原標題：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,，蘊含著遠古的信息,。嫦娥五號計劃著陸的風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,，有助于推進對月球火山活動和演化歷史的認識。

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)域迄今最復雜,、難度最大的任務(wù)之一，標志著探月工程“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,。

中國學者將其一分為二，一半收藏,，一半研究,。面對0.5克的月巖，學者花了4個月研究其化學成分,、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,，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轟擊等空間風化作用后形成的。通過研究月壤,，能進一步了解月球狀態(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,。

更長遠來看,，人類如果有移民外星的遠大理想,，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行探測。中國空間技術(shù)研究院研究員果琳麗認為,，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”。

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,、中國航天科技集團有限公司科學技術(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,。當嫦娥五號以第二宇宙速度向地球沖來，如果一猛子扎進大氣層,，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,，將留下巨大風險,。

“嫦娥-5T”當年并沒有落月，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”,。“嫦娥-5T”進入大氣層后,，借助大氣層的升力又躍出來,，然后再次進入。一進一出,，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/中國航天科技集團八院

高難度方案為載人登月驗證技術(shù)

“整個過程都很復雜，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,，遠在月球軌道上的嫦娥五號對接，因為更遠的距離,、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,，難以進行人工干預,，完全依靠自主進行。同時,，也無法借助導航衛(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：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,，推進我國科學技術(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,。”他說,。

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,。

半個世紀前，美蘇從月球帶回的300多千克樣品,，為人類認識月球和太陽系,，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，將有助于推進對月球火山活動和演化歷史的認識,。

《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/中國航天科技集團八院

探月16年,，進擊的航天科技

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”遠征，背后是航天科技和基礎(chǔ)工業(yè)日復一日的進步,。

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,，承擔了前所未有的全新任務(wù)：在月球表面點火起飛，相當于將上升器變?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)動機要求性能指標高,、推進劑使用效率高,，但質(zhì)量又要足夠輕，能經(jīng)受嚴酷的溫度環(huán)境,。這是我國航天器中迄今最復雜的推進系統(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。

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。航天科技集團一院長五研制團隊人員表示,，成熟是在一步一步的嚴謹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)?；鹦遣蓸臃祷嘏c月球又不同,，將進行兩次發(fā)射，相當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