嫦五的新挑戰和探月的新征程

“長五”送“嫦五”，探月夢更圓。

2020年11月24日凌晨4時30分，嫦娥五號探測器搭乘長征五號遙五火箭從海南文昌航天基地成功發射升空，踏上月球探測之旅。

這次任務，是我國月球探測“繞落回”的收官之作，將開啟我國首次地外天體采樣返回之旅，創造中國航天史上的多個“第一”。在“嫦五”九天攬月之時，中國人的深空夢隨之展開新的篇章。

多個“第一次”的挑戰

嫦娥五號要執行的任務是月球采樣返回，是我國探月工程“繞落回”的最后一步，也是最困難、最復雜的一步。中國科學院院士、中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠近日在文昌航天基地接受《新民周刊》記者采訪時表示：嫦娥五號這次面臨的新挑戰包括“兩次發射起飛”“兩次著陸”“近月空間無人交會對接”“對月壤和月巖碎片的采樣返回”等，這些都是中國探月的“第一次”。

第一次發射起飛是重達8.2噸的嫦娥五號從地球奔向月球之旅，為它助力的大力士“胖五”的實力已經過多次驗證，之前最近的一次是把天問一號送上探測火星的征程，后者已經在太空中跋涉了3億多公里。嫦娥五號由軌道器、返回器、上升器和著陸器組成，著陸器在月球表面完成采樣后，樣品裝在上升器中要回到近月軌道與軌道器交會對接，就需要在月球上發射起飛，這是第二次。

“月球的引力比地球小;而且表面是真空狀態，空氣動力學方面也沒有什么問題;發射時揚起的月壤塵埃的影響也都已經在地面試驗中解決。應該說，從月球上發射起飛不會比地球上的發射更難。”歐陽自遠表示。

“兩次著陸”指的是嫦娥五號的著陸器在月球表面的著陸以及返回地球時的著陸。前者的一系列技術已經在嫦娥三號、嫦娥四號上成功驗證;后者則面臨一個新情況：返回地球時的速度更快。

之前我國發射的神舟、天宮系列航天器是從近地軌道返回，為每秒7.9公里的第一宇宙速度。而這次嫦娥五號的返回器是從近月軌道而來，進入地球大氣層時的速度更快，達到約每秒11.2公里的第二宇宙速度，摩擦產生很高的溫度。如果控制不好，返回器就會和之前好不容易在月球上取到的樣品一起燃燒殆盡。除了從返回器的氣動外形、防熱材料下功夫之外，“嫦娥”的工程師們還想了一個辦法：讓返回器在地球大氣層上“打個水漂”。

嫦娥五號探月軌道模擬圖。圖片提供/中國航天科技集團八院

“我們很多人都用石頭玩過打水漂吧。把石頭按一個接近平行于水面的角度使勁扔出去，石頭會先入水，再被水彈出來，飛行一小段后再落入水里。二次入水的速度，要低于第一次。”歐陽自遠解釋說，我們控制嫦娥五號的返回器也采用類似的方式：讓返回器進入大氣層時保持一個特別的角度，它會先入大氣層，再被大氣層拋出去，又飛一會兒，二入大氣層時會降至理想的速度。如此一來，我們有足夠的把握讓它在接下來的回程中抵抗高溫，最后平安著陸。這項技術，已經在2014年11月由再入返回試驗器“嫦娥5T”驗證。

嫦娥五號上升器與軌道器在近月軌道的無人交會對接，同樣是中國探月的首次嘗試。資深航天專家、上海航天技術研究院研究員陶建中介紹說：這次交會對接采用的技術與以往神舟、天宮系列航天器都不相同。

之前我們采取的是“異體同構周邊式對接機構”，它的特點是：對接裝置是異體同構的，也就是“雌雄同體”，既可以做螺桿又可以做螺母，航天器既可作主動方，也能作被動方，這一點對實施太空救援尤其重要;同時，對接裝置是沿周邊分布的，所有定向和動力部件都安裝于艙口的四周，保證對接裝置的中央成為來往通道空間。可以看出，這種技術適用于載人航天。

而此次嫦娥五號的任務屬于無人探測，那么就要選擇另一種更適合的交會對接技術。陶建中說，這次得到應用的是“弱撞擊抱爪式對接機構”。上升器從月球表面飛到近月軌道上的軌道器附近時，伸出一些爪子一樣的機械臂，把后者抱住，再慢慢拉攏，兩者之間的碰撞是輕微的。

嫦娥五號的這次交會對接，也為后續我國火星探測的采樣返回做技術驗證。盡管此時還在路上的天問一號拿的是一張“太空單程票”，并不執行返回的任務;但嫦娥系列探測器已經開始為天問的后續技術展開積累和試驗。可以說，將來許多天問探測器擁有的成熟本領，都會是“嫦娥”先練熟了再“傳授”給前者的。

嫦娥五號在月球軌道工作模擬圖。圖片提供/中國航天科技集團八院

交會對接完成后，上升器把采集到的樣本送入和軌道器連接在一起的返回器內，之后返回器就帶著樣本回到地球。

為什么要去月球“抓土”？

月球采樣返回，也就是到月球上去“抓把土回來”，是嫦娥五號的核心任務。著陸器在月球表面上順利降落后，將通過鏟取、鉆取兩種方式，采集約2公斤的月球樣品帶回地球。月球上的土壤或者巖石碎片究竟有什么研究價值，需要我們萬里迢迢前去采集？

月球樣本除了幫助人類認識月球，還讓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。美國史密森尼國家自然歷史博物館地質學家埃里克·賈文曾經在文章中表示：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，行星化學家分析月球樣本中的同位素組成后，發現這些巖石大多比地球巖石更古老，年齡大多在30億年到45億年之間。隨后他們建立了一套模型，用來估算月球上任何位置的年齡。

如果嫦娥五號任務成功，中國將成為人類第三個實現月球采樣返回的國家。

在中國科學院國家天文臺研究員鄭永春看來，月壤是從月球固體巖石圈到太陽系空間的過渡帶，包含相關區域的大量信息。對月壤的研究不僅涉及月球本身，還能獲得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等。

研究月球樣本對開發月球資源同樣意義重大。月壤中含有氦3，這個讓科學家極為興奮的發現，就是研究月球樣品的成果。氦3是世界公認高效、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公斤左右;而早期探測結果表明，月球淺層的氦3含量多達上百萬噸。盡管開采和利用月球上的氦3還要攻克大量技術難題，但這無疑是人類解決能源危機的希望之一。

月球樣本的研究價值如此豐富，難怪科學界認為美國的阿波羅計劃最大的貢獻并不是讓人類的足跡印在了月球上，而是帶回了月球的樣本。從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，共帶回約382公斤月球樣品，獲取了大量科學成果。

幾十年間，美國國家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究月球樣品的申請，這來自全世界十多個國家的500多名科學家。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開展研究。

其中的一份1克的月球樣品，被當作與新中國正式建交的禮物，由時任美國國家安全事務顧問的布熱津斯基在1978年訪華時贈送給了中國。“當時的國家領導人問教育部和中國科學院的負責人，全國有沒有人研究過月球上的石頭？他們都回答說沒有。但中科院的負責人說，我們這兒有一個人研究過天上掉下來的隕石，國家領導人就拍板說：讓他來。那個人就是我。”歐陽自遠向《新民周刊》記者回憶說。

當時40歲出頭的歐陽自遠舍不得用完這顆只有黃豆大小、要用放大鏡才看得清楚細節的月球樣本，只用了一半來研究，把另外0.5克送給北京天文館珍藏。就是靠著這0.5克的微量樣本，歐陽自遠和他的科研團隊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，甚至還分析出樣本所在地區是否有陽光照射。根據對這份樣本的研究，他們共發表了14篇學術論文。“后來美國的同行見到我們時說：‘這下你們全都知道了。”今天的“嫦娥之父”歐陽自遠就此與探月結緣。

歐陽自遠接受本刊專訪。攝影/王煜

月球采樣返回的技術難度很高，迄今為止只有美國和蘇聯兩國曾實現。而人類最近一次月球采樣是蘇聯1976年的月球24采樣任務，距今已經過去了44年。如果嫦娥五號任務成功，中國將成為人類第三個實現月球采樣返回的國家。

美國靠著宇航員登月的靈活操作，在取回月球樣本的數量上擁有巨大優勢;蘇聯只實現了在月球上的無人采樣返回，3次總共只帶回了0.336公斤的樣本，不及美國的零頭。而中國此次首次無人采樣返回，目標帶回月球樣本約2公斤。

嫦娥五號的著陸地點為月球正面西北部的呂姆克山脈。歐陽自遠介紹：我國選擇的著陸點距離美國的阿波羅計劃著陸點有上千公里，很可能將迎來新的現象、新的發現。

國際頂級學術期刊《自然》（Nature）雜志2020年11月5日刊文認為：嫦娥五號計劃帶回的樣本可以填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。之前美國和蘇聯的月球任務所獲得的巖石表明：月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。但對月球表面的觀測發現，某些區域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖。如果嫦娥五號的樣本證實這段時間月球仍在活動，將改寫人類認識的月球歷史。

《自然》的該文章表示：根據計算隕石坑的方法，月球也是為其他行星測年齡的重要參考。一般來說，較老的區域有更多和更大的隕石坑，而較年輕的區域則有較少和較小的隕石坑。根據這些相對年齡，再利用月球上的樣本可以得出絕對日期。目前8.5億到32億年前這段時間沒有樣本，嫦娥五號可以填補這一空白。

探月的眼光絕不停在月球

中國探月“嫦娥工程”包括“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”，嫦娥五號擔負的是“繞落回”的收官任務。接下來的嫦娥系列探測器，要為載人登月做好準備。

在陶建中看來，研究推進力更大的重型運載火箭，是接下來包括嫦娥工程和天問計劃在內的中國深空探測在技術上需要突破的關鍵問題。

目前運送“嫦娥”“天問”的長征五號大型運載火箭總長56.97米，火箭起飛質量約869噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸的運載能力，承擔的任務主要是近地軌道衛星、地球同步轉移軌道衛星、太陽同步軌道衛星、空間站、月球探測器和火星探測器等各類航天器的發射任務。但這樣的能力，對于載人登月來說還不夠。

我國正在攻關研發中的長征九號重型運載火箭，將完成運載能力的升級。型號從“大”到“重”，能力成倍增加：長征九號芯級最大直徑為10米級，總長約百米，起飛質量超過4000噸，近地軌道運載能力140噸，地月轉移軌道運載能力約50噸，運力與美國土星5號運載火箭相似;后者是美國在阿波羅計劃和天空實驗室計劃中使用的火箭，共有9枚土星5號火箭將載人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。

11月17日，長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試工作后，垂直轉運至發射區。

長征九號未來將用于我國深空探測、載人登月和登火、空間太陽能電站等空間基礎設施建設任務。火箭先期關鍵技術攻關、方案深化論證工作于2016年6月正式批復立項，主要的攻關內容為“一總三大”：一總即重型火箭的總體技術和方案優化;三大即10米級大直徑箭體結構的設計、制造和試驗，480噸大推力的液氧煤油發動機，220噸大推力的氫氧發動機。如果這一系列關鍵技術實現突破及相關工作進展順利，長征九號有望在2028年于文昌發射場實現首飛。

另外，研發有效抵抗月球上強輻射的宇航服，也是中國載人登月正在解決的問題，陶建中向《新民周刊》記者表示。

“我們正在努力探月登月，并實現了不少突破，例如嫦娥四號就實現了人類探測器首次在月球背面的著陸;但我們同時還要清楚，探月登月究竟是為了什么。”歐陽自遠說，為了人類社會的可持續發展，“不把雞蛋放在一個籃子里”，我們一定要在深空中再找到一顆適宜人類生存的星球。只有這樣才能避免像小行星撞擊地球一般來自宇宙的威脅，或者避免人類因自身的愚蠢行為破壞地球的優良生存環境帶來的毀滅性后果。

除了已經開展的火星探測，中國的深空探測還將眼光放向更遠的星球。

而月球肯定不是人類深空探測的終極目標，雖然在宇宙空間的尺度上來看，它與地球38萬公里的距離非常“近”;但最關鍵的是，它的各項條件實在太不適合人類生存、太難改造了，這注定了它只能成為人類在太空中的“哨所”“中轉站”。經它中轉的下一站，自然是人類一直向往的火星。

在歐陽自遠看來，月球上已經發現了水冰，但讓水冰用于宇航員生存所需的難度太大，更為實際的是利用月球資源建設無人基地。例如，在月球兩極的永久光照區，可以建設太陽能電站提供資源;在月球背面可以建設科研站，避開地球無線電干擾來探測星空。

他提到，美國已經計劃建立月球空間站，在2024年讓宇航員重返月球。NASA將這個計劃命名為“阿爾忒彌斯”，也就是希臘神話中太陽神阿波羅的雙胞胎姐姐，其含義不言而喻。

NASA局長布賴登斯汀在近期表示：要到達火星，首先必須建立起月球空間站。“我們可以在空間站的控制下在月球表面同時執行多個任務。”他說，“這些任務有的需要宇航員來完成，其他則可能由機器人、著陸器或者是探測車完成。”歐陽自遠認為，有了月球空間站，載人登月和返回地球將變得更加容易，下一步邁向火星的路途也就更加平坦。

除了已經開展的火星探測，中國的深空探測還將眼光放向更遠的星球。

2016年3月，中國科學院國家空間科學中心發布《2016-2030空間科學規劃研究報告》，其中提到中國的“木星系統探測”計劃。

該計劃的總體科學研究目標主要包括：木星磁層結構、木衛二大氣模型、木衛二表面冰層形貌及厚度、金星-地球-木星間的太陽風結構、地球生命的地外生存狀態及其演變特性。

這項計劃目前還只是科學家的規劃，尚未上升到立項等層面;屬于中國人的木星探測計劃，有望在2030年左右誕生。

之所以叫“木星系統探測”而不是木星探測，是因為在木星之外，木星的衛星也具有較高的科研價值。木星的天然衛星，包括木衛二等，在地外生命的研究中引起極大關注。木衛二上的鹽水海洋環境被認為可能孕育生命，這樣的海洋中可能存在類似地球上的水熱地質作用。

我國另一個名為“桃源”的計劃，也涉及木星。計劃主要考慮木衛二或土衛二科學探測計劃，有計劃地選擇太陽系行星（木星或土星）可能存在冰殼和地下海洋及大氣層的衛星為探測目標。“桃源”將用著陸器和巡視器取樣在線分析探測大氣、冰殼及海水中可能存在的生命物質或形式。

中國也正在開展小行星探測關鍵技術攻關，將通過一次發射探測兩個小天體：一顆名為2016HO3的近地小行星和一顆名為133P的主帶彗星。

通過2019年10月召開的第一屆中國空間科學大會，人們得知：中國小行星探測任務正在進行論證工作，擬完成近地小行星伴飛、附著、取樣返回和主帶彗星近距離繞飛。

小天體探測是空間探索的前沿、熱點，同時也是高門檻的深空探測任務，其難點主要來自于小天體具有微引力、不確定性以及未知的環境，它們的形狀、成分與結構等性質難以通過地面觀測獲得。

其實，中國已經探測過一顆小行星。2012年12月13日，嫦娥二號圓滿完成探月既定任務和日-地L2點試驗任務之后，在距地球約700萬千米遠的深空，以每秒10千米的相對速度飛掠探測“圖塔蒂斯”小行星，二者最近的距離約為770米。

2019年4月，中國國家航天局發布了小行星探測任務合作機遇公告，向全世界征集科學載荷與搭載任務，體現了中國在空間科學探索方面開放、包容的姿態。

“我們的目光，應該朝向更廣闊的宇宙空間，去探索無限的星辰大海。”歐陽自遠說。