原標(biāo)題：嫦娥五號取月壤，中國探月的“一小步”

月球上空的嫦娥五號效果圖,。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

新京報訊（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）,，中國的嫦娥五號探測器從地球出發(fā),，計劃取回約2千克月球土壤。

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

來自另一個星球的巖石和土壤，蘊含著遠(yuǎn)古的信息,。嫦娥五號計劃著陸的風(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，嫦娥五號將獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡,，有助于推進(jìn)對月球火山活動和演化歷史的認(rèn)識,。

嫦娥五號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的“一大步”,。未來一系列航天任務(wù),，包括對火星、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任務(wù)的技術(shù)。

嫦娥五號飛行效果圖,。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贈送的禮品，由阿波羅17號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0.5克的月巖,，學(xué)者花了4個月研究其化學(xué)成分、同位素,、礦物質(zhì),、采集地點等，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。現(xiàn)在,，中國計劃帶回2千克,。這是1976年蘇聯(lián)“月球24號”任務(wù)后，人類第一次從月球采集樣品,。

全國空間探測技術(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等提供新的信息,，這將幫助中國人在月球研究領(lǐng)域為全球做出貢獻(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——月球和火星上試驗生存技術(shù),，月球是最理想和最現(xiàn)實的中轉(zhuǎn)站。

因此,，各國持續(xù)地對月球乃至火星進(jìn)行探測,。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,，還是把月球資源運回地球,，甚至是作為探測深空的補給站，都更容易實現(xiàn),。

沉寂40多年以后,，近年來，月球再次成為深空探測熱土,。不僅中國近十幾年在月球探測中屢次實現(xiàn)突破,，美國和俄羅斯也提出了重返月球的計劃，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,。

中國探月一步一個腳印,，小尺度來看，探月分為“繞落回”三步,，嫦娥一號實現(xiàn)了“繞”,，嫦娥三號實現(xiàn)了“落”，此次嫦娥五號將實現(xiàn)“回”,。更大尺度來看,，中國月球計劃分為“探、登,、駐”三個步驟,，在探月之后，還將努力實現(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“小目標(biāo)”,。

嫦娥五號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。嫦娥五號在嫦娥三號,、四號落月的基礎(chǔ)上,，還將實現(xiàn)一系列從未有過的高難度操作,。

8.2噸的嫦娥五號，由四個器組成,，包含15個分系統(tǒng),。這四個器是單獨的個體，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”,；軌道器和返回器組合成“軌道返回組合體”,，即“繞月分隊”。

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

在月球軌道上，“采樣分隊”和“繞月分隊”分離,，“繞月分隊”繼續(xù)環(huán)繞在月球軌道,，“采樣分隊”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上點火起飛，在月球軌道上與“繞月分隊”對接,。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,，可能會撞毀,。

為此，嫦娥工程中罕見地增加了一次試驗飛行的任務(wù),，目的是驗證一種特殊的返回方式,。這就是2014年實施的探月三期再入返回飛行試驗器——“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)是第一次實施，直接關(guān)系到探月三期工程的成敗,，如果不事先驗證,，將留下巨大風(fēng)險。

“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“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,，也使航程和落點達(dá)到理想的結(jié)果,。這次，嫦娥五號返回器就將這么回來,。

嫦娥五號上升器與軌道器返回器組合體交會對接效果圖,，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證技術(shù)

“整個過程都很復(fù)雜，每個環(huán)節(jié)都不能出錯,，否則整個任務(wù)就受到影響,。”于登云說,，其中最重要的創(chuàng)新,，是嫦娥五號四個器在月球軌道的分離和對接。

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)中沒有采用交會對接，探測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,。嫦娥五號雖然也是無人采樣返回，卻讓探測器“分兵作戰(zhàn)”,，以交會對接的方式轉(zhuǎn)移樣品和返回,。

為什么不像蘇聯(lián)一樣，讓探測器直接飛回地球呢,？主要是因為我國目前火箭運載能力的限制,，無法在一開始就攜帶足夠的燃料，讓探測器可以整體著陸,、起飛,。

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

人們常將兩個航天器的交會對接形容為“太空之吻”,。如果地球軌道上的飛船與空間站對接是“吻”，那么,，遠(yuǎn)在月球軌道上的嫦娥五號對接,，因為更遠(yuǎn)的距離、更小的對接機構(gòu),、自動的對接程序等條件,，堪比“太空穿針”。

雖然我國已掌握空間交會對接技術(shù),，進(jìn)行了多次飛船的交會對接,，但神舟飛船的交會對接是在400公里左右高度的地球軌道，而嫦娥五號是在距地球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,，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控精度、月球軌道敏感器交互,、輕小型航天器對接等多項技術(shù),。

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

據(jù)官方介紹,，嫦娥五號探測器將重點實現(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,；實現(xiàn)首次地外天體自動采樣返回,，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對接，這是最安全也最經(jīng)濟(jì)的方式,。美國阿波羅計劃就是這么做的,，他們在載人登月之前，也做過月球軌道交會對接試驗,。

“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?！彼f。

嫦娥五號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，全球再也沒有探測器在月面進(jìn)行過探測,。直到2013年起,，中國的嫦娥三號、四號和五號,，重啟了月面探測,。

半個世紀(jì)前，美蘇從月球帶回的300多千克樣品,，為人類認(rèn)識月球和太陽系,，遞過來一把鑰匙。通過對月壤樣品的分析,，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,，證實了月球上存在核能源氦-3，為后來月球研究和探測注入了巨大動力,。

“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)對月球火山活動和演化歷史的認(rèn)識,。

《自然》雜志近日發(fā)表的文章稱,，此前對月壤樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止,。但對月球表面的觀測發(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，這與嫦娥五號著陸地區(qū)的年齡相仿,。

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

嫦娥五號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年嫦娥一號發(fā)射,，到今天嫦娥五號任務(wù)實施，一次又一次實現(xiàn)的“史詩級”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)動機為例。嫦娥五號地月往返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臺大小發(fā)動機,。其中，長征五號火箭上使用了30臺,，嫦娥五號上則有多達(dá)77臺發(fā)動機,。

為了確保嫦娥五號探測器能平穩(wěn)在月球著陸，并從月球返回地球,，研制團(tuán)隊為探測器量身定做了兩款3臺新型發(fā)動機,，成為嫦娥五號探月返鄉(xiāng)最重要的核心技術(shù)。

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

這些發(fā)動機要求性能指標(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)動機流量調(diào)節(jié)器上的零件加工，公差精度都是微米級,，也就是一根頭發(fā)絲的1/80,。在一般機加行業(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,，嫦娥五號的任務(wù)時間，經(jīng)歷過多次推遲,。最早計劃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火箭的研發(fā)進(jìn)度所致,。長征五號于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,，長征五號系列（包括一次長征五號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,，終于將嫦娥五號順利送入太空,。航天科技集團(tuán)一院長五研制團(tuán)隊人員表示，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，還得時刻保持警醒,。

長征五號的研制和成熟,，不僅是航天技術(shù)的一項突破，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、小行星探測,、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柸蝿?wù)，我國還將實施小行星采樣返回探測和火星采樣返回探測,，都將利用嫦娥五號任務(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,，我國將實施火星采樣返回探測任務(wù),。火星采樣返回與月球又不同,，將進(jìn)行兩次發(fā)射,，相當(dāng)于將嫦娥五號的兩個“分隊”分成兩次發(fā)射，以滿足現(xiàn)有的運載能力,。

新京報記者倪偉