嫦娥五號任務實現了我國首次月面採樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、攜帶樣品再入返回等多項重大突破，其成功實施標誌著我國探月工程「繞、落、回」三步走規劃如期完成。
全文8105字，閱讀約需16分鐘
▲內蒙古四子王旗著陸區現場的嫦娥五號返回器。來源國家航天局
12月17日1時59分，嫦娥五號返回器攜帶月球樣品在內蒙古四子王旗預定區域安全著陸，探月工程嫦娥五號任務取得圓滿成功。中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席習近平發來賀電，代表黨中央、國務院和中央軍委，向探月工程任務指揮部並參加嫦娥五號任務的全體同志致以熱烈的祝賀和誠摯的問候。
習近平在賀電中指出，嫦娥五號任務作為我國複雜度最高、技術跨度最大的航天系統工程，首次實現了我國地外天體採樣返回。這是發揮新型舉國體制優勢攻堅克難取得的又一重大成就，標誌著中國航天向前邁出的一大步，將為深化人類對月球成因和太陽系演化歷史的科學認知作出貢獻。對你們的卓越功勳，祖國和人民將永遠銘記。
習近平強調，人類探索太空的步伐永無止境。希望你們大力弘揚追逐夢想、勇於探索、協同攻堅、合作共贏的探月精神，一步一個腳印開啟星際探測新徵程，為建設航天強國、實現中華民族偉大復興再立新功，為人類和平利用太空、推動構建人類命運共同體作出更大的開拓性貢獻。
國務委員王勇在北京航天飛行控制中心嫦娥五號任務飛控現場宣讀了習近平的賀電。
嫦娥五號任務實現了我國首次月面採樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、攜帶樣品再入返回等多項重大突破，其成功實施標誌著我國探月工程「繞、落、回」三步走規劃如期完成。
▲80秒回顧嫦娥五號探月任務高光時刻。新京報時政新聞部出品
━━━━━
嫦娥五號帶回的2千克樣品，有怎樣的價值？
▲北京天文館收藏的0.5克月球巖石樣本，由阿波羅17號飛船於1972年從月球採集。圖/北京天文館
這趟旅程困難重重、充滿風險，嫦娥五號執行的多個任務都是中國首次嘗試。拼命帶回的這2千克樣品將會帶來什麼研究成果，會產生怎樣的深遠影響？
從風暴洋採回全新樣品
2006年起，半克月巖一直在北京天文館展出。次年，嫦娥一號發射升空，之後每次嫦娥探測器發射，北京天文館都會迎來特意觀看月巖的觀眾。
這半克月巖是來自美國的禮物，由阿波羅17 號飛船的航天員帶回地球。1978年，美國總統卡特安全事務顧問布熱津斯基訪問中國時將之作為贈禮。中國學者將其分為兩半，一半用來研究，一半用來展示。
「這些年我們圍繞這半克月巖策劃了不少活動，跟觀眾介紹月球相關的知識。不過畢竟還是美國贈送的，我們更希望自己國家採集的月球樣品，未來也能放在天文館，讓老百姓能夠近距離接觸。」北京天文館名譽館長朱進告訴記者。
中國月球探測工程首任首席科學家歐陽自遠院士曾回憶，利用這半克月巖，當時中國學者花了4個月研究其化學成分、同位素、礦物質、採集地點等，發表了14篇研究文章，研究結果讓美國同行信服。
月球的巖石和土壤，被認為對於研究太陽系有特殊的價值。全國空間探測技術首席傳播專家龐之浩介紹，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後形成的。通過研究月壤，能進一步了解月球狀態、物質含量、地質演化歷史，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域為全球做出貢獻。
此次嫦娥五號降落的地點，位於月球正面風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，從未有探測器到訪過。這裡存在大約13億至20億年前的玄武巖，對人類來說是全新的月球樣本。
《自然》雜誌文章稱，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，然後減弱並停止。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，這與嫦娥五號著陸地區的年齡相仿。
「嫦娥五號降落的地點有別於以前的採樣地點，有可能做出更新的研究成果，填補以前的研究。」朱進說。除了月球樣品，研究人員還利用落到地球的月球隕石開展研究，但是隕石經歷過複雜環境，與直接採自月球的純淨樣品相比，後者更為重要。
▲嫦娥五號著陸於風暴洋北部呂姆克山脈附近，從未有探測器到訪過，黃色為嫦娥五號著陸器著陸區。圖/國家航天局
樣品研究有助於月球資源利用
上世紀六七十年代，美國和蘇聯通過有人和無人採樣的方式，總共從月球帶回380多千克樣品。這些樣品讓人類對月球和太陽系有了更深入的認識。
例如，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，後因火山活動而噴出到月面。
美國航天員鑽取了3米深的月球巖芯，發現土壤多達57層，每一層就是一次隕石衝擊。科學家還通過樣品分析，證實了月球上存在核能源氦-3，為後來月球研究和探測注入了巨大動力。
龐之浩說，氦-3是理想、安全、高效的核聚變燃料，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。如果開發出來進行核聚變發電，能滿足地球上一萬年的能源使用。」
科學家發現，月球土壤和巖石可以製取水和氧，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，這對建立月球基地的方式和路徑產生了極大的影響。
NASA科學家表示，希望目前新一輪的樣品研究可以推動更實際的月球開發。例如，通過使用月球資源，包括可用於製造火箭燃料或氧氣的水冰，使航天員在月球上開展更深入的探索。這些樣品也可能幫科學家探究月球極地冰層的成因，以及其他可能用於未來勘探的資源。
▲2019年11月，NASA研究人員時隔近50年打開阿波羅17號採回的月球樣品，用現代科技對其開展研究。圖/NASA
兩千克樣品的研究成果，應讓公眾知曉
雖然已經有近50年沒有採集新的樣品，但對月球樣品的研究持續至今。
時隔40多年之後，2019年11月5日，美國航空航天局在休斯頓詹森航天中心重新打開了一批阿波羅飛船帶回的月球樣品。科學家從試管中提取樣品，然後送去給研究團隊進行研究。
自從阿波羅時代以來，所有返回地球的月球樣品都存放在實驗室中。其中大多數經過了充分研究，許多樣品至今仍在被研究。但是，美國航空航天局還決定封存一些，以便未來使用更先進的技術進行分析。
去年打開的這批樣品是阿波羅17號帶回來的，包括月球巖石和土壤，被封藏了近50年，從未被接觸過，與北京天文館的月巖屬於同一批。ANGSA科學家說，相比阿波羅計劃開展的年代，由於過去50年的科技進步，科學家們有機會以以前不可能的方式分析這些樣本，進行當時無法開展的檢測。現在再度啟動研究，有望獲得關於月球的新發現，使阿波羅計劃的科學效益最大化。
同時，拿出一部分阿波羅計劃的樣品，也能讓新一代科學家練練手，為2020年代開始的未來登月任務做好準備。美國正在推進Artemis月球計劃，計劃2024年前讓兩名航天員登陸月球，並帶回樣品。到時候，新一代科學家將有新的研究任務了。
隨著嫦娥五號返回，中國科學家也等到了嚮往已久的研究對象。「這兩公斤的樣品很寶貴，參與研究的機構需要一定的能力和基礎，我們也希望以後能夠參與這方面的研究工作。」朱進說。
朱進還提到，嫦娥五號整個任務過程，讓廣大公眾非常關注，未來的研究成果也應該讓公眾知曉，發揮社會效益，因此圍繞這兩千克樣品的展示傳播非常重要。他認為，天文館等機構的主要職能是科普，應該承擔起責任，及時展示、傳播這2千克樣品的研究成果。
━━━━━
出發容易回家難
嫦娥五號為什麼打個「水漂」才能到家？
深夜蒼穹中，嫦娥五號的回家之路蘊含著重重威脅：返回器能否準確回到著陸區域上空？降落傘能否準時打開並切斷？在通信的「黑障區」，太空飛行器能否作出自主判斷？
最具不確定性的一環，是返回器將兩次進入大氣層，仿佛打了個水漂。這個「水漂」會不會讓它滑得太遠，以至於找不到家？
這個「水漂」學名是「半彈道跳躍式再入返回」，是比航天員返回還要複雜的技術。在嫦娥五號任務的尾聲，這場太空「水漂」貢獻了最後一幕驚險的表演。
地球家門難進
今天凌晨，在到達地球5000公裡之外時，嫦娥五號的「快遞小哥」軌道器與「月球快件」返回器分離，小小的返回器攜帶2千克月球樣品，獨自踏上回家路。
返回器以11.2公裡/秒的第二宇宙速度急速衝向地球，在距離地面120公裡高度，像一顆彈頭扎入大氣層。很快，藉助大氣層的升力，彈頭又躍了出來，回到太空。到達最高點之後，再次下降，二度進入大氣層。
一出一進，返回器慢了下來，從第二宇宙速度降到8公裡/秒左右的第一宇宙速度。接下來，它跟以前的神舟飛船返回艙一樣，一邊穿越大氣層一邊減速，在地面十公裡上空打開降落傘，緩緩墜地。
回收神舟飛船返回艙，四子王旗著陸場已經駕輕就熟，而這次回收，讓著陸場面臨新的難題。差別主要在於速度。
「神舟飛船從200公裡左右的近地軌道返回，嫦娥五號則是從38萬公裡之外的月球飛回，速度要快得多。」航天技術專家、空氣動力學家黃志澄告訴新京報記者，如果採用神舟飛船同樣的防熱技術和返回方式，一不小心，返回器可能會撞毀或者燒壞。
漫漫徵途，不能在家門口摔倒。
安全返回，一直是嫦娥五號任務的幾大難點之一。早在十年前嫦娥五號立項之初，航天專家就為此頭疼。中國探月工程副總設計師於登雲曾回憶，以王禮恆院士為代表的航天專家認為，嫦娥五號高速返回是我國首次嘗試，與任務成敗息息相關，如果不事先驗證，風險是巨大的。
為此，在嫦娥一號到五號探測器之外，嫦娥工程中增加了唯一一次試驗飛行任務，專門驗證嫦娥五號的返回方案。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。
「嫦娥-5T」當年沒有落月，在月球飛了幾圈之後便返回地球，重頭戲是在地球大氣層打個「水漂」，先降速再返回。
這種「半彈道跳躍式再入返回」技術方案，使結構和防熱系統的壓力都得到緩解，也使航程和落點達到理想的結果。這次，嫦娥五號返回器就是這麼回來的。
▲探月三期再入返回飛行試驗器返回過程和軌跡。圖/《中國科學》雜誌
「太空水漂」返回術
從月球高速返回，人類並沒有多少可選的路徑。要麼「硬衝」，也就是彈道式再入；要麼藉助大氣層摩擦力緩衝，先減一次速，也就是半彈道跳躍式再入。
蘇聯於1968年發射的探測器6號完成繞月飛行後，首次實現了跳躍式再入返回，隨後美國阿波羅飛船帶著航天員和樣品返回時，也採用這種方式。而蘇聯的「月球」系列、 美國的「星塵」和「起源」，以及日本的「隼鳥」等無人深空探測器，採用了較簡單的彈道式再入方式，也就是直接返回。
兩種方式各有優劣。採用彈道式直接再入的返回艙，無法進行姿態和軌道的調節，對軌道設計、分離釋放和落點預報能力要求很高；而半彈道跳躍式的返回艙比較靈活，但系統配置和制導控制方案更為複雜，質量也要大得多。
從全球來看，無人採樣返回任務中兩種方式都採用過，載人深空探測任務則採用半彈道跳躍式再入方式。
解決完返回方式的問題，嫦娥五號還需要應對一個致命的威脅——高溫。
黃志澄告訴新京報記者，防熱是這次返回中嫦娥五號面對的大難題。由於返回速度過高，若防熱技術不過關，有可能在大氣層高速摩擦中燒毀。另外，跳躍式再入方式使得防熱結構表面經歷高溫、低溫、再次高溫的歷程, 熱衝擊有可能導致防熱層表面開裂。
防熱設計有兩個重要的目標：降低熱流密度和總加熱量。熱流密度過大，可能燒穿返回器頭部和一些部位。熱流密度與半徑的開方值成反比，也就是說，物體越小熱流密度越大。此次嫦娥五號返回器比神舟返回艙小得多，只有後者的七分之一，降低熱流密度難度陡增。而總加熱量越大，防熱系統就要設計得越厚、越重，為了給太空飛行器減重，必須控制總加熱量。
「另外，再入軌道和防熱系統的設計，還要儘可能降低過載和提高落點精度。」黃志澄說。過載就是加速度，過載如果太大，不僅航天員的身體受不了，月壤在返回器內也可能受到影響。
▲嫦娥五號返回器再入大氣層（模擬圖）。圖/航天科技集團八院
為載人登月練功夫
黃志澄認為，嫦娥五號之所以要攻克「打水漂」的難題，是為了兼顧長遠目標，為未來更複雜的深空探測返回積累經驗。「未來如果從火星等更遠的星球採樣返回，速度會更快，我們積累了多種返回技術，可以讓未來有更多選擇。」
此次嫦娥五號的任務，主要是完成月球採樣返回。但其蘊含的多項技術創新，有著提前探路的考慮。比如，月球軌道上的交會對接，很可能就是載人登月交會對接的雛形。據官方介紹，嫦娥五號三大工程目標之一，就是為載人登月和深空探測奠定一定的人才、技術和物質基礎。
於登雲說，中國通過這次無人採樣返回兼顧了兩件事，這是中國方案最大的亮點。
嫦娥五號的返回，建立在我國近50年的太空飛行器返回基礎之上。中國最早的太空飛行器返回始於上世紀60年代末的探空火箭，後來經歷返回式衛星、飛船返回艙，技術一步步成熟。
未來，中國還將面臨更複雜的返回任務。嫦娥一號衛星總設計師葉培建、嫦娥五號探測器總設計師楊孟飛等人曾在論文中提出，火星巡視探測、有大氣天體的進入探測乃至載人登月等，都將面臨進入和再入的難題。在深空探測再入返回和有大氣天體進入技術方面, 我國還應繼續深入開展研究，包括氣動外形、防熱材料、導航手段、降落傘、測控等環節。
「月球很特殊，表面沒有大氣，因此不存在進入的問題。但是未來探測器如果要進入有大氣的星球，比如火星，在著陸時就會面臨同樣的考驗。」黃志澄說，嫦娥五號的探索，讓我們手握更多打開深空之門的鑰匙。
━━━━━
四子王旗著陸場首迎外星來客
▲嫦娥五號軌道器和返回器組合體經過兩次月地轉移入射和三次軌道修正，回到地球附近。圖/國家航天局
位於內蒙古中部阿木古郎草原腹地的四子王旗，人煙罕至，覆蓋著茫茫草原和白雪，因為太空飛行器返回「母港」的身份而聞名於世。神舟與嫦娥回家，為何選在了這片陸地？
嫦娥五號著陸區為神舟返回艙16倍
為了迎接嫦娥五號返回器，四子王旗提前多天就在等待。
據報導，嫦娥五號返回前，搜救回收大隊在冰雪的夜間進行了近30次著陸區地形勘察，開展了3次夜間搜索回收專項訓練、1次積雪暗夜極寒條件搜索回收演練、3次全系統綜合演練。
「在歷次神舟飛船返回任務中，四子王旗著陸場系統都表現得很好，可以說是經驗豐富。」航天技術專家、空氣動力學家黃志澄說。
不過，與神舟飛船返回艙相比，嫦娥五號返回器體積只有其約1/7，著陸面積卻是其16倍。在冰天雪地的夜間尋找如此小的目標，難度比飛船返回艙回收更高。
返回地球的太空飛行器，包括載人飛船返回艙、無人採樣返回器、返回式衛星，以及近年來越來越多的可重複使用火箭。
太空飛行器返回的著陸場設在何處，各國有不同選擇，主要取決於地域和技術條件。
美國有廣闊的領海，發射場也都在沿海地帶，因此以海上著陸為主。不僅航天員總是乘坐返回艙濺落在海上，近年來SpaceX的可重複火箭返回，也越來越多落在海上平臺。
而俄羅斯與中國都選擇了陸上著陸場，俄羅斯的著陸場在拜科努爾發射場東北的哈薩克斯坦草原上，中國的主著陸場位於內蒙古的四子王旗。
從神舟一號開始，20餘年間，四子王旗已經成功回收過11個神舟飛船的返回艙，迎接了14人次航天員回到地球。其間，還回收了探月三期試驗器、返回式衛星等太空飛行器，可謂身經百戰。
黃志澄說，為了迎接太空飛行器返回，需要一系列指揮、測控、跟蹤等設施，以及搜尋隊伍的支持，四子王旗著陸場已經有了成熟的隊伍和技術。此次嫦娥五號返回，就用上了這一套系統。
▲2014年11月1日，探月三期再入返回飛行試驗返回器在內蒙古四子王旗預定區域著陸，這次試驗為嫦娥五號驗證了返回技術。圖/國家航天局官網
主著陸場為何選中四子王旗？
海上與陸上著陸各有優勢，海上著陸對陸地人口、建築、生態威脅較小，海面也能緩衝返回艙著陸的衝擊力。
黃志澄曾參與中國載人航天工程的研究論證，他向新京報記者回憶，早年中國做載人航天論證時，曾考慮過海上著陸方案，但由於當時中國海上搜救力量不足，最終放棄。
對陸上著陸場的要求，不僅是空曠而已，還需要一些必備條件。黃志澄介紹，太空飛行器返回的時候，有自己的固定路線。而且一般來說，返回艙的機動能力有限，自主「變道」的空間較小。因此，返回場應該儘量選在太空飛行器軌道的下方，內蒙古就是返回艙、返回器軌道經過的地方。
太空飛行器返回有一定的危險性，著陸區域一般要地勢比較開闊、人口較少、建築物密度小，不至於發生危險。四子王旗的地表足夠堅硬，沒有大的河流，能保證太空飛行器不會陷入泥中或掉進水裡。另外，四子王旗還有氣候上的優勢，常年乾燥少雨，晴天較多，氣候穩定。
「還有一點也很重要，就是四子王旗與酒泉衛星發射中心相對來說不是太遠，如果未來太空飛行器可以重複利用，拉回到發射中心也會比較方便。」黃志澄說。
我國著陸場系統首任總設計師曾透露，在主著陸場遴選的早期，根據飛船軌道傾角，河南開封至駐馬店以東長約200公裡、寬約100公裡的區域曾被青睞。但後來綜合考慮回收傘型調整和房屋、樹木等因素，根據1993年到1996年間在內蒙古草原綜合考察結果，主著陸場最終花落四子王旗。
中國太空飛行器著陸場不止四子王旗
中國的太空飛行器著陸場，並不只有一個四子王旗。
今年5月8日中午，我國新一代載人飛船試驗船返回艙回家，著陸在東風著陸場。據媒體報導，該著陸場位於巴丹吉林沙漠。較之四子王旗，這裡距離酒泉衛星發射中心還要近得多。
這艘試驗船未來將是神舟飛船升級版，單艘可以搭乘6~7人，比神舟飛船3人承載量提升一倍。據媒體報導，東風著陸場相關部門負責人介紹，試驗艙的成功回收，檢驗了著陸場各系統的搜索回收能力，為執行我國空間站建設階段的航天員搜救任務，打下了堅實基礎。
這意味著，我國空間站建設階段航天員的返回，或將在東風著陸場。根據官方消息，我國將在2022年前後建成空間站。
我國載人航天系統中，還設立了陸上和海上應急救生區，以應對發射中臨時救生的需求。陸上應急救生區從發射場到江蘇連雲港海濱一線，海上的3個救生區，位於黃海和東海海面，一島鏈和二島鏈之間的太平洋洋面，以及馬裡亞納群島以東、關島以北的太平洋洋面。
四川也曾有一個太空飛行器回收地，我國以前返回式衛星大多在四川遂寧著陸。
早期，衛星拍攝的底片需要帶回地球，經過衝洗才能使用。現在衛星數據可以實時傳輸到地面，返回式衛星數量因此大大減少，少量返回式衛星主要作為回收實驗品的空間試驗室。
遂寧從上世紀七十年代就成為返回式衛星回收地，因為衛星軌道經過遂寧附近的上空，是衛星返回的必經之地。當地是盆地的淺丘地帶，農村人口分散居住，發生事故的機率也很小。
不過，畢竟位於人口較為稠密的四川，返回式衛星著陸地難以徹底避開人煙，偶爾會降落在村民的農田裡。2004年的一顆返回式衛星，甚至降落在遂寧市大英縣城區的一座三層樓頂，砸壞了屋頂，引發全城關注，所幸無人傷亡。
2016年，我國時隔十年再次發射返回式衛星——「實踐-10」科學實驗衛星，這顆衛星降落在四子王旗。衛星研製方航天科技集團五院當時介紹，主要是由於遂寧山區人員密度增大，新建房屋林立，為保護當地百姓的人身和財產安全，同時也為了衛星搜尋回收，於是放棄了遂寧，選擇回收條件比較成熟的四子王旗。
▲2016年11月，航天回收隊員在四子王旗為神舟十一號返回進行演練，遠處為參與搜尋的直升機。圖/航天科技集團官網
從探空火箭到嫦娥，中國太空飛行器回收往事
航天科技集團五院508所太空飛行器返回技術專家黃偉曾撰文介紹，中國太空飛行器回收的首次嘗試，是1960年 4月17日，T7M－003探空火箭乘降落傘降落在東海之濱，取得我國太空飛行器回收著陸首次成功。1966年發射的兩枚T-7A火箭，還實現了小狗上天的回收著陸。
其後是返回式衛星的回收。1976年12月10日，508所首次回收科學實驗衛星回收艙，使我國成為第三個實現衛星回收的國家。截至目前，我國完成了7個型號返回式衛星回收，共計25次發射飛行試驗，從未失手。
載人飛船返回艙的回收，從20世紀70年代後期曙光一號飛船的醞釀，到80年代「天地往返運輸系統」的論證，再到1992年立項的神舟飛船回收著陸系統，逐漸走進現實。
除了神舟返回艙的回收，2014年，四子王旗還迎來了特殊的歸人——探月三期飛行試驗器，這也是嫦娥五號的先行者。試驗器在繞月飛行後，以接近第二宇宙速度進入大氣層，採用特殊的半彈道跳躍的方式再入返回。至此，我國太空飛行器回收技術達到了滿足深空探測返回的水平。
6年以後的今天，隨著從月面起飛的嫦娥五號返回器緩緩著陸，四子王旗迎來首個真正的外星來客。
一圖回顧嫦娥五號「挖土」全過程
（滑動查看長圖）
新京報記者 倪偉 編輯 陳思
部分內容來源新華社
值班編輯 康嘻嘻 吾彥祖