來源：愛範兒
北京時間今天凌晨 4：30，嫦娥五號月球探測器在海南文昌航天發射場，由中國最強火箭——長徵五號遙五運載火箭發射升空。
這是中國探月工程第六次任務，也是中國航天史上最複雜的一次任務，中國將首次在月球上『挖土』並帶回地球。
嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術，而這次發射也將是中國載人登月的一次超前預演，為十年後的載人登月進行技術驗證。
4 個月前發射的火星探測器『天問一號』已經在太空中飛行了 3 億公裡，嫦娥五號讓中國航天再次開啟了一個全新的篇章。
中國航天史上最複雜的一次任務
隨著嫦娥五號的發射成功，中國的探月工程第一階段的任務也進入尾聲。按照在 2004 年立項的中國探月工程規劃，嫦娥工程分為 『無人月球探測』、『載人登月』和『建立月球基地』三個階段。
而無人月球探測又分為『繞、落、回』三步完成，即繞月飛行，著陸勘探，採樣返回，其中嫦娥一號到嫦娥四號已經完成了前兩步，而嫦娥五號將完成最後的『回』，這也是嫦娥系列迄今為止最複雜、技術難度最高的一次任務。
正因如此，嫦娥五號月球探測器的結構也最為複雜，由 4 個主要部件——軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，而此前的四個嫦娥探測器只有 1-3 個部件組成。
嫦娥五號將實現中國航天史上的的四個『首次』：
首次在月球表面自動採樣；首次從月面起飛；首次在 38 萬公裡以外的月球軌道上進行無人交會對接；首次帶著月球土壤以接近第二宇宙速度返回地球。 為什麼說嫦娥五號將是中國航天史上最複雜的一次任務？也基本體現在這四個『首次』裡了。
▲圖片來自：太空精釀
首次在月球表面自動採樣
人類上次在月球上採樣帶回，還要追溯到 1976 年的蘇聯月球 24 號，距離現在已經過去了 44 年。
▲ 蘇聯月球 24 號。
讓探測器在月球上軟著陸，並挖一捧土其實並不算難，嫦娥系列也早已能夠做到。真正難的是完好地封裝月球土壤。
當嫦娥五號探測器通過打鑽和機械臂採集月壤樣本之後，將送入上升器中，需要進行第一次封裝，防止樣本在離開月球的過程中出現損耗和遭到汙染。
『阿波羅』飛船載人登月採集樣本時，就曾因為樣本密封出現了問題，導致月球土壤被汙染。
據探月工程副總設計師於登雲介紹，由於月球引力只有地球的六分之一，對採樣封裝技術的要求也將更高，才能保證取回的樣本有效，這是此前從未嘗試過的。
首次從月面起飛
在過去幾次探月任務中，都只需要執行一次發射。而嫦娥五號除了要在地球上升空，還要在月球表面發射，一下就提高了好幾個難度等級。
關注過火箭發射的讀者應該也知道，在地球上的發射任務需要發射場提供完備的保障體系，除了發射塔架的固定，還有大量工程師實時的維護和調整，以保證發射順利進行。
然而在月球上，這些保障措施幾乎都無法提供，不可控的因素也大大增加，發射平臺是否平穩，角度是否準確，地球上的工程師都不能實時監控。
而這一切都需要嫦娥五號自己來完成，因此嫦娥五號採用了更先進的人工智慧系統，從著陸點的選取，到對發射地點的經緯度、坡度、高程的調整，都將由嫦娥五號上的感應器收集數據後，再讓 AI 大腦自主完成。
首次在 38 萬公裡以外的月球軌道上進行無人交會對接
按照計劃，這次嫦娥五號至少將攜帶 2kg 重的月球土壤樣本返回地球。而蘇聯過去 3 次月球採樣返回任務一共才帶回了約 330g 的土壤樣本。
為什麼嫦娥五號一次就能帶回這麼多樣本？這主要得益於在這次任務中採用的月球軌道無人交會對接技術。
四十多年前，蘇聯的月球探測器在採樣後都是從月球表面直接起飛返回地球，那麼上升器自然需要更大的動力，因此必需裝載更多的燃料，留給月球土壤樣本的空間就會大大壓縮。
不僅如此，為了裝更多燃料，上升器的重量也會相應增加，這也加大了地面發射時運載火箭的壓力，那麼可能連中國最強的運載火箭『胖五』也無法支持。
而月球軌道無人交會對接技術則解決了這個問題，探測器採樣後不直接飛回地球，而是由上升器將土壤樣本轉移到月球軌道上飛行的返回器中，再由返回器帶回地球。
這樣一來，上升器需要飛行的距離就大大縮短，只需要少量燃料，那就能將更多的空間給土壤樣本了。
不過這個過程也將面臨兩大技術挑戰，一是如何讓上升器和返回器自主交匯對接，二是在樣本轉移過程中完成封裝。
其實類似的空間自主交匯對接在我國過去的神舟系列已經成熟應用，但都是在地球軌道進行，地面站和人造衛星可提供精準測距、定位、導航服務，可在月球軌道上這些資源則匱乏得多。
而樣本的封裝同樣關鍵，因為能否完好帶回樣本就是判斷嫦娥五號任務成敗的標準。如果沒有嚴密封裝，樣本可能就會在返回大氣層的過程中付之一炬。
因此就像在月面起飛一樣，嫦娥五號的人工智慧系統將在這些過程中發揮重要作用。
首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
此外在返回器帶著樣本返回地球時，速度將達到接近 11.2km/s 的第二宇宙速度，比神舟系列飛船返回地球時的第一宇宙速度快得多，如果直接衝入大氣層，將產生更大的熱量。
那麼要保護返回器就要安裝更厚的防熱盾，這樣一來探測器重量又將增加了，能帶回的樣本也會更少。
因此嫦娥五號採用一種類似『打水漂』的方式進入大氣層，先利用大氣層的升力彈射出去，減速後再度進入大氣層。
其實早在 2014 年，嫦娥 5 號 T1 試驗器首次試驗『打水漂』再入軌道，還拍下了一張拍地月合影的照片。
中國最強火箭『胖五』
另外值得一提的是，這次運載嫦娥五號上天的運載火箭『胖五』。四個月前 『胖五』就已經將天問一號送上太空。
之所以叫『胖五』，因為這是中國直徑最大的一支火箭，直徑芯級達到 5 米，此外還要捆綁 4 枚 3.35 米助推器，是個體重 869 噸的『大胖子』。
正是因為太胖了，『胖五』不能再像過去的火箭一樣通過鐵路運輸，因為這已經超過鐵路橋洞的直徑，只能改由兩艘運輸船從海路抵達發射場。
『胖五』提升的不只是尺寸， 8 臺液氧煤油發動機和 4 臺氫氧發動機，賦予了它國產火箭最猛的動力，起飛時的推力可以達到 1000 多噸。
▲ YF-100K 發動機。
此外液氧和液氫兩種推進劑分別要零儲存在零下 183 ℃ 和零下 253 ℃條件下儲存，這枚火箭又被稱為『冰箭』。
這樣的動力和體積給了『胖五』我國史上最強運載能力，它在近地軌道運載能力為 25 噸，直接在現役國產火箭基礎上提升了 2.5 倍以上。
雖然這比不上現役最強運輸火箭重型獵鷹火箭，但已經邁入了國際一線行列。目前美俄的主力火箭，運輸能力也主要集中在 20-30 噸級別。
如果沒有這個量級的火箭，不僅嫦娥五號也無法順利發射，之後的載人登月和空間站計劃也根本不用想。
為什麼要上月球『挖土』
如果一切順利，再過一段時間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，這是人類之前從未到訪過的的月球區域。
為什麼我們要千裡迢迢來到月球表面『挖土』呢？因為這不僅能讓我們了解月球的演變史，對於研究太陽系 45 億年的變遷也有著重要意義。
比如嫦娥五號著陸的地區，就存在著大約 13 億至 20 億年前的玄武巖。而月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用後形成的月球土壤，蘊藏著太陽活動的許多信息。
中國行星科學家團隊不久前在 《自然·天文》雜誌 發表的一項研究，就根據月球土壤的演變，發現地月系統遭受的撞擊物在 35 億年前後發生了變化，還為揭示太陽系早期巨行星的動蕩歷史提供了新的思路和線索。
就像中國地質大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍所說的：
月壤即月球的土壤，雖然在月球上唾手可得，但是對地球人來說卻蘊藏著巨大的科學價值。
可是由於過去只有美蘇有能力從月球採樣，中國想要研究並不容易。目前中國僅有的 1g 月球土壤樣本，還是上世紀 70 年代中美建交後美國贈予中國的。
而且阿波羅號帶回的月球樣本大多集中在月球正面中低緯度的月海區域，年齡集中在 42-32 億年前，對於月球研究是不夠全面的。而在嫦娥五號帶回月球樣本後，中國就能對月球進行更進一步的研究。
此外探月工程首席科學家歐陽自遠也曾在一次採訪中提到為什麼要探測月球，除了研究月球演變，月球還有豐富的能源。
歐陽自遠認為月球的土壤裡面還含有一種非常重要的終極能源原料，我們現在的化學能源、核電站都需要這種原料，這將為人類社會的永續發展提供重要的支撐。
下一個十年，中國人要登上月球了
在嫦娥五號任務順利完成後，下一階段就是載人登月了。
中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁曾透露，中國載人登月將在 2030 年左右實現，並在月球南極建立國際月球科研站，在此之前嫦娥六號和七號將先後前往南極進行勘探。
實際上這次嫦娥五號的任務，也可以看作十年後中國載人登月的一次預演。嫦娥五號月球軌道多次分離和對接，其實與美國阿波羅計劃載人登月的技術類似。當年美國在進行載人登月之前，同樣做過月球軌道交會對接試驗
就像航天科普博主 『太空精釀』所說，阿波羅飛船與嫦娥五號唯一的區別，就是載人與非載人了。當嫦娥五號的幾個主要器件升級為『艙』，並配備載人航天系統和登月裝備，就可以實現載人登月了。
中國探月工程副總設計師於登雲也表示，嫦娥五號任務是在為未來載人登月做技術儲備。
除了中國，美國的 NASA 也已經啟動了重返月球計劃，最快在 2024 年將再次進行載人登月。不過在十年後，美國很可能不再是唯一一個實現載人登月的國家了。
無論是中國還是美國，載人登月都不會是太空探索的終點。馬斯克希望將月球當作火星移民的中轉站，而歐陽自遠同樣認為，月球只是人類的跳板，人類最終可能還是要去火星上的。