嫦娥五号：去月球挖土

格林

2020年11月24日凌晨，中国文昌航天发射场，身强体壮的“胖五”长征五号运载火箭背负“五姑娘”嫦娥五号探测器飞向远在38万公里外的月球。这标志着中国探月工程“绕”“落”“回”三步走的收官之战正式拉开大幕。此前，我国已经实现了绕月探测、落月探测和巡视探测。

如今，中国航天的脚步要再往前迈出一步——采样返回，即发射嫦娥五号探测器落月，获取月壤样品并返回地球。这是我国首次执行无人月球采样返回任务。

到“月宫”潇洒走一回

随着嫦娥五号的成功发射，人们的目光又一次聚焦嫦娥家族：与嫦娥家族中前几位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”在外观造型上大变样。其技术跨度大、结构也更为复杂，由轨道器、着陆器、上升器、返回器四部分组成。

这四器就像“糖葫芦”，每一个都是单独的个体，放在一起还能组合，比如，着陆器和上升器“抱”在一起，就组合成了“着上组合体”；轨道器和返回器组合，就成了“轨返组合体”。四器“串”在一起，则构成了一个完整的探测器。

此前的嫦娥“大姐”和“二姐”都是一颗单独的卫星，“三姐”和“四姐”则由着陆器和月球车组成。这也意味着嫦娥家族众姐妹不同的任务以及归宿——嫦娥家族此前的几位“姐姐”，为了科学探索再也不能回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更远的深空。相比之下，“五姑娘”就幸福多了：她从“月宫”潇洒走一回后，还能捎点“土特产”——月壤，再次回到地球母亲的怀抱。

“五姑娘”的复杂结构可以让她尽可能多带点“土特产”，预计2千克。你可能觉得，就这么点？但要知道苏联3个无人月球探测器带回的月壤样品也才330克，这主要由于当时苏联尚未掌握月球轨道无人交会对接技术，只能采用月面起飞返回地球的方案，这样，上升器就需要克服返回舱与大量燃料带来的负重，极大压缩了采样重量。

而“五姑娘”到达月球轨道后，着陆器携上升器组成“月面小分队”一同降落至月球表面，轨道器与返回器则作为“返地战队”继续环绕月球，等待“月面小分队”归来。接着，“月面小分队”进行月面采样、样品封装等操作。样品由上升器携带发射升空，与“太空邮差”轨道器对接，将样品转移到返回器内部。最后，“太空邮差”完成货品“接收”“装箱”后点火，只将返回器送回地球，从而减轻了负重。虽然近地轨道交会对接技术已比较成熟，但此次在38万公里外的月球轨道上成功进行无人交会对接，在人类航天史上还是第一次。

挖土、封装，“五姑娘”勤劳又细心

12月1日，“月面小分队”成功落月，勤奋的“五姑娘”开启了“挖土”工作：一种是钻取，一种是表取。钻取就是通过空心钻杆的取芯机构，钻到月球表面两米以下处，得到深层样品的层理信息；表取就是采用机械臂末端固定铲挖型采样器，进行表层和次表层月壤采集，多点、多次采样。

到此也只是万里长征第一步，无人采样固然困难，跟无人封装相比也是小巫见大巫。月壤的封装分为月面封装与月轨封装。月面封装，主要是装土。“五姑娘”在采集月壤样本之后，将其送进上升器并进行第一次封装，防止其在离开月球的过程中出现损耗。月轨封装，则是要把上升器的月壤转移到返回器中，保护月壤样品再入地球时不受恶劣环境的影响。

万一封装不当，“五姑娘”这趟就白跑了。相比月面极高真空的环境，地球表面大气成分复杂，极易造成污染，导致月球样品科研价值大打折扣，所以封装必须完全密封。过去的返回器，要么不打开封装盖，要么是有人飞船，航天员能够进行细致检查。“嫦娥五号”则完全是无人操作，月壤“采集、包装、转移、封装”一条龙，全靠自动化，任何一个小细节都不能出错。

12月3日，完成月面工作的“五姑娘”踏上“回家”之路，首次实现我国航天器地外天体起飞。临行前，“月面小分队”还在月球“升起”一面五星红旗，与嫦娥三号、嫦娥四号采用的喷涂方式不同，这是一面真正的旗幟。

为了展示这面国旗，科研人员投入了一年多的时间和精力。它采用新型复合材料，即便在月面的极端恶劣环境下也能不褪色、不串色、不变形。科研人员的努力让中国人在月球表面首次实现了五星红旗的“独立展示”。

“世上无难事，只要肯登攀”

当完成无人交会对接，返回器带着月壤风驰电掣般向地球飞来，这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度。而一般从近地轨道返回的航天器，其速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。可别小看这每秒3公里的“速度差”。科技人员做了一个类比：同样一块石头，从一层楼扔下去的速度，和从十几层楼扔下去的速度肯定不一样。一旦速度过猛，后果不堪设想。

为此，设计师们提出了在太空“打水漂”的半弹道跳跃式再入返回技术方案，返回器先高速进入大气层，再借助大气层的升力，跃出大气层，然后以第一宇宙速度返回地面。

2020年12月17日，嫦娥五号结束“挖土”之旅，载誉归来。下一步，科研人员将对2千克月壤进行研究。

月壤不仅包含巨大的科研价值，也有着巨大的应用价值，比如，作为世界公认高效、清洁、安全的可控核聚变发电燃料，氦-3在解决地球能源危机与环境问题上被寄予厚望，但氦-3在地球上的蕴藏量极少，全球已知且易取用的只有500千克左右，而月壤中的氦-3储量达上百万吨。

国家探月办表示，“五姑娘”带回的2千克月壤除用于科研，有一部分会送往湖南保存，以告慰一代伟人“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”的夙愿。这也是几代中国人共同的夙愿，它在今天走入现实。

（资料来源：《中国青年报》《中国纪检监察报》《南风窗》等，知止图）