原標(biāo)題：嫦娥五號(hào)取月壤,，中國探月的“一小步”

月球上空的嫦娥五號(hào)效果圖,。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

新京報(bào)訊（記者倪偉）自從1976年以后,，美蘇探月的熱情消退，人類零星有不多的探測(cè)器飛往月球,，但再也沒有從月球上帶回什么東西,。直到今天（11月24日），中國的嫦娥五號(hào)探測(cè)器從地球出發(fā),，計(jì)劃取回約2千克月球土壤,。

整個(gè)過程將持續(xù)20多天，其中大部分時(shí)間都在飛行,，月面采樣的工作僅有兩天時(shí)間,。這次任務(wù)中，嫦娥五號(hào)執(zhí)行的一系列操作都是中國前所未有的,，例如月球的采樣,、月面點(diǎn)火起飛、月球軌道多次交會(huì)對(duì)接等等,。

來自另一個(gè)星球的巖石和土壤,，蘊(yùn)含著遠(yuǎn)古的信息,。嫦娥五號(hào)計(jì)劃著陸的風(fēng)暴洋北緣呂姆克山附近，存在大約13億至20億年前的玄武巖,，嫦娥五號(hào)將獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡,，有助于推進(jìn)對(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí)。

嫦娥五號(hào)是中國探月工程第六次任務(wù),，也是我國航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜,、難度最大的任務(wù)之一，標(biāo)志著探月工程“繞,、落,、回”三步走的圓滿完成。

中國探月的“一小步”,，也將助推中國深空探測(cè)的“一大步”,。未來一系列航天任務(wù)，包括對(duì)火星,、小行星的采樣返回,，以及載人登月，都將用上源自于嫦娥五號(hào)任務(wù)的技術(shù),。

嫦娥五號(hào)飛行效果圖。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

從1克巖石開始的月球研究

一塊0.5克的月球巖石樣品,，收藏在北京天文館,，另外0.5克存放在中科院。這總共1克的巖石,，是1978年美國總統(tǒng)卡特安全事務(wù)顧問布熱津斯基訪問中國時(shí)贈(zèng)送的禮品,，由阿波羅17號(hào)飛船的航天員采集回來。

中國學(xué)者將其一分為二,，一半收藏,，一半研究。面對(duì)0.5克的月巖,，學(xué)者花了4個(gè)月研究其化學(xué)成分,、同位素、礦物質(zhì),、采集地點(diǎn)等,，發(fā)表了14篇研究文章，研究結(jié)果讓美國人信服,。

這是中國學(xué)者研究月球巖石的開始,。

目前全球有300多千克從月球采集的樣品，其中381.7千克由美國人采集,，約300克由蘇聯(lián)人采集?，F(xiàn)在,，中國計(jì)劃帶回2千克。這是1976年蘇聯(lián)“月球24號(hào)”任務(wù)后,，人類第一次從月球采集樣品,。

全國空間探測(cè)技術(shù)首席傳播專家龐之浩說，月球沒有大氣層保護(hù),，所以月表的月壤是受地外星體撞擊,，以及受到宇宙射線輻射和太陽風(fēng)轟擊等空間風(fēng)化作用后形成的。通過研究月壤,，能進(jìn)一步了解月球狀態(tài),、物質(zhì)含量、地質(zhì)演化歷史,，也可以為了解太陽活動(dòng)等提供新的信息,，這將幫助中國人在月球研究領(lǐng)域?yàn)槿蜃龀鲐暙I(xiàn)。

更長遠(yuǎn)來看,，人類如果有移民外星的遠(yuǎn)大理想,，必然要先在能夠觸及到的地外天體——月球和火星上試驗(yàn)生存技術(shù)，月球是最理想和最現(xiàn)實(shí)的中轉(zhuǎn)站,。

因此，各國持續(xù)地對(duì)月球乃至火星進(jìn)行探測(cè),。中國空間技術(shù)研究院研究員果琳麗認(rèn)為,，月球距離地球最近，不論是開采資源,，還是把月球資源運(yùn)回地球,，甚至是作為探測(cè)深空的補(bǔ)給站，都更容易實(shí)現(xiàn),。

沉寂40多年以后,，近年來，月球再次成為深空探測(cè)熱土,。不僅中國近十幾年在月球探測(cè)中屢次實(shí)現(xiàn)突破,，美國和俄羅斯也提出了重返月球的計(jì)劃，歐洲一直為建設(shè)月球村奔走,，尋求支持與合作,。根據(jù)各國發(fā)布的計(jì)劃，2030年之前,，多國都希望將航天員送上月球,，并謀劃建設(shè)永久的科研基地。

中國探月一步一個(gè)腳印,，小尺度來看,，探月分為“繞落回”三步,，嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)了“繞”，嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了“落”,，此次嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)“回”,。更大尺度來看，中國月球計(jì)劃分為“探,、登,、駐”三個(gè)步驟，在探月之后,，還將努力實(shí)現(xiàn)載人登月,，并最終建立無人或有人駐守的月球科研基地。

嫦娥五號(hào)意味著我國世紀(jì)初規(guī)劃的探月三步走任務(wù),，至此圓滿完成,，而這只是一個(gè)“小目標(biāo)”。

嫦娥五號(hào)著陸器與上升器組合體著陸效果圖,。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

四大金剛，兵分兩路

月球繞,、落,、回的每一步，都是一次技術(shù)的跨越,。嫦娥五號(hào)在嫦娥三號(hào),、四號(hào)落月的基礎(chǔ)上，還將實(shí)現(xiàn)一系列從未有過的高難度操作,。

8.2噸的嫦娥五號(hào),，由四個(gè)器組成，包含15個(gè)分系統(tǒng),。這四個(gè)器是單獨(dú)的個(gè)體,，也能組合在一起。著陸器和上升器“抱”在一起,，就組合成了“著陸上升組合體”,，即“采樣分隊(duì)”；軌道器和返回器組合成“軌道返回組合體”,，即“繞月分隊(duì)”,。

中國探月工程副總設(shè)計(jì)師、中國航天科技集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任于登云接受新京報(bào)記者采訪時(shí),，科普了嫦娥五號(hào)整個(gè)任務(wù)過程：

在月球軌道上,，“采樣分隊(duì)”和“繞月分隊(duì)”分離，“繞月分隊(duì)”繼續(xù)環(huán)繞在月球軌道,，“采樣分隊(duì)”落到月面,，采集月表樣品,；

采集完以后，上升器帶著樣品在著陸器平臺(tái)上點(diǎn)火起飛,，在月球軌道上與“繞月分隊(duì)”對(duì)接,。組合飛行期間，上升器將樣品轉(zhuǎn)移給返回器,，再次分離,，軌道器帶著返回器向地球飛；

在距離地球大約5000公里的時(shí)候,，軌道器與返回器分離,，返回器回到地球，落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場,。

最終,，著陸器留在月球表面，上升器在月球軌道環(huán)繞,，軌道器留在地月之間,，返回器回到地面，樣品就在其中,。

返回也是步步驚心,。當(dāng)嫦娥五號(hào)以第二宇宙速度向地球沖來，如果一猛子扎進(jìn)大氣層,，一旦速度過猛,，來不及減速，可能會(huì)撞毀,。

為此,，嫦娥工程中罕見地增加了一次試驗(yàn)飛行的任務(wù),，目的是驗(yàn)證一種特殊的返回方式,。這就是2014年實(shí)施的探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器——“嫦娥-5T”任務(wù)。

于登云曾回憶,，以王禮恒院士為代表的幾位航天權(quán)威專家認(rèn)為,，高速返回任務(wù)是第一次實(shí)施，直接關(guān)系到探月三期工程的成敗,，如果不事先驗(yàn)證,，將留下巨大風(fēng)險(xiǎn)。

“嫦娥-5T”當(dāng)年并沒有落月,，在月球飛了幾圈之后便返回地球,，重頭戲是在地球大氣層打個(gè)“水漂”?！版隙?5T”進(jìn)入大氣層后,，借助大氣層的升力又躍出來,，然后再次進(jìn)入。一進(jìn)一出,，便實(shí)現(xiàn)了減速,，從第二宇宙速度降至第一宇宙速度。

這種半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案,，使結(jié)構(gòu)和防熱系統(tǒng)的壓力都得到緩解,，也使航程和落點(diǎn)達(dá)到理想的結(jié)果。這次,，嫦娥五號(hào)返回器就將這么回來,。

嫦娥五號(hào)上升器與軌道器返回器組合體交會(huì)對(duì)接效果圖,，將把月球樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

高難度方案為載人登月驗(yàn)證技術(shù)

“整個(gè)過程都很復(fù)雜,，每個(gè)環(huán)節(jié)都不能出錯(cuò),，否則整個(gè)任務(wù)就受到影響?！庇诘窃普f,，其中最重要的創(chuàng)新，是嫦娥五號(hào)四個(gè)器在月球軌道的分離和對(duì)接,。

40多年前的航天技術(shù),，與當(dāng)今不可同日而語，嫦娥五號(hào)采樣方案也與美蘇完全不同,。蘇聯(lián)無人采樣任務(wù)中沒有采用交會(huì)對(duì)接,，探測(cè)器直接從月面返回地球，美國則是由航天員在月面進(jìn)行人工采樣,。嫦娥五號(hào)雖然也是無人采樣返回,，卻讓探測(cè)器“分兵作戰(zhàn)”，以交會(huì)對(duì)接的方式轉(zhuǎn)移樣品和返回,。

為什么不像蘇聯(lián)一樣,，讓探測(cè)器直接飛回地球呢？主要是因?yàn)槲覈壳盎鸺\(yùn)載能力的限制,，無法在一開始就攜帶足夠的燃料,，讓探測(cè)器可以整體著陸、起飛,。

“可以說,，我國無人自動(dòng)采樣返回方案，是在汲取美國有人采樣和蘇聯(lián)無人采樣的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際情況走出的一條新路,，”于登云說,，“這是一個(gè)創(chuàng)新，當(dāng)然難度也更大,?！?/p>

人們常將兩個(gè)航天器的交會(huì)對(duì)接形容為“太空之吻”。如果地球軌道上的飛船與空間站對(duì)接是“吻”,，那么,，遠(yuǎn)在月球軌道上的嫦娥五號(hào)對(duì)接，因?yàn)楦h(yuǎn)的距離,、更小的對(duì)接機(jī)構(gòu),、自動(dòng)的對(duì)接程序等條件，堪比“太空穿針”,。

雖然我國已掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù),，進(jìn)行了多次飛船的交會(huì)對(duì)接，但神舟飛船的交會(huì)對(duì)接是在400公里左右高度的地球軌道,，而嫦娥五號(hào)是在距地球38萬公里的月球軌道上,，難以進(jìn)行人工干預(yù)，完全依靠自主進(jìn)行,。同時(shí),，也無法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的幫助，這就需要突破月球軌道測(cè)控精度,、月球軌道敏感器交互,、輕小型航天器對(duì)接等多項(xiàng)技術(shù)。

選擇這一方案,，還有另外一個(gè)目的,，就是盡可能為未來載人登月做技術(shù)儲(chǔ)備。

據(jù)官方介紹,，嫦娥五號(hào)探測(cè)器將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)：突破一系列關(guān)鍵技術(shù),，提升我國航天技術(shù)水平；實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回,，推進(jìn)我國科學(xué)技術(shù)重大跨越,。另外,，完善探月工程體系,，為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ),。

于登云說,，載人登月必然要在月球軌道交會(huì)對(duì)接，這是最安全也最經(jīng)濟(jì)的方式。美國阿波羅計(jì)劃就是這么做的,，他們?cè)谳d人登月之前,，也做過月球軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。

“所以我們通過無人采樣返回兼顧了兩件事,，這應(yīng)該是中國方案最大的亮點(diǎn),。”他說,。

嫦娥五號(hào)軌道器與返回器向地球返回效果圖。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

最年輕的月球土壤

自1976年以后,，全球再也沒有探測(cè)器在月面進(jìn)行過探測(cè),。直到2013年起，中國的嫦娥三號(hào),、四號(hào)和五號(hào),，重啟了月面探測(cè)。

半個(gè)世紀(jì)前,，美蘇從月球帶回的300多千克樣品,，為人類認(rèn)識(shí)月球和太陽系，遞過來一把鑰匙,。通過對(duì)月壤樣品的分析,，科研人員確定，月壤由微小的桔紅色玻璃形式顆粒構(gòu)成,，這些顆粒一般富含鋁,、硫和鋅，在月殼部分融化過程中,，在月面下約300千米深處形成,，后因火山活動(dòng)而噴出到月面。

美國航天員鉆取了3米深的月球巖芯,，發(fā)現(xiàn)土壤多達(dá)57層,，每一層就是一次隕石沖擊，還測(cè)量了月球內(nèi)部發(fā)出的熱流,，從而結(jié)束了100多年來關(guān)于月球是冷還是熱的爭論,。尤其重要的是，1985年科學(xué)家們通過樣品分析,，證實(shí)了月球上存在核能源氦-3,，為后來月球研究和探測(cè)注入了巨大動(dòng)力。

“氦-3是理想,、安全,、高效的核聚變?nèi)剂?，這種資源地球上很少，只有10噸到15噸左右,，而月球上的氦-3至少有約100萬噸,。如果開發(fā)出來進(jìn)行核聚變發(fā)電，能滿足地球上一萬年的能源使用,?！饼嬛普f。

科學(xué)家從月球上發(fā)現(xiàn)了越來越多可以利用的元素,，比如土壤和巖石中可以制取水和氧,，氧化鐵的含量也很高。這些元素都可以加以利用,，成為未來建立月球基地的能量來源,。

此次嫦娥五號(hào)采集的樣品，又將帶來什么新的訊息,？

根據(jù)相關(guān)介紹,，嫦娥五號(hào)將在月球正面最大的月海風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，此地從未有其他國家的探測(cè)器到訪過,。這里存在大約13億至20億年前的玄武巖,，人類目前尚未有這一時(shí)段的月球樣本。獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡,，將有助于推進(jìn)對(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí),。

《自然》雜志近日發(fā)表的文章稱，此前對(duì)月壤樣品的研究表明,，月球上的火山活動(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰,，然后減弱并停止。但對(duì)月球表面的觀測(cè)發(fā)現(xiàn),，某些區(qū)域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖,，這與嫦娥五號(hào)著陸地區(qū)的年齡相仿。

如果嫦娥五號(hào)采回的樣本能夠證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng),，將改寫對(duì)月球歷史的認(rèn)識(shí),。

嫦娥五號(hào)著陸器與上升器組合體向月表降落效果圖,。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

探月16年,，進(jìn)擊的航天科技

從2004年正式開展探月，到2007年嫦娥一號(hào)發(fā)射,，到今天嫦娥五號(hào)任務(wù)實(shí)施,，一次又一次實(shí)現(xiàn)的“史詩級(jí)”遠(yuǎn)征，背后是航天科技和基礎(chǔ)工業(yè)日復(fù)一日的進(jìn)步,。

以航天器核心技術(shù)——發(fā)動(dòng)機(jī)為例,。嫦娥五號(hào)地月往返76萬多公里的征程中，中國航天科技集團(tuán)有限公司六院研制了107臺(tái)大小發(fā)動(dòng)機(jī),。其中,，長征五號(hào)火箭上使用了30臺(tái)，嫦娥五號(hào)上則有多達(dá)77臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),。

為了確保嫦娥五號(hào)探測(cè)器能平穩(wěn)在月球著陸,，并從月球返回地球，研制團(tuán)隊(duì)為探測(cè)器量身定做了兩款3臺(tái)新型發(fā)動(dòng)機(jī),，成為嫦娥五號(hào)探月返鄉(xiāng)最重要的核心技術(shù),。

其中兩臺(tái)3000N發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為軌道器和上升器提供動(dòng)力,。上升器上的那臺(tái)3000N發(fā)動(dòng)機(jī),，承擔(dān)了前所未有的全新任務(wù)：在月球表面點(diǎn)火起飛，相當(dāng)于將上升器變?yōu)樵虑蛏弦幻段⒖s版的運(yùn)載火箭,。另外,，一臺(tái)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，將幫助“采樣分隊(duì)”在月面安全著陸,。

這些發(fā)動(dòng)機(jī)要求性能指標(biāo)高,、推進(jìn)劑使用效率高，但質(zhì)量又要足夠輕,，能經(jīng)受嚴(yán)酷的溫度環(huán)境,。這是我國航天器中迄今最復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)，難度極高,。

7500N發(fā)動(dòng)機(jī)流量調(diào)節(jié)器上的零件加工,，公差精度都是微米級(jí)，也就是一根頭發(fā)絲的1/80,。在一般機(jī)加行業(yè),，這超越了現(xiàn)有生產(chǎn)能力，但航天工匠完成了這一目標(biāo),。

大火箭的成熟,，也是航天基礎(chǔ)能力中的重要一環(huán)。

公開消息中,，嫦娥五號(hào)的任務(wù)時(shí)間,，經(jīng)歷過多次推遲。最早計(jì)劃2017年發(fā)射,，后來推遲到2019年,，又再次推遲到2020年。主要原因在于長征五號(hào)火箭的研發(fā)進(jìn)度所致,。長征五號(hào)于2016年首飛,，2017年7月的第二次飛行遭遇失利,，其后經(jīng)歷了2年多的停頓，才于2019年年末再次成功飛行,。

一年來,，長征五號(hào)系列（包括一次長征五號(hào)B）密集進(jìn)行了4次發(fā)射，均取得成功,，應(yīng)用性發(fā)射順利起步,，終于將嫦娥五號(hào)順利送入太空。航天科技集團(tuán)一院長五研制團(tuán)隊(duì)人員表示,，成熟是在一步一步的嚴(yán)謹(jǐn)工作中逐漸累積起來的,，目前長五只經(jīng)過了幾次發(fā)射，還處于起步階段,，還得時(shí)刻保持警醒,。

長征五號(hào)的研制和成熟，不僅是航天技術(shù)的一項(xiàng)突破,，也是其后一系列重大航天任務(wù)的基礎(chǔ),，例如后續(xù)的空間站建設(shè)發(fā)射任務(wù)、行星探測(cè),、小行星探測(cè),、高軌大衛(wèi)星發(fā)射等。

同樣,，月球采樣返回任務(wù)的技術(shù)突破,，也將成為后續(xù)一系列任務(wù)的先聲。目前的規(guī)劃中,，除了繼續(xù)在月球?qū)嵤┎蓸臃祷氐逆隙鹆?hào)任務(wù),，我國還將實(shí)施小行星采樣返回探測(cè)和火星采樣返回探測(cè)，都將利用嫦娥五號(hào)任務(wù)的技術(shù),。

據(jù)探月元老葉培建院士等在一篇論文中透露,，2030年前，我國將實(shí)施火星采樣返回探測(cè)任務(wù),?；鹦遣蓸臃祷嘏c月球又不同，將進(jìn)行兩次發(fā)射,，相當(dāng)于將嫦娥五號(hào)的兩個(gè)“分隊(duì)”分成兩次發(fā)射,，以滿足現(xiàn)有的運(yùn)載能力。

新京報(bào)記者倪偉