“嫦娥”五号：到月球去“挖土”

沈羡云

自古以来，人类一直对浩瀚的太空充满了好奇和热情，月球就是人类第一个关注和不断观察的对象，因此留下许多美好的夙愿和科学假说。随着我国航天事业的发展，探月计划也已提上日程。中国探月工程分“绕、落、回”三步走，绕月和落月任务已经圆满完成，现在是完成第三步的时候了。“嫦娥”五号计划将完成探月工程三期中的月面取样返回任务。现在，“嫦娥”五号一切准备就绪，整装待发。

我国最复杂的航天探测器

“嫦娥”五号探测器，是由中国空间技术研究院（中国航天科技集团五院）研制的中国首个实施无人月面取样返回的航天器。科研人员计划利用“嫦娥”五号在探月工程三期中实现月面取样返回任务，完成中国探月工程的收官之战。

“嫦娥”五号要飞到月球上，采集样本后，还要飞回来，研制难度非常大。“嫦娥”五号也被称为我国最复杂的航天探测器。“嫦娥”五号探测器全重8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个部分组成，4个部分串联在一起，像一串糖葫芦。这4部分可以再分为上下两部分，上部分（着陆器和上升器）将在月球上着陆，其中上升器要带着采集的样品返回轨道。下部分（轨道器和返回器）留在月球轨道上，轨道器承担着支撑和服务任务，返回器的任务是带着月球样本返回地面。

根据设计方案，“嫦娥”五号经“长征”五号发射升空后，大约4天后即可抵达月球，减速入轨，然后绕行探测月球，待选定地点后，“嫦娥”五号的上部与下部分离。其中着陆器、上升器将进行月面软着陆，自动进行月面采样、样品封装等操作，并将样品由上升器携带升空进入月球轨道，与环月轨道上的轨道器对接，将样品转移到返回器内部，最后轨道器携带返回器点火启动，从环月轨道直接返回地球。返回器将在再入大气层前与轨道器分离，最后降落在我国北方的内蒙古草原上，而轨道器就变为太空垃圾，整个过程约需要13天。

从这个轨道器、着陆器以及环月轨道对接的复杂设计方案看，“嫦娥”五号完全就是无人版的阿波罗登月。当前使用类似设计的深空探测器，是美国尚未立项的火星取样返回探测器（MSR），不过MSR最早也要2024年以后发射，而我国的“嫦娥”五号预计在今年10月左右就要使用“长征”五号火箭发射，“嫦娥”五号取样返回的复杂性和先进性在已有和正在研制中的深空探测器里是空前的。

“嫦娥”五号主要有两个科学目标。第一个科学目标是开展着陆点区的形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系。第二个科学目标是对返回地面的月球样品进行系统、长期的实验室研究，深化月球成因和演化历史的研究。“嫦娥”五号可以携带约2千克样本返回地球，这是使用复杂的月球轨道对接设计的结果。

为什么要到月球上“挖土”

1969年7月20日，“阿波罗”11号飞船降落在月球静海地区。美国航天员阿姆斯特朗在月球表面踩下了深深的印记，这是人类首次成功登月。为了纪念这个激动人心的时刻，每年7月20日被定为“人类月球日”。

不过，阿波罗计划在科学领域最大的贡献并非阿姆斯特朗的腳印，而是带回了来自月球的土壤和岩石。从1969年到1972年，美国共完成6次载人登月，共带回约382千克月球样品，获取了大量科学成果。尽管苏联的“月球”15号取样器失败了，但后续的“月球”16号、20号和24号取得了成功，3台取样器共取回了326克月壤和岩心样本。“嫦娥”五号的主要任务是采集月球样品并带回地球。那么，月球到底有什么神秘的东西，值得人们千里迢迢去上面“挖土”？ 这些样品能发挥什么作用？今天，我们一起去探寻其理由吧！

揭开月球的神秘面纱

几千年来，我们对于月球只能仰望、猜测，而随着登月成功，月球上的物质被带回地球，它的神秘面纱也被层层揭开。

美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克·贾文曾撰文表示，来自月球的岩石彻底改变了我们对月球表面性质、月球起源以及太阳系演化三大问题的认识。例如，行星化学家分析了月球样本中的同位素组成，发现这些岩石大多比地球岩石更古老，年龄多在30亿到45亿年之间。随后他们建立了一套模型，以此可以估算月球上任何位置的年龄。

从月球带回的标本来看，月岩组成比较简单。在月海中主要为溢流玄武岩，玄武岩颜色较深，反照率很低，从地球上看月球，表现为月球表面的暗斑。一般来说，月球上的玄武岩和地球上的火山岩类似，但是，月岩的基本特征和地球上类似的岩石还是有很大区别的。根据月岩年龄测定结果，月球上最激烈的火山喷发发生在距今38亿—31亿年前。月陆高地主要由富含斜长石的火成岩组成，它们代表月球上最早形成的产物，年龄大约在46亿年前。

月球的表面并非没有土壤覆盖的不毛之地，实际上，到处都覆盖着厚层的岩屑和玻璃质物质，被称为月壤。月球上的月壤和地球上风化剥蚀作用形成的土壤是不同的，月壤是由细至尘埃、大到砂，甚至大砾石的物质组成的。在月海中，月壤的厚度一般为2～10米，月陆中月壤的厚度可以达到20米。月壤中的岩屑主要由各种不同形状和结构的玄武岩和斜长岩组成。

1970年，苏联用“月球”16号取回的 3克样品与“阿波罗”11号、“阿波罗”12号带回的各3克样品进行了交换。同位素分析结果显示，阿波罗计划带回的最古老的月岩形成于45亿年前，比最古老的地球岩石还要早2亿年，并且成分与苏联探测器带回的样品非常接近。这些发现使我们对月球有了初步的了解。

确立了现代行星科学

对月球标本的研究，除了可以认识月球，还帮助科学家确立了现代行星科学，为认识各类行星的地质演化过程提供了参考。月壤的样本可以帮助现代行星科学的发展，也可以为类地行星的地质演化研究提供参照。 对月壤的研究不仅涉及月球本身，而且还包含太阳系空间物质和能量的重要信息。其中包括太阳系早期演化的历史记录；月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史；月球中挥发分的脱气历史；太阳风的组成、太阳表层的成分特征；小天体和微陨石撞击月球的历史记录，进而推断地球遭受小天体撞击的历史；通过对月壤的研究，可以了解月壳岩石圈的组成和分布特征，对研究月球乃至地月系的演化历史具有重要意义。

开发月球资源

人们普遍认识到探月活动具有政治、社会、技术、科学和经济等多方面的意义。因而此后人类的探月活动方向，也从不惜代价服务于政治目的，转变为将科学探索和经济利益相结合，最终的目的是合理开发月球资源。除了科学成果，研究月壤和岩石对开发月球资源同样意义重大。 研究月球样品的重要成果之一，就是发现其中含有氦-3，这让科学家非常兴奋。氦-3是世界公认的高效、清洁、安全的核聚变发电燃料。据计算，100吨氦-3所能创造的能源，相当于全世界一年消耗的能源总量。氦-3在地球上的蕴藏量极少，全球已知且容易取用的只有500千克左右，而早期探测结果表明，月球浅层的氦-3含量多达上百万吨，足够解决人类的能源之忧。实际上，随着人类对月球认识的加深，科学家发现月球氦-3的总储量很可能更多。

提供大量科研成果

几十年间，美国国家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究特殊月球样品的申请，来自十多个国家的500多名科学家提出了申请。NASA共向外发放5万多份月球样品，供天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学、地质学等不同领域的科学家进行研究。1978年，时任美国国家安全事务顾问的布热津斯基访华时，向中国赠送了1克月球样品。这块要用放大镜才能看清楚的石头被分成两半，一半收藏在北京天文馆，一半由中国月球探测工程首席科学家欧阳自远带领团队进行研究。科研人员不仅判断出该样本是在“阿波罗”17号任务中采集的，确认了采集地点，甚至还分析出石头所在地区是否有阳光照射。

为月球基地建设提供信息

登月以后的下一个目标就是在月球表面建立基地。由于月壤处于月球的最表层，具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点，是未来月球基地建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。在可预见的相当长的时间内，月壤的经济价值远高于地下的月岩。因此，通过对月壤的精细研究，可提供月球资源开发利用前景的重要信息，并为月球基地的选址提供重要的科学依据。由于地球和月球之间运输费用十分昂贵，月壤资源的就地开发利用，可以大大减少从地球上运到月球的运货量，从而降低经费投入。

此次“嫦娥”五号所打造的采集器材，属于智能无人技术，比美国的载人登月成本要低很多，但是也有局限性：“嫦娥”五号探测器没有办法大范围地开展收集工作，只能在登陆点进行收集。但是中国探月航空器登月点和美国当年的登月点距离很远，“嫦娥”五号探测器的着陆点为月球正面西北部的吕姆克山脉。我国选择的着陆点距离阿波罗计划着陆点有上千千米距离，将会迎来新的发现。

四个首次突破

与“嫦娥”三号、“嫦娥”四号不同，“嫦娥”五号将实现4个重大首次突破：首次在月球表面自动采样；首次从月面起飞；首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接；首次带着月壤以第二宇宙速度返回地球。

第一个首次：钻取月壤，无污染封装

“嫦娥”五号计划在月面采集2千克样品，并且是通过两种方式获得月壤。 一种方式是利用钻取器，在月球上降落之后，由它来负责钻取，获取深度为2米的月球样品。另一种方式是用机械臂的电铲铲取月壤，取得月球表面具有独特信息的月球样品。获取的样品必须尽量保持原样，不能破坏其层次结构。此外还要在月面真空环境下完成样品封装，并带回地球，整个环节必须分毫不差。苏联曾多次尝试月面采样，仅成功3次，共带回样品300多克，可见其难度。

人们对月表之下的情况不得而知，很可能遇到坚硬的巨石，也可能是松软的土壤，或者其他不同含量的矿物质，机器零部件的运动磨损和热胀冷缩情况也会有所不同。我国科研人员对这一钻探过程在实验室进行了反复的实验，想象了各种不同的情况，通过模拟月壤情况，对“嫦娥”五号的采样器进行验证，检测钻取过程遇到阻力时的状况，将可靠性提升到最高。

第二个首次：从月面起飞

中国之前发射到月球表面的探测器，在完成任务后都留在了月球表面，例如“嫦娥”三号和“嫦娥”四号。但本次任务的核心是返回，月面起飞是最关键的技术突破。

完成月面采样后，“嫦娥”五号的上升器要从月面起飞，摆脱月球引力抵达环月轨道。这个任务将由上升器来完成，上升器将在月球表面进行首次月面起飞，但只能进行短距离的飞行。因为它携带的燃料有限，不可能直接飞回地球，只能到达在月球轨道飞行的轨道器，由轨道器携带返回器完成接下来的行程。月面起飞是完全自主的，其姿态有不确定性，不像在地球上发射火箭，有稳定的发射平台和地面人员提供保障。这是一项十分复杂的新技术，相当于在月球上发射一个火箭，要实现自动发射，需要许多关键技术的突破。

第三个首次：上升器与轨道器的对接

在月球采集的样品被送入月球轨道后将与轨道器对接，它们的对接将是“针尖”对“针尖”的对接，而这种对接在距离地球38万千米外进行，地球上无法看见，也根本无法提供数据和测控支持，完全由事先植入的人工智能来完成，也就是说月球轨道上任何一点无法预料的变化都有可能令对接失败。在交会对接之后，还要实现样品的转移，样品要从上升器里转移到返回器里，过程也比较复杂，动作很多，难度较大。

第四个首次：接近第二宇宙速度返回地球

与“神舟”飞船回家时一头扎进大气层不同，“嫦娥”五号返回地球的速度非常快，将达到11.2千米每秒的第二宇宙速度，以这样的速度进入大气层，势必会因为高温而被烧毁。要控制它减速至7.9千米每秒的第一宇宙速度进入地球轨道，乃至最终安全返回到指定地点，这些都有很大难度。

要在进入大气层阶段把速度降下来，我国选择了“弹跳式”再入返回技术。当“嫦娥”五号以计算好的某个角度与大气层接触后，和大气层产生相互作用力，“嫦娥”五号就像碰触到水面的小石子一样，弹跳起来，然后再次接触大气层，就像人们时常玩的“打水漂”，以达到减速目的。这个控制要求比较高，弹跳需要精确计算，一不小心就被弹回大气层外，再也无法回到地球。为克服气流等引起的不确定因素，在弹跳过程中，还有多台小发动机在适时点火，控制姿态，确保每一步升降都准确。只有每一步都准确，才能准确降落至内蒙古中部的预定降落场。飞行器从月球轨道回家，采用“弹跳式”进入大气层的方式，仅有苏联采用过。