王正伟，还有众多科研工作者在默默耕耘。他们很多人互不相识、天各一方，但都在为中国自古就有的飞天梦想共同奋斗着。

参与打造嫦娥五号探测器“心脏”的兰晓辉，是20世纪80年代的大学生。那时候“梦想”这个词还不流行，他们心中燃烧着的是“为国家做点事”的朴素理想。

1985年，带领团队提出新一代“大火箭”构想的火箭专家龙乐豪（这个大火箭，后来被命名为长征五号，大家喜欢亲昵地叫它“胖五”），后来成为中国首次探月工程的设计者、见证者和参与者。2020年11月24日，白发苍苍的他再次来到文昌航天发射场，为“胖五”和嫦娥的“绕、落、回”收官战加油。

对中国航天人来说，时间在流逝，而理想和信念也在历史见证中传承。发射场厂房办公室里，一位白发苍苍的院士问道：“小伙子，马上发射了，心情紧张吗？”“我们有信心，我们准备好了！”答话的是1985年出生的发射场工程师于鹏，他是为“胖五”点火的“金手指”。在他和同事们的努力下，这次嫦娥五号发射任务的测试流程，比之前缩短了整整2天。

而在文昌发射场的指控大厅里，“80后”胡旭东正指挥着本次任务数百个岗位的上千名工作人员。他自嘲地说：“我应该算这整个大厅里年龄比较大的了。”今天的中国航天队伍里，曾经被戏称为“父子配、祖孙配”的人才梯次结构已经重组，他们中既有德高望重的科技大家，技艺精湛的技能大师，也有一大批朝气蓬勃的青年骨干。

回溯过往，中国的探月故事，是由几代航天人共同书写的，每一个故事背后都离不开如满天星火般的航天人，他们用自己的方式默默托起了中华民族的奔月新传奇。

这次奔月，长征五号搭载嫦娥五号，“五五”相加，寓意“十分完美”。对此，孙振莲还说出一句铿锵有力的话：“航天文化最终会沉淀为航天人的集体人格，而中国航天人走出的路，也将会成为中华民族要走的路。”

本文内容来自“科工力量”公众号，ID：guanchacaijing

文｜材料委天津院

选材一年、±150℃不褪色 带你了解登月国旗新材料

与嫦娥三号、嫦娥四号及玉兔号月球车上的国旗采用喷涂方式不同，嫦娥五号在月面展示的国旗是一面真正的织物旗帜。

宇宙空间充满很强的电磁辐射，月球表面又有±150℃的温差等恶劣环境，这就决定了普通国旗无法在月球上使用。如果把地球上使用的国旗放在月球上，在很短时间内就会褪色、串色，甚至分解。

中国航天科工集团航天三江九部国旗展示系统技术负责人程昌表示，科研团队在国旗选材上花费的时间就超过一年，挑选出了二三十种纤维材料，优中选优，国旗的材质才最终确定。可以说，虽然嫦娥五号在月球上展示的国旗只是薄薄的一面，但其中的科技含量可以打满分。程昌说：“通过做包括热匹配性、耐高低温、防静电、防月球尘埃等在内的物理试验，科研团队最终决定采用某新型复合材料，既能满足强度要求，又能满足染色性能要求，从而保证国旗能够抵御月表恶劣的环境，做到不褪色、不串色、不变形。”

月面国旗展示系统由中国航天三江集团联合武汉纺织大学等单位共同研制。其中，国旗由武汉纺织大学纺织新材料与先进加工技术国家重点实验室徐卫林教授团队，历时8年，持续攻关完成。华茂集团一同参与了研制及生产，用其60多年的生产经验，依靠严格的品质管控技术，提供了近乎苛刻的质量保障，保证了国旗的航天品质。

芳纶纤维

全称为“芳香族聚酰胺纤维”，是一种高性能合成纤维。芳纶纤维及其复合材料已成为各国国防军工的关键战略物资。近年来，芳纶复合材料的发展在满足结构承载的同时，越来越趋向于结构功能一体化，即还需满足诸如阻尼减振、吸/透波、防热、抗弹、隐身等多功能要求。目前，芳纶纤维增强抗弹复合材料在美国M1系列，俄罗斯T-72、T-80，日本90式主战坦克中均被制成重要材料部件。除军事领域外，芳纶纤维及其复合材料在航空航天、通讯、建筑、汽车、体育用品等国民经济方面的应用也已形成规模，科技的迅猛发展正在为芳纶纤维开辟更多新的民用空间。

嫦娥五号展示的月面国旗以国产高性能芳纶纤维材料为主，采用武汉纺织大学荣获国家科技进步一等奖的“高效短流程嵌入式复合纺纱技术”，利用小分子调控技术实现了芳纶纤维的结构调控及颜色构建，并在此基础上实现了极端紫外条件下优良的耐日晒牢度。同时利用荣获国家科技发明二等奖的技术，制备了微纳米蚕丝粉体，利用其与颜料粒子的协同作用，从本质上解决了极端条件下颜料热升华及热迁移的牢度问题。通过以上技术攻关，最终实现了国旗在太空环境中，耐受极端高真空、高低温循环，以及强计量紫外辐照等条件的高色牢度颜色构建。

本文内容来自“前沿材料”公众号，ID：FrontierMaterials

明明有大发动机，嫦娥五号返程为何先用4台小发动机？

文｜瀚海狼山

嫦娥五号轨道器和返回器组合体（即轨返组合体）实施第2次月地转移入射，在距月面约230千米处成功实施4台150牛发动机点火，约22分钟后，这4台小发动机正常关机。轨返组合体成功进入月地转移轨道。

所谓月地转移轨道，就是嫦娥五号的轨返组合体在完成这次助推加速后，远地点距离月球中心已超过2万千米，越过了地月引力的平衡点，可以摆脱月球引力的束缚，重新被地球引力所捕获，携带从月球成功取回的样品，开始真正的回家之旅。

地月引力的平衡点距离地球36万千米左右，而月球大部分时间与地球的平均距离是38万千米以上。地球质量又是月球质量的81.3倍。因此，两个星球的引力平衡点明显偏向月球那边。这就意味着从月球返回时需要的助推总动量，以及为此消耗的燃料，比从地球飞过引力平衡点到月球要少得多。搭载8.2吨的嫦娥五号从地球上起飞，到达这个36万千米高的地月引力平衡点，需要消耗六七百吨的燃料和氧化剂。而返回时的嫦娥五号轨返组合体，其总重只剩下不到4吨，只需要再助推消耗几百千克燃料，就可以脱离月球的引力回家了。

不过这里似乎有个疑点。那就是嫦娥五号的轨道器上，还有1台推力为3000牛的主发动机，如果动力全开，只需要加速助推大约6分钟，就可以让重约4吨的轨返组合体脱离月球引力。那为何偏偏放着大推力的发动机不用，而要开动4台小型的，每台150牛推力，加起来也只有600牛推力，持续助推22分钟之久才加速到脱离月球引力的发动机呢？笔者认为，放着大发动机不用，先用小发动机，才是科学规划和最佳工程管理实践的真实体现。

因为，任何从月球往地球加速返回的飞行器，最大的难点不是在月球背面近月点的开机加速，而是如何精准确定返回的起始轨道，以及在越过地月引力平衡点，逐步接近地球后的刹车减速过程。

开始返回时先用多台小发动机，助推时间长，这样返回初始轨道控制更精准。这和更精细的花纹必须用更小的刻刀来雕刻是一个道理。而越过引力平衡点后，3天3夜的接近地球的过程，相当于从1座36万千米高的大楼上往下飞。越接近地球，速度就越快，虽然最终可以通过在大气层边缘“打水漂”减速，但是也需要在距离地球10 000～5000千米时，开主发动机适当减速。否则，在地球巨大的重力加速下，有一定的概率，会让返回器超过第二宇宙速度，飞掠地球，再也回不来。

这样，在整个返回轨道中，加速脱离月球时，需要的总加速比冲并不大，消耗掉4个固定推力的小火箭发动机的燃料就足够了。而在逐步接近地球时，反倒需要至少2次大的减速和轨道修正。此时，3000牛主发动机剩余的燃料越多越保险。其实，当年的阿波罗号飞船也考虑了这类风险，因此在组合体接近月球时，是服务舱主发动机向后，登月舱主发动机向前，这样不论前后开机，都有足够的推力紧急返回地球。而阿波罗13号就是靠登月舱的主发动机开机返回的。

长征五号搭载嫦娥五号，也就是大火箭加探测器，全身上下总共有百余台大大小小的发动机，其中嫦娥五号身上的发动机就有70多台。仅让这些发动机全都精准地完成自己的工作，这技术实力就可见一斑。

本文内容来自“瀚海狼山”公众号，ID：HHLSGRZMT

探月火箭需要什么品质？

文｜于远航

为什么发射嫦娥五号如此重大的任务要由长征五号运载火箭来执行呢？放眼全球，那些执行探月大任务的火箭都具有哪些非同一般的品质呢？

如果说奔向月球的探测器是人类派往月球的使者，那么发射其进入特定轨道的运载火箭，可以说是勤勤恳恳的“车夫”了。截至目前，世界上能够成功实现月球探测的国家并不多，合适可靠的“车夫”更是屈指可数。

首先，执行奔赴月球甚至更远航天任务的运载火箭，一般都是所在国家运载能力最强的火箭。

当然，运载火箭运送月球探测器能达到的轨道高度也是不一样的。打个比方，有的只是将探测器送出了地球的“家门”，有的则是快马加鞭，将探测器直接送到了月球的“院门口”。比如，2019年以色列的创世纪号月面着陆器，搭乘美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰9号运载火箭时，该火箭只将其送到了地球同步转移轨道。因此，创世纪号只能依靠自己的动力不断调整轨道，耗时大约7周才进入月球轨道。而20世纪时，美国的阿波罗11号从发射到进入月球轨道只花了4天。如此不同的飞行速度，对应着不同的火箭运载能力。可见，要想省时间，火箭的运载能力就得足够大。

美国在20世纪开展的阿波罗登月任务就是用了专门研制的土星五号运载火箭。土星五号运载火箭的起飞重量为3038.5吨，总推力达3408吨，月球轨道运载能力45吨，近地轨道运载能力118吨。同一时期苏联开展的月球采样返回任务，也采用了当时其运载能力最大的质子号运载火箭。再来看看今天印度的月船2号月球探测器，它也是搭乘了印度现役最大的火箭GSLV Mk3。但即使是这样，也只能将月船2号送入地球同步转移轨道。好在月船2号靠自己的努力最终抵达了月球，但是花费了48天时间。

此次发射嫦娥五号的长征五号，是我国新一代运载火箭。该火箭全长近57米，起飞重量约870吨，地球同步转移轨道运载能力达14吨，是目前我国运载能力最大的火箭。在这样的基础上，尽管嫦娥五号全重达8.2吨，也仅需要4天左右时间即可抵达月球。

其次，越快将月球探测器运送到月球轨道的运载火箭，其控制精度要求也就越高。

毕竟，跑得越快，中途进行修正、消除初始控制误差的机会也就越少。假如运载火箭在距离地面200千米时加速到最节省能量的速度，即10.916千米/秒，到达月球的时间是119.5小时。如果速度控制发生一点偏差，比如增加了0.004千米/秒，达到10.92千米/秒，那么，到达月球的时间就是93.2小时了，差了26.3小时。而月球围绕地球轨道运行时的平均速度是1.02千米/秒，差那么多时间，月球已经跑了将近10万千米了。

最后，发射月球探测器的运载火箭还需要有灵活的应变能力，为发射任务争取更宽的发射窗口。

长征五号的强大运载力离不开液氢液氧发动机的助力，液氢液氧推进剂是人类目前已知的能量水平最高的火箭推进剂

众所周知，月球的自转速度和公转速度基本一致，大约是30天，那么月球探测器的发射窗口就是以月为单位的。由于地球和月球的位置关系一直在变化，尽管每个月的发射窗口都有那么几天，但一条运载火箭的飞行弹道只能够覆盖10分钟的一个窗口，这就对地面发射提出了极为苛刻的要求。为了给地面发射提供较为宽松的环境，就需要运载火箭有灵活的应变能力。嫦娥五号任务每月的发射窗口只有3天，为了抓住有限的时间执行发射任务，长征五号运载火箭采用了“窄窗口多轨道”的发射方案。即在每天50分钟的窗口宽度内，规划5条轨道，大大提高了发射的可靠性。

更大、更精、更灵活，这就是探月任务对运载火箭提出的更高要求。运载火箭的能力有多大，中国航天的舞台就有多大。随着我国航天运载能力的不断提升，将会有更多、更大质量的探测器从地球出发，探索广阔的宇宙空间。

本文内容来自《中国航天报》

嫦娥五号轨道修正为啥这么“不给力”？

文｜太空精酿

嫦娥五号飞行中轨道修正为啥总是小发动机工作几秒几秒的，怎么这么“不给力”？

所谓修正，就好比你开车时，总不可能一直严格沿着车道走，时间长了拐个弯，方向盘总会有点飘，再老道的司机都必须偶尔打打方向盘，让车辆行驶在车道中间。航天器在飞行过程中也是如此。嫦娥五号飞行单程以几十万千米计，天问一号单程以亿千米计，途中都需要轨道修正。但是，在去程和回程中，到底需要怎么修正，修正几次，每次什么发动机工作，工作多久，这些都是很有讲究的。

去程的轨道修正

这主要取决于火箭发射后送入预定轨道的精度。当然，火箭送得越准，后续需要的修正就越小。这次长征五号火箭的送入精度太完美了，连长征五号火箭总设计师李东都说，这是表现最好的一次，10环！所以，嫦娥五号的月球之旅一下子就轻松了些，修正非常简单。

2020年11月24日，3000牛发动机工作约2秒，在距离地球约16万千米的位置；2020年11月25日，2台150牛发动机工作约6秒，在距离地球约27万千米的位置。嫦娥五号可是个8.2吨重的大家伙，发动机就工作几秒，可见真的就是微调，还有一大部分意义是测试这些发动机工作性能是否符合预期。而且如果前面1次微调很完美，后面第2次微调就更小了，甚至第3次就根本不需要了。

回程的轨道修正

这主要取决于轨道器点火入射月地转移轨道的精度，跟发射时类似，越准越好。嫦娥五号的轨返组合体为了等待最佳窗口和条件，在环绕月球轨道耐心等了6天，最终顺利踏上归途。

由于各项条件非常完美，回程的轨道修正也非常小，2020年12月14日，2台25牛发动机工作约28秒。25牛，想想中学物理，以这个力度，在地球表面其实我们连书包都提不起来，但是在太空中用来推几吨重的大家伙。虽然是失重状态，但其实也仅仅是微调了一下。

所以，这些指标看上去非常小，好像非常不给力，其实是因为真正需要给力的时候已经足够稳、准、狠了，后续只需要微调即可。这背后体现出的才是航天人真正了不起的大智慧。

本文内容来自“太空精酿的空间站”公众号，ID：spacebrewer

大火箭发射嫦娥五号为何选在凌晨？

文｜王海露

2020年11月24日凌晨，伴随震耳欲聋的轰鸣声，长征五号遥五运载火箭拖着金色的火焰划破夜空，似离弦之箭直冲云霄。随后，嫦娥五号月球探测器成功入轨，发射取得圆满成功。那么，大火箭发射嫦娥五号为什么要选在凌晨？据中国运载火箭技术研究院总体设计部火箭设计师、科普志愿者钱航介绍，主要有四方面原因。

便于奔月轨道的设计

月球探测与火星探测一样，都属于深空探测，在火箭发射轨道设计上，要考虑到地月相对位置关系，因此相比通信卫星等发射任务，约束条件更多。此次发射嫦娥五号探测器，要在满足地球与月球位置关系限制、火箭射向和滑行时间约束、探测器地月转移时间、返回器再入航程等条件下，选择最合适的发射时间，也就是确定火箭的发射窗口。经过综合考虑，长征五号遥五火箭在凌晨发射，最有利于奔月轨道的设计，可以满足各种约束条件。

减少太阳活动对嫦娥五号的影响

长征五号遥五火箭飞向太空时，地球正好把太阳光直接遮蔽住，避免太多太阳辐射对嫦娥五号的影响。而太阳活动对嫦娥五号来说非常复杂和麻烦，尤其是爆发的太阳风会干扰电子信号传播，影响科研人员对嫦娥五号的控制。

凌晨的天空云层更少，有利于信号传播

气候条件对航天发射有重要影响。在长征五号遥五火箭发射之前的很多天，相关专家会对气象进行深入研究，确保发射时间段的天气状况最佳。凌晨天气状况比较稳定，基本不会出现突然的天气变化，有利于火箭发射。同时，凌晨云层少，这代表云层更薄，这样的条件更有利于信号传播。

方便观测

凌晨的稀薄云层，更便于观测，科研人员可以更好地利用望远镜等天文设备，对观察到的发射情况做出总结。在白天强烈的太阳光下，天文望远镜有时难以观测到火箭的具体情况。大火箭历次飞向太空，地面上的科研人员都要对卫星进行实时跟踪。由于凌晨整体的环境亮度都比较低，火箭喷射着火焰飞向太空的时候非常显眼和突出，有利于地面的光学和测量设备跟踪到目标，收集相关信息。同时，大火箭送入轨道后，由于嫦娥五号上一些设备的蓄电池容量有限，所以飞向太空后，还必须要有太阳光照。凌晨发射的嫦娥五号飞到数万千米之后，蓄电池处在最大的光照夹角位置，能获得源源不断的光照能源，供其可持续地工作。

本文内容来自“中国运载火箭技术研究院”公众号，ID：casc_calt

风暴洋：人类探月新地标

文｜贺逸舒 高立英 安普忠 赵金龙

这是一个了无生机、尘埃遍布的沉寂世界。满月之夜，当我们把天文望远镜对准月球，会发现月亮左侧有一片巨大的暗区，这就是“风暴洋”。2020年12月1日，一位来自38万千米外的中国客人，造访了沉寂51年之久的月球风暴洋。

月球风暴洋附近第1次迎来地球客人，是在1966年2月3日。那一天，来自苏联的月球9号探测器首次成功完成月表软着陆。它向世界宣告：月球表面是坚固的，人类完全可以降落在月球上，不必担心会陷入月壤中。此后，来自美国的勘测者1号、苏联的月球13号、美国的勘测者3号和阿波罗12号等，络绎不绝地造访了风暴洋，这里俨然成为人类的“探月地标”。

当中国的嫦娥五号探测器缓缓降落到月球表面，登陆的是风暴洋此前从未有人类涉足过的东北部地区，许多人在心中为这一瞬间配了音——“砰”！在人们想象中，这是嫦娥五号在月球表面着陆的声音，也是高悬已久的心脏终于落地的天籁。月球上的风暴洋，没有经久不息的风暴，也没有无边无际的大洋，却在无数人心中掀起万顷波涛。此刻，月球上这片面积最大的月海，迎来了一个全新标签：中国探月新地标。

登陆选址：月球，请回答

1200多年前，月明之夜，唐代诗人李白写下“欲斫月中桂，持为寒者薪”的诗句。诗人想象的“月中桂”，实则是月面暗沉的部分，也就是月海区。今天，我们通过天文望远镜遥望月球，一幅浩瀚的图景就能呈现眼前：小型月海和众多环形山、岛屿，共同构成月球那“荒凉的壮美”。

此次，嫦娥五号的登陆区域就是月球上唯一被称为“洋”的月海——风暴洋。这片位于月球西侧的月海，势力范围冠绝整个月球，占据了从北纬60°至南纬20°，西经85°至东经10°之间的区域。嫦娥五号的着陆点则在风暴洋吕姆克山脉以北地区。与其他的着陆采样地点相比，嫦娥五号选取的着陆点纬度更高，且此前从未有人涉足。

虽然中国探月工程起步晚，但每一步都稳扎稳打，每一个选址都颇具考量。中国地质大学（武汉）行星科学研究所肖龙教授参与了嫦娥五号采样点的选址工作。他表示，着陆点要远离以往的着陆采样区，要有与以往不同的样本，才有可能回答以往尚未解答的科学问题。

从嫦娥一号到嫦娥五号，中国探月工程在前人走过的路上，走出了一条前所未有的创新之路。

吕姆克山脉有月球上相对年轻的火山，样品有很大的研究意义。美国《科学》杂志报道称，此处可能在大约13亿年前发生过火山喷发，晚于绝大多数月海玄武岩的喷发时间。从太空俯瞰，这座以德国天文学家吕姆克命名的巨大山丘，高耸而独立，底部直径约有70千米。火山喷发后形成的熔岩平原较为平坦，有利于探测器着陆。同时，风暴洋地区富集铀、钍、钾等放射性元素。嫦娥五号采集的样品，将有助于了解吕姆克山的表面成分，并对月球火山作用的持续时间、月球大型撞击事件的发生时间提供参考。国家天文台研究员郑永春介绍说，每一个着陆点的选择，其实都是工程上的安全性、技术上的可行性，以及科学上的丰富性，这3点共同考量的结果。

人类过去的采样返回任务，要么是载人登月，如美国，由宇航员携带不同的工具去采样，然后将样品带回地球；要么像苏联那样，用一个单一的无人采样装置去月球采样，每次采样量为一两百克。嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢说：“中国这次瞄准的是采到千克级样品。”“部分样本将单独存放，免受自然灾害的影响，还有一些将被留作公开展示。”嫦娥五号任务副总设计师李春来说。

为世界探月作出新贡献

如同地球上的地貌都有单独的称呼，月球上的山脉、沟壑也有自己的名字。普通人或许分辨不出它们的区别，但这些地形地貌的名字于地球并不陌生：亚平宁山脉、阿基米德环形山、阿尔卑斯大月谷……而人类给月球地貌起名的历史，大约源于17世纪。

1609年，伽利略用自制的望远镜观察到月球上的高山凹地，于是他用自己家乡的亚平宁山脉给月球上最大的山脉命名；意大利天文学家里乔利则将月面的暗区称为海，并赋予它们一些浪漫的名称，比如雨海、静海、酒海、风暴洋等。后来，人们熟悉的科学家、神话传说、地球地貌等，渐渐变成了月球上一座座山、一个个谷的名字。

国际天文学联合会成立后，月球地名的命名实行了标准化管理。今天，月球上已有9000多个区域有了各式各样的名字。而月球上以中国元素命名的地貌，目前共有27个，这些名字还并非全部由中国申请。1985年之前，月球上只有祖冲之环形山、张衡环形山、郭守敬环形山等10个中国元素地名。这些月球地名虽然是以中国历史上的著名科学家命名，但实则是国际天文学联合会本着文化多样性原则自主命名的。2010年，我国利用嫦娥工程影像数据首次申报了“月球地理实体命名”。发明造纸术的蔡伦，发明活字印刷术的毕昇，以及中国近代天文学家张钰哲，他们的名字分别成为月面3个撞击坑的名字。这是中国人第1次为月球地貌赋予名字。

随着中国探月工程一步步推进，月球上留下越来越多中国的印记。正如法国《世界报》刊文所说，中国已经根据自己的节奏，有条不紊地攀上了通往月球的阶梯。

2016年1月5日，国际天文学联合会正式批准，将嫦娥三号探测器着陆点周边区域命名为“广寒宫”，附近3个撞击坑分别命名为“紫微”“天市”和“太微”。广寒宫，是中国古代神话中嫦娥仙子在月亮上的宫殿，而3个撞击坑的名字，则源于中国古代天文星图。

嫦娥四号登月后，中国一次获批的月球地名多达5个：嫦娥四号着陆点被命名为“天河基地”，着陆点周围的3个环形坑分别命名为“织女”“河鼓”和“天津”，着陆点所在的冯·卡门撞击坑内的中央峰则被命名为“泰山”。

探月工程副总指挥、国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠说：“月球地理实体命名，能从一个侧面反映一个国家在月球探测及其科学研究工作上所取得的成绩，体现一个国家的综合实力和科学技术发展水平。”

以“玉兔”命名的月球车，创造了全世界在月工作时长纪录。玉兔号月球车拍摄的照片，是人类时隔40多年首次获得的最清晰的月面照片，其中包含的大量科学信息和数据均向全球免费开放共享，在人类探索月球的历史上留下了浓墨重彩的一笔。以“嫦娥”命名的中国月球探测器，不仅是中国探月工程的重要功臣，更为世界探月作出了巨大贡献。

“俱怀逸兴壮思飞，欲上青天揽明月。”一个个中国名字成功“落月”的背后，是一个古老民族走向伟大复兴的逐梦之路。而今，随着嫦娥五号成功着陆，不少热心网友已经开始张罗着要给新着陆点起名字。科技与文化相辅相成，有了文化的浸润，科技正变得更亲民，更有温度。

遥望月亮之上的更美风景

嫦娥五号的成功发射，令人类探月史上登陆月球表面的航天器又增加了一个。据不完全统计，截至2020年5月，人类共发射逾百个航天器探索月球，其中成功登陆月球表面的航天器约为20个（含月球车）。

如果将历史上所有月球着陆点放在同一张月面图上，你会发现，人类的探月之旅大多集中在月球正面的中低纬度地区。

苏联月球计划的登陆点位于月球0°到北纬40°之间。其中，人类历史上第一个在月球表面硬着陆的航天器，是苏联1959年9月12日发射的月球2号探测器，它的残骸永远留在了月球北纬31.8°。

美国阿波罗计划的登陆点基本位于北纬30°到南纬10°之间。其中，1969年7月，阿波罗11号完成了人类历史上第一次载人登月。美国宇航员阿姆斯特朗的第一步，恰好踩在月球的赤道地区。而阿波罗17号则在月球北纬20°地区，留下了迄今最后一个在月球活动过的人类的脚印。

如今，嫦娥五号在风暴洋吕姆克山脉轻盈一落，开始了一次全新的探索。在世界探月之旅中，越来越多的中国纪录成为世界纪录。在美国探月的勘测者计划中，勘测者7号探测器最远到达月球南纬40°附近。中国的嫦娥三号在月球西经19.51°、北纬44.12°成功登陆，是目前人类探月史上纬度最高的一个登陆点。中国的嫦娥四号探测器在月球背面着陆，则填补了人类对月球背面研究的空白。

探月之旅推动着科学技术不断前进。而探月之路，究竟该去往何方，这个问题困扰了世界几十年。答案，在中国航天人的心中却是如此明晰——

“和平利用太空，开发和利用月球的资源、能源和它的环境，为全人类造福，这才是我们中国探月的主旋律。”中国月球探测工程首席科学家、中国科学院院士欧阳自远这样说。

本文内容来自《解放军报》2020年12月2日

月球旅行五大热门打卡地

文｜杨诗瑞

月球表面虽然没有风霜雪雨和江河湖海的秀丽风光，但那里有广袤的月海、星罗棋布的环形山、重叠的撞击坑、神奇的“月球喷泉”，别有一番动人心弦的壮阔。如果有一天我们登上月球，那么下面这几个地方是必须要去打卡留念的。

天上广寒宫

毋庸置疑，如果能去月球观光，大家最想去的地方应该就是“广寒宫”，那么，月亮上真的有“广寒宫”吗？“广寒宫”里有“嫦娥”和“玉兔”吗？

2013年12月14日，嫦娥三号探测器成功着陆月球虹湾地区。为了规范这片着陆区的名称，我国向国际天文学联合会提出了命名申请。经过3个月的公示，嫦娥三号探测器着陆点周边77米区域被命名为“广寒宫”，紧邻这片区域的3个较大的撞击坑分别被命名为“紫微”“天市”和“太微”。

嫦娥三号的降落地被命名为“广寒宫”

广寒宫坐落于虹湾，其边界是一个比较规则的半圆形，像雨后一道弯弯的彩虹。那里地势平坦，区域较大，探测器着陆后既可以探测分析月海中的月壤，也可以对月陆上的月岩进行取样，对于月球研究可以达到事半功倍的效果。所以，这片区域成为探测器登陆的候选地。如果大家有朝一日登上月球，务必要去这个充满纪念意义的地方打卡留念。

风平浪静风暴洋

其实，月海并不是真正的海洋。从地球上看，月球表面有明暗之分，早期的天文学家以为发暗的地区都有海水覆盖，因此把它们称为“海”。实际上，那里一滴水都没有，月海之所以看上去黯淡无光，是因为存在大量的玄武岩，对太阳光的反射率比较低。

除了虹湾，大家还可以去风暴洋打卡，它是月球表面最广阔的月海。虽然“风暴洋”这个名字很容易让人联想到狂风咆哮、巨浪滔天，实际上，那里只是一片寂静而广阔的平原。风暴洋的面积有400多万平方千米，北面与露湾、冷海相连，南面与知海、湿海、云海连在一起，西面高峻的悬崖峭壁组成漫长的“海岸线”，东北面则是圆形的雨海。

在风暴洋中耸立着众多环形山，面积比较大的有中东部的哥白尼环形山、中部的开普勒环形山和北部的阿里斯塔克环形山，它们有着明亮而狭长的辐射纹。科学家推测，辐射纹是大的陨石撞击月表后抛出的岩石和粉末回落到月面形成的，因为其对阳光的反射较强，所以看上去格外明亮。

前不久，我国的嫦娥五号探测器就着陆于风暴洋的吕姆克山脉以北地区。科学家推断，那里的土壤更年轻，土壤中铀、钍、钾等放射性元素含量更高，从那里采样返回，对于研究月球的起源及演化历史有很高的价值。

传奇的永恒之光

月球上的山脉大多是用地球上山脉的名字命名的，如亚平宁山脉、阿尔泰山脉、阿尔卑斯山脉、高加索山脉、喀尔巴阡山脉、比利牛斯山脉等，还有一些以著名科学家的名字来命名，如月球南极附近的莱布尼茨山脉等。

相比地球上大陆板块挤压形成的山脉，月球上山脉的形成则要暴力很多。小行星高速撞击月球表面，导致月壳发生位移和隆起，短短几分钟，就形成了这些与地球上的山脉不相上下的高大山峰。所以，月球上的山脉也常常是月海的边界。如雨海周边就围绕着亚平宁山脉、喀尔巴阡山脉、前驱山脉、侏罗山脉、阿尔卑斯山脉、高加索山脉和海玛斯山脉等一系列绵延起伏的高山。

月球上还有一座非常有传奇色彩的永恒之光峰。它是一座位于月球北极撞击坑边缘的山峰。它的独特之处在于，那里的太阳永远不会落下。这种现象是因为月球的自转轴倾角很小，使极点附近突出的山峰可以永远沐浴在阳光下。有了太阳光的持续照射，永恒之光峰就始终阳光充足，每日平均气温变化仅20℃左右，远小于日均气温变化高达200℃的月球赤道地区，这里应该是未来人类建立月球基地的理想地点。

第谷撞击坑

“小时不识月，呼作白玉盘。”虽然大家从地面上看到的月亮皎洁光滑，其实它上面分布着众多陨石撞击形成的圆形月坑。月坑数量极多，大小各异，小的直径几百米，大的直径有几百千米。如月球南极附近的贝利撞击坑，直径就有295千米，比海南岛还要大一些。

第谷撞击坑

在这些大大小小的撞击坑中，第谷撞击坑非常有名。每当满月时，人们在地球上用肉眼就能看到它延伸出的美丽辐射纹。它以丹麦天文学家第谷的名字命名，直径85千米，环壁高4850米，还有一座高度达1600米的中央峰。

第谷撞击坑结构复杂，显现出年轻撞击坑特有的、挺拔峻峭的风姿。它的辐射纹从撞击坑中心呈弧形向外延伸，贯穿整个南部高地，叠加在许多撞击坑之上，有的甚至延伸到酒海、静海、云海、知海和风暴洋中，蔚为壮观。所以说，它能成为未来月球上的热门打卡地一点都不奇怪。

月球上还有3个以中国人的名字命名的撞击坑，分别是毕昇、蔡伦和张钰哲撞击坑。其中，张钰哲是我国近代天文学的奠基人、共和国首任天文台台长，他开创了中国人命名小行星的先河。

梦幻般的“月球喷泉”

月球上还有一种奇异的风光叫“月球喷泉”。

著名的科幻作家哈尔·克莱门特发表的一篇科幻小说中曾经幻想过一种场景——月球表面的灰尘扬起又落下，因为运动摩擦产生大量电荷，当环形山也带上电荷后，灰尘会在静电作用下，像一座巨型喷泉，在阳光下升腾不止。

这种来自科幻作家笔下的美丽畅想，居然在月球上真实存在。曾经登月的宇航员就看到过，在离月球地面不远的空中，总有一些犹如黎明到来时的微弱光芒在闪耀，非常清晰，并且这种状况会一直持续到黑夜降临。1972年，阿波罗17号的宇航员乘坐飞船进行环月飞行时，在月球上日出与日落之间的10秒钟内，反复看到了“丝带”“白帘”或者“晨曦”一样的光幕。

阿波罗任务照片中能看到离月面不远的半空中的微弱光芒

这些神奇的景象都是由月球上扬起的月尘造成的，而且正如哈尔·克莱门特推测的那样，这种景象的确是由静电作用使月尘在月球表面长久飘浮所产生的。不过在现实中，月尘的电荷不是摩擦产生的，而是通过阳光照射，捕获光能产生的，或是通过太阳风等带电粒子来获得。在月球表面，月尘微粒所带的电荷逐渐积累，直到尘埃微粒相互排斥，甚至离开月球表面，上升到数米乃至数千米的空中悬浮起来，最终形成壮观的带电尘埃带，并在太阳照射下闪闪发光。相信这样的奇观一定值得登上月球的人们争相观赏，一睹为快。

本文内容来自《中国航天报》

一捧月尘对人类的意义

文｜艾栗夏

一万五千天，终于等到这一天

1972年，中美关系破冰，尼克松访华，中方赠予美方两只大熊猫兴兴和玲玲。作为回礼，中美正式建交的半年前，美国回赠了中国一块黄豆大小的月球表面土壤。这块净重仅1克的月壤引起了国家的高度重视，很快成立专家组，小心翼翼地取出这块月壤的一半，分析其矿物成分、化学组成。

那是个艰难的时代，我国科研水平不够先进，仪器不够精密，而样本只有1克，还需特殊储存。为这颗小东西，整个团队研究了4个月，发表了14篇论文。改革开放之初，我国航天专家多次向国家建议开启中国探月工程，受限于经济发展水平，未能如愿。可若无当年的窘迫，也不会有中国今天的探月决心。从1993年开始，我国航天专家开始了整整10年的登月必要性和可行度论证。2004年，国务院正式批准绕月探测，初始投资14亿元，为嫦娥工程一期立项。

如今，嫦娥五号探测器已在月表吕姆克山脉降落，这是一个美国和苏联都未到达过的地方。嫦娥五号的机械臂钻头深入月球地表取样，为我国带回近2千克月壤样本。

月球对人类究竟有多重要？为何值得投入巨大的人力、物力以及漫长的时间去取一捧月壤？许多人坚信，人类从未登上过月球，月球背后是我们难以想象的外星文明的基地，又或者它内部中空，是一颗人造天体。然而月亮的秘密，远不止四季、潮汐、磁场或者历法，正是它的了无生气和一片沉寂，为地球注入了无限生机，它是人类唯一的过去，也可能是唯一的未来。

地球之盾

每年11月，位于南半球的澳大利亚进入夏季，伴随着满月到来的，是大批海洋学家和潜水爱好者。很快，大堡礁的珊瑚虫将伴随满月与潮汐，开启一年中最盛大的繁衍仪式。

这是迄今人类尚不能完全解释的自然奇迹，成千上万的珊瑚虫同时喷射出精卵束，将夜间的海域点缀成荧光熠熠的星空。这场海底焰火已经持续了数亿年，覆盖面积比整个德国还大。如果说太阳与水温是配子成熟的催化剂，那么月亮与潮汐则无疑是约定俗成的狂欢信号——满月后的大潮汹涌，利于配子扩散，能使精子与卵子得到最大程度的结合；随之而来的小潮则让水域平静，留给珊瑚幼虫一个稳定的海床环境存活定居。

大堡礁珊瑚虫在满月夜同时产卵

澳大利亚大堡礁是世界最大的珊瑚礁，生活在这里的珊瑚虫在每年10—11月进入繁殖季，并在繁殖季的满月午夜一起产卵，这种行为一直是生物学中的一个未解之谜。2007年，一个国际研究小组在美国《科学》杂志上发表论文，宣布已经破解了这个谜团。

过去人们一直推测珊瑚虫以海流、水温和天气等的变化为信号，统一产卵时间。研究发现，其背后的详细机制是因为珊瑚虫体内有一种光传感器，能感知满月时的光线。从新月到满月，月光逐渐增强的过程中，大堡礁珊瑚虫体内的传感器基因随之渐渐活跃，充当了满月之夜产卵的触发器。

研究人员认为，这种光感应基因起源于5亿多年前，原本为保护原始生物不受紫外线侵害而产生，现在它存在于从昆虫到人类的很多生物体当中，与生物钟的控制相关。（来自新华网）

这种月球生物钟，从地球上的寒武纪时期起，就深植在海洋生物的集体智慧中。许多鱼类都会根据月光与潮汐的变化择时产卵。今天，学者普遍认为，地球生命源自海洋，可若没有月球带来的潮汐涨落，海洋孕育出的生物可能永远也无法抵达陆地。

在与地球相伴的45亿年中，月亮小心地磨合着彼此共舞的距离。离得太远，引力太小，潮汐微弱，生命难以演化；离得太近，引力太大，潮汐则会直接变成海啸。

巧合的是，自人类诞生之初，月亮看起来就和太阳差不多大，可实际上呢？太阳的直径是月球的400倍，论体积的话更是差了6400万倍（即4003），可为什么从地球上看起来日月的大小几乎没有差别呢？这是因为，地日距离刚好就是地月距离的400倍，一个如近在你眼前的珍珠，一个如远在高空的热气球，看起来自然差不多大。这样一比，你可能觉得月球太小，其实也不尽然。目前人类所知的太阳系中的大行星共有200多颗卫星，唯有月球与母星地球的质量体积比最大。它稳定着地轴倾角，维持着地球上的四季节律。如果没有月球，地球上由倾角剧变导致的极端气候势必摧毁一切，到时地球会变成火星一般的炼狱。

这难免让人觉得，宇宙若不是为我们量身定做了月球，那必是为月球量身定做了我们。它耐心地安抚着地球的躁动，用引力牵制着我们自转的速度，从远古的一昼夜10个小时慢慢延缓至今天的一昼夜24小时。显微镜下，白垩纪的贝壳纹理告诉我们，那时每年要经历372个昼夜更替，表明7000万年前，地球的自转速度更快，那时候的一昼夜其实是23.5个小时。如果没有月球牵制，地球飞快自转，地表的一切将化为齑粉。

现在的月球表面承受了太多风化、陨石撞击、巨大温差和太阳粒子流，就像蘸了一层巧克力脆壳的冰淇淋，外表与内部严重不符。我们要想研究月球的岁数、形成、矿物成分，光取表面一层的月尘肯定不行，这也是为什么嫦娥五号要带着沉重的钻机，钻地取样。

人们总是歌颂太阳，觉得月亮不过是颗卫星而已，不发光也不发热，还被地球潮汐锁定，只能用一面示人，却很难意识到，正是它在帮助我们维持着自转、潮汐、四季和气候的稳定，循环往复，历久弥新。数十亿年来，月球用它的冷寂和荒芜，守护着地球的无限生机。

探月之路

回首人类上一次登月取样，还是1976年，苏联的探测器月球24号，取回了171克月壤。苏联的月球采样成功过3次，一共取回过326克月壤。美国收获更大，7次中成功了6次，毕竟他们是带着人上去的，总共取回过382千克月壤，赠予过100多个国家，其中就包括中国，受赠1克月壤。

许多人坚信，美国登月是骗局，所谓登月不过是震慑苏联的伎俩而已。要推翻这点其实很简单，因为美国和苏联交换过彼此采集到的月壤，就在1970年，中国发射第一颗人造卫星“东方红一号”的这一年。虽然他们交换得不多，只有3克，但苏联马上明白过来：即便民间散布再多“美国登月骗局”这种谣言，也改变不了自己太空竞赛落后的事实。美国研究了足够多的月壤，占尽了先机，具体到月球上哪儿含水量高、哪儿蕴藏稀有矿物、哪儿有核聚变燃料、哪儿适合建月球空间站，美国都了如指掌。掌握了这些信息，就等于直接称霸了未来太空战略布局。见此情况，苏联立刻加快了行动，在交换月壤2年后相继发射了月球20号（1972年）和月球24号（1976年）登月采样。

现在普遍认为，月球上蕴藏一种名为氦-3的清洁能源。这种物质在地球上非常稀少，但在磁场弱、大气稀薄、离恒星近的天体上储量比较多，水星上氦-3储量就很丰富。可在月球上就有的东西，我们何必舍近求远呢？

氦-3作为核聚变发电燃料，无辐射污染，安全又高效，如能运回来10吨，就足够全人类一整年的用电需求。要知道，发这么多电如果换成烧煤，至少得烧80亿吨。虽说目前氦-3核聚变的技术还不完备，开采后运回地球的成本也高，但作为辅助能源和飞行器燃料还是可以的。月球的重力只有地球的1/6，如果建成太空中转站，然后直接开采月球上的氦-3来发射航天器，那就能省很多事了。

这是中国嫦娥工程的目标，也是美国“阿尔忒弥斯计划”的主任务之一。美国航空航天局（NASA）一直以来都在为“驻月”做打算。比如，驻月需要解决氧气问题，NASA为此专门设立了一笔价值25万美元的奖金来寻求在月球上制造氧气的方案。2006年，NASA的化学工程师开发出“月球造氧机”，获得了这笔奖金。现在与美国签署“阿尔忒弥斯计划”的有英国、澳大利亚、加拿大、日本、意大利等7国。在严峻的疫情形势下，美国在太空探索上仍旧一点都不含糊，计划2024年重返月球，下一步就是登陆火星。可见，无论地面上的事情况如何，月球仍是“兵家必争之地”，因为一步落后，再想逆风翻盘就难了。

阿尔忒弥斯计划

阿尔忒弥斯计划（Artemis Program）是由美国政府于2017年批准资助的一个载人航天项目，其目标是在2024年前将宇航员平安送往月球并返回，同时建立常态化驻留机制，为未来的载人登陆火星任务铺就道路。阿尔忒弥斯计划由NASA主导，并有多家美国商业航天企业及国际合作伙伴参与，其中包括欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局、意大利航天局、澳大利亚国家航天局、英国航天局、阿联酋航天局等。

空心月亮

百年前，达尔文的儿子、英国天文学家乔治·达尔文曾坚定地认为，月球是地球转着转着不小心甩出去的一块大陆，地球上缺出来的地方就是今天的太平洋。

今天再提起月球起源，比较公认的是20世纪80年代兴起的“大碰撞说”——45亿年前，原始地球和一颗火星大小的天体发生了剧烈碰撞，这不仅使原始地球的自转产生了偏斜，而且使碰撞天体碎裂。在地球引力的作用下，大碰撞抛出的气体尘埃物质形成岩屑盘，并通过吸积，先形成了一些小天体，然后像滚雪球一样不断吸积增长，最终形成了现在的月球。

月球内部结构图

相较于达尔文儿子的“分裂说”和漏洞百出的“捕获说”，“大碰撞说”勉强靠谱，但它没法解释为什么月球和地球的天体基因那么相似，简直跟双胞胎似的。如果说真是其他天体碰撞形成的，月球应该更像碰撞天体而非地球才对啊。

近年有个比较风行的新说法，即大碰撞后，地球高速自转，变成了一种像甜甜圈一样的全新天体，月球就是从这个炙热天体的内部孕育出来的，所以二者才拥有近乎相同的同位素比例。这一提法弥补了“大碰撞说”的缺陷，二者贯通后，就可以解释为什么月球的公转方向与地球的自转方向一致，为什么二者天体基因相似，为什么月岩有熔融态，以及为什么月球的铁镍核心那么小，密度也比地球低了许多。因为在大碰撞中受伤最重的是地球和碰撞天体的地幔，这些碰撞产生的碎屑慢慢形成了月球，碰撞天体的核心则沉入地球，成了地心的一部分。

可是，许多人都误会了这件事，月球密度低经常被误读，与月球“空心说”挂钩。空心月亮的提法，最早可以追溯到英国格林尼治天文台第二任台长哈雷，就是发现哈雷彗星的那一位。他认为天体应该是空心的，地球是空心的，月球也是。但哈雷是1656年生人，有这种天马行空的想法很正常，毕竟那时候的人都相信有地狱，地球必须是空心的地狱才有地方关坏人，而这原本也只是个小说素材。

1901年的小说《月球第一人》中，外星虫族就居住在空心月亮里。可谁能想到，这种说法的真正盛行居然是在人类登月以后。由于美国的阿波罗12号检测到了月球上异于地球的超长时间的月震，许多人都开始声称月球是空心的，因为实心球根本不可能震这么久。

1970年，苏联科学院的研究人员发表了一篇名为《月球：未知生物的宇宙飞船》的文章，说月球上的陨石坑都太浅，月表之下一定有层装甲船体，所以陨石才撞不下去，加上月球表面检测到了稀有金属，而这种金属在地球上根本不可能自然产生，更坐实了月球是个人造天体的传闻。

其实，我们只需要知道“月球没有大气层”这一点，就可以解释以上全部谬论。没有大气层、没有水、月表近乎真空，太阳风和宇宙射线可以直接轰击月球表面，月表土壤的化学、物理性质和地球不一样，那是再正常不过的事了。

苏联科学院能不明白这一点吗？那为什么还会有这样的文章出现呢？其实，月球空心说和登月骗局、火星男孩是一个性质，是为了瓦解美国探月动力的一种舆论手段，主要目的就是让美国民众害怕又迷惑。

事实上，在某种程度上，这种做法确实产生了效果。猎奇的故事和对未知的恐惧让一些普通美国民众对月球望而生畏：原来月球是属于外星人的！阿波罗登月早就被外星人警告了！美国已经被外星人控制了！20世纪末，美国官方每每提出进军月球的口号，就会有大片反对的声音：求你别再招惹外星人了！而耽搁美国探月进程的每1秒，对竞争者而言，都是反败为胜的机会。

就这样，月球空心说的传言甚嚣尘上，直到今天，在网络上依然能看到这些言之凿凿的话：“美国登月都是骗局，中国为什么要凑这个热闹呢？”“月球空心已有铁证！”……

当遇到这些观点的支持者，急着去说服也许并没有效果，就好像不要试图去叫醒装睡的人。月球的确很神秘，即便人类已经取回月壤进行研究，它的过去、未来依然掩藏着无尽的秘密，可我们必须明白，散播恐惧，是试图击溃一个信仰的第一步，短视的双眼只能聚焦眼前的谣言，一切远景都被忽略，这样又何谈未来？

2020年11月24日凌晨，嫦娥五号奔月，中国探月的夙愿和40多年的努力，让我们飞到了前人从未到达的地方，拥有了属于自己的月壤样本。而从接过美国赠予月壤的那一刻开始至今，一代代中国航天人足足等了42年。如今，我们终于可以在新的领域开辟源流，探月、绕月、登月、驻月，未来我们还有很多探索深空的计划，而这道路上的每一步，都将成为人类探索浩瀚太空的见证。

百年之后再回眸，那该会是怎样的心情，我们无法替未来的人想象，但可以预见的是，此刻每一个心潮澎湃的、年轻的你，会在不远的未来，成为人类太空文明的新的书写者……