“嫦娥”五號：到月球去“挖土”

沈羨云

自古以來，人類一直對浩瀚的太空充滿了好奇和熱情，月球就是人類第一個關注和不斷觀察的對象，因此留下許多美好的夙愿和科學假說。隨著我國航天事業的發展，探月計劃也已提上日程。中國探月工程分“繞、落、回”三步走，繞月和落月任務已經圓滿完成，現在是完成第三步的時候了?！版隙稹蔽逄栍媱潓⑼瓿商皆鹿こ倘谥械脑旅嫒臃祷厝蝿铡，F在，“嫦娥”五號一切準備就緒，整裝待發。

我國最復雜的航天探測器

“嫦娥”五號探測器，是由中國空間技術研究院（中國航天科技集團五院）研制的中國首個實施無人月面取樣返回的航天器。科研人員計劃利用“嫦娥”五號在探月工程三期中實現月面取樣返回任務，完成中國探月工程的收官之戰。

“嫦娥”五號要飛到月球上，采集樣本后，還要飛回來，研制難度非常大?！版隙稹蔽逄栆脖环Q為我國最復雜的航天探測器。“嫦娥”五號探測器全重8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個部分組成，4個部分串聯在一起，像一串糖葫蘆。這4部分可以再分為上下兩部分，上部分（著陸器和上升器）將在月球上著陸，其中上升器要帶著采集的樣品返回軌道。下部分（軌道器和返回器）留在月球軌道上，軌道器承擔著支撐和服務任務，返回器的任務是帶著月球樣本返回地面。

根據設計方案，“嫦娥”五號經“長征”五號發射升空后，大約4天后即可抵達月球，減速入軌，然后繞行探測月球，待選定地點后，“嫦娥”五號的上部與下部分離。其中著陸器、上升器將進行月面軟著陸，自動進行月面采樣、樣品封裝等操作，并將樣品由上升器攜帶升空進入月球軌道，與環月軌道上的軌道器對接，將樣品轉移到返回器內部，最后軌道器攜帶返回器點火啟動，從環月軌道直接返回地球。返回器將在再入大氣層前與軌道器分離，最后降落在我國北方的內蒙古草原上，而軌道器就變為太空垃圾，整個過程約需要13天。

從這個軌道器、著陸器以及環月軌道對接的復雜設計方案看，“嫦娥”五號完全就是無人版的阿波羅登月。當前使用類似設計的深空探測器，是美國尚未立項的火星取樣返回探測器（MSR），不過MSR最早也要2024年以后發射，而我國的“嫦娥”五號預計在今年10月左右就要使用“長征”五號火箭發射，“嫦娥”五號取樣返回的復雜性和先進性在已有和正在研制中的深空探測器里是空前的。

“嫦娥”五號主要有兩個科學目標。第一個科學目標是開展著陸點區的形貌探測和地質背景勘察，獲取與月球樣品相關的現場分析數據，建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯系。第二個科學目標是對返回地面的月球樣品進行系統、長期的實驗室研究，深化月球成因和演化歷史的研究?！版隙稹蔽逄柨梢詳y帶約2千克樣本返回地球，這是使用復雜的月球軌道對接設計的結果。

為什么要到月球上“挖土”

1969年7月20日，“阿波羅”11號飛船降落在月球靜海地區。美國航天員阿姆斯特朗在月球表面踩下了深深的印記，這是人類首次成功登月。為了紀念這個激動人心的時刻，每年7月20日被定為“人類月球日”。

不過，阿波羅計劃在科學領域最大的貢獻并非阿姆斯特朗的腳印，而是帶回了來自月球的土壤和巖石。從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，共帶回約382千克月球樣品，獲取了大量科學成果。盡管蘇聯的“月球”15號取樣器失敗了，但后續的“月球”16號、20號和24號取得了成功，3臺取樣器共取回了326克月壤和巖心樣本?！版隙稹蔽逄柕闹饕蝿帐遣杉虑驑悠凡Щ氐厍?。那么，月球到底有什么神秘的東西，值得人們千里迢迢去上面“挖土”？ 這些樣品能發揮什么作用？今天，我們一起去探尋其理由吧！

揭開月球的神秘面紗

幾千年來，我們對于月球只能仰望、猜測，而隨著登月成功，月球上的物質被帶回地球，它的神秘面紗也被層層揭開。

美國史密森尼國家自然歷史博物館地質學家埃里克·賈文曾撰文表示，來自月球的巖石徹底改變了我們對月球表面性質、月球起源以及太陽系演化三大問題的認識。例如，行星化學家分析了月球樣本中的同位素組成，發現這些巖石大多比地球巖石更古老，年齡多在30億到45億年之間。隨后他們建立了一套模型，以此可以估算月球上任何位置的年齡。

從月球帶回的標本來看，月巖組成比較簡單。在月海中主要為溢流玄武巖，玄武巖顏色較深，反照率很低，從地球上看月球，表現為月球表面的暗斑。一般來說，月球上的玄武巖和地球上的火山巖類似，但是，月巖的基本特征和地球上類似的巖石還是有很大區別的。根據月巖年齡測定結果，月球上最激烈的火山噴發發生在距今38億—31億年前。月陸高地主要由富含斜長石的火成巖組成，它們代表月球上最早形成的產物，年齡大約在46億年前。

月球的表面并非沒有土壤覆蓋的不毛之地，實際上，到處都覆蓋著厚層的巖屑和玻璃質物質，被稱為月壤。月球上的月壤和地球上風化剝蝕作用形成的土壤是不同的，月壤是由細至塵埃、大到砂，甚至大礫石的物質組成的。在月海中，月壤的厚度一般為2～10米，月陸中月壤的厚度可以達到20米。月壤中的巖屑主要由各種不同形狀和結構的玄武巖和斜長巖組成。

1970年，蘇聯用“月球”16號取回的 3克樣品與“阿波羅”11號、“阿波羅”12號帶回的各3克樣品進行了交換。同位素分析結果顯示，阿波羅計劃帶回的最古老的月巖形成于45億年前，比最古老的地球巖石還要早2億年，并且成分與蘇聯探測器帶回的樣品非常接近。這些發現使我們對月球有了初步的了解。

確立了現代行星科學

對月球標本的研究，除了可以認識月球，還幫助科學家確立了現代行星科學，為認識各類行星的地質演化過程提供了參考。月壤的樣本可以幫助現代行星科學的發展，也可以為類地行星的地質演化研究提供參照。 對月壤的研究不僅涉及月球本身，而且還包含太陽系空間物質和能量的重要信息。其中包括太陽系早期演化的歷史記錄；月巖和月壤的宇宙線暴露與輻照歷史；月球中揮發分的脫氣歷史；太陽風的組成、太陽表層的成分特征；小天體和微隕石撞擊月球的歷史記錄，進而推斷地球遭受小天體撞擊的歷史；通過對月壤的研究，可以了解月殼巖石圈的組成和分布特征，對研究月球乃至地月系的演化歷史具有重要意義。

開發月球資源

人們普遍認識到探月活動具有政治、社會、技術、科學和經濟等多方面的意義。因而此后人類的探月活動方向，也從不惜代價服務于政治目的，轉變為將科學探索和經濟利益相結合，最終的目的是合理開發月球資源。除了科學成果，研究月壤和巖石對開發月球資源同樣意義重大。 研究月球樣品的重要成果之一，就是發現其中含有氦-3，這讓科學家非常興奮。氦-3是世界公認的高效、清潔、安全的核聚變發電燃料。據計算，100噸氦-3所能創造的能源，相當于全世界一年消耗的能源總量。氦-3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且容易取用的只有500千克左右，而早期探測結果表明，月球淺層的氦-3含量多達上百萬噸，足夠解決人類的能源之憂。實際上，隨著人類對月球認識的加深，科學家發現月球氦-3的總儲量很可能更多。

提供大量科研成果

幾十年間，美國國家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究特殊月球樣品的申請，來自十多個國家的500多名科學家提出了申請。NASA共向外發放5萬多份月球樣品，供天文學、生物學、化學、工程學、材料科學、醫學、地質學等不同領域的科學家進行研究。1978年，時任美國國家安全事務顧問的布熱津斯基訪華時，向中國贈送了1克月球樣品。這塊要用放大鏡才能看清楚的石頭被分成兩半，一半收藏在北京天文館，一半由中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠帶領團隊進行研究。科研人員不僅判斷出該樣本是在“阿波羅”17號任務中采集的，確認了采集地點，甚至還分析出石頭所在地區是否有陽光照射。

為月球基地建設提供信息

登月以后的下一個目標就是在月球表面建立基地。由于月壤處于月球的最表層，具有松散、非固結、細顆粒和易于開采的特點，是未來月球基地建設、采礦、修路、資源提取的首選目標。在可預見的相當長的時間內，月壤的經濟價值遠高于地下的月巖。因此，通過對月壤的精細研究，可提供月球資源開發利用前景的重要信息，并為月球基地的選址提供重要的科學依據。由于地球和月球之間運輸費用十分昂貴，月壤資源的就地開發利用，可以大大減少從地球上運到月球的運貨量，從而降低經費投入。

此次“嫦娥”五號所打造的采集器材，屬于智能無人技術，比美國的載人登月成本要低很多，但是也有局限性：“嫦娥”五號探測器沒有辦法大范圍地開展收集工作，只能在登陸點進行收集。但是中國探月航空器登月點和美國當年的登月點距離很遠，“嫦娥”五號探測器的著陸點為月球正面西北部的呂姆克山脈。我國選擇的著陸點距離阿波羅計劃著陸點有上千千米距離，將會迎來新的發現。

四個首次突破

與“嫦娥”三號、“嫦娥”四號不同，“嫦娥”五號將實現4個重大首次突破：首次在月球表面自動采樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接；首次帶著月壤以第二宇宙速度返回地球。

第一個首次：鉆取月壤，無污染封裝

“嫦娥”五號計劃在月面采集2千克樣品，并且是通過兩種方式獲得月壤。 一種方式是利用鉆取器，在月球上降落之后，由它來負責鉆取，獲取深度為2米的月球樣品。另一種方式是用機械臂的電鏟鏟取月壤，取得月球表面具有獨特信息的月球樣品。獲取的樣品必須盡量保持原樣，不能破壞其層次結構。此外還要在月面真空環境下完成樣品封裝，并帶回地球，整個環節必須分毫不差。蘇聯曾多次嘗試月面采樣，僅成功3次，共帶回樣品300多克，可見其難度。

人們對月表之下的情況不得而知，很可能遇到堅硬的巨石，也可能是松軟的土壤，或者其他不同含量的礦物質，機器零部件的運動磨損和熱脹冷縮情況也會有所不同。我國科研人員對這一鉆探過程在實驗室進行了反復的實驗，想象了各種不同的情況，通過模擬月壤情況，對“嫦娥”五號的采樣器進行驗證，檢測鉆取過程遇到阻力時的狀況，將可靠性提升到最高。

第二個首次：從月面起飛

中國之前發射到月球表面的探測器，在完成任務后都留在了月球表面，例如“嫦娥”三號和“嫦娥”四號。但本次任務的核心是返回，月面起飛是最關鍵的技術突破。

完成月面采樣后，“嫦娥”五號的上升器要從月面起飛，擺脫月球引力抵達環月軌道。這個任務將由上升器來完成，上升器將在月球表面進行首次月面起飛，但只能進行短距離的飛行。因為它攜帶的燃料有限，不可能直接飛回地球，只能到達在月球軌道飛行的軌道器，由軌道器攜帶返回器完成接下來的行程。月面起飛是完全自主的，其姿態有不確定性，不像在地球上發射火箭，有穩定的發射平臺和地面人員提供保障。這是一項十分復雜的新技術，相當于在月球上發射一個火箭，要實現自動發射，需要許多關鍵技術的突破。

第三個首次：上升器與軌道器的對接

在月球采集的樣品被送入月球軌道后將與軌道器對接，它們的對接將是“針尖”對“針尖”的對接，而這種對接在距離地球38萬千米外進行，地球上無法看見，也根本無法提供數據和測控支持，完全由事先植入的人工智能來完成，也就是說月球軌道上任何一點無法預料的變化都有可能令對接失敗。在交會對接之后，還要實現樣品的轉移，樣品要從上升器里轉移到返回器里，過程也比較復雜，動作很多，難度較大。

第四個首次：接近第二宇宙速度返回地球

與“神舟”飛船回家時一頭扎進大氣層不同，“嫦娥”五號返回地球的速度非常快，將達到11.2千米每秒的第二宇宙速度，以這樣的速度進入大氣層，勢必會因為高溫而被燒毀。要控制它減速至7.9千米每秒的第一宇宙速度進入地球軌道，乃至最終安全返回到指定地點，這些都有很大難度。

要在進入大氣層階段把速度降下來，我國選擇了“彈跳式”再入返回技術。當“嫦娥”五號以計算好的某個角度與大氣層接觸后，和大氣層產生相互作用力，“嫦娥”五號就像碰觸到水面的小石子一樣，彈跳起來，然后再次接觸大氣層，就像人們時常玩的“打水漂”，以達到減速目的。這個控制要求比較高，彈跳需要精確計算，一不小心就被彈回大氣層外，再也無法回到地球。為克服氣流等引起的不確定因素，在彈跳過程中，還有多臺小發動機在適時點火，控制姿態，確保每一步升降都準確。只有每一步都準確，才能準確降落至內蒙古中部的預定降落場。飛行器從月球軌道回家，采用“彈跳式”進入大氣層的方式，僅有蘇聯采用過。