中國探月16年，嫦娥五號或將改寫月球歷史 | 解讀

嫦娥五號今天凌晨發射升空，開啟月球之旅

撰文 | 龐之浩 （全國空間探測技術首席科學傳播專家）

楊馥溪

編輯 | 許琦敏

探月工程嫦娥五號任務是中國探月工程第六次任務，計劃實現月面自動採樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學研究，是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一。

月球採樣返回，蘇聯捷足先登，美國大肆「挖土」

在無人月球採樣返回探測方面，蘇聯可以說是開路先鋒，這也許與蘇聯載人登月半途而廢有關，所以轉向用無人空間探測器採集月球樣品。

1970年9月12日，蘇聯發射了世界第一個無人月球採樣返回探測器「月球16號」。它在月面軟著陸後，用自動鑽孔機採集月球樣品，然後把樣品封裝於返回艙內。接著，上升級從月面起飛返回地球，最終返回艙於1970年9月24日在蘇聯境內著陸。它從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。

蘇聯「月球16號」月球採樣返回探測器

1972年2月14日發射的「月球20號」由於遇上了玄武巖，只從月球阿波羅尼厄斯高地採集到了55克月球樣品。1976年8月18日，「月球24號」在月球危海東南部軟著陸，它從2米深處挖取了月巖，並從月球危海總共獲得了170克的樣品。

上世紀五十年代末期，蘇聯在運載火箭和人造衛星技術上先行一步，因此在月球探索上也佔得先機，而美國也不甘示弱。

二十世紀六七十年代，美國通過「阿波羅」計劃實現了載人登月的目標。1969年7月至1972年12月，美國共實施了7次載人登月任務，成功將12名航天員送上月球。儘管載人月球採樣返回技術更複雜、成本更高，但由於航天員可以到艙外活動，還能乘月球車漫步到比較遠的地方去採集月球樣品，所以用載人飛船從月球採樣返回，不僅採集量大、選擇性強，而且採集範圍廣。從阿波羅11號到17號，帶回的月壤和月巖樣品總計約381.7千克。

科學家通過對月球樣品的分析發現，月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，是在月幔部分融化過程中形成於月球表面下約300千米深處，後因火山活動而被噴射到月球表面。月壤和月巖中氧化鐵含量很高，從中可製取水和氧，未來可利用月面物質支持月球基地的運行，並為登月飛行器補充燃料。更重要的是，科學家還在採集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用於核聚變發電後，能夠滿足人類約一萬年的能源需求。

經過多年沉寂，俄羅斯近期又重啟登月計劃。今年，俄羅斯已經把載人登月作為其長期戰略目標，並開展了新一代載人飛船、重型運載火箭等設備的研製。此外，俄羅斯還啟動了「月球25號」的研製任務，準備降落在月球南極隕石坑。隨著航天技術不斷走向成熟，日本、印度、韓國等國家，甚至一些民營公司，也提出了自己的月面軟著陸或巡視器計劃，乃至月球旅遊計劃。美國也再次決定先重返月球，再前往火星。美國的月球計劃核心是位於環月軌道或地月L2點的載人空間站，其多功能獵戶座飛船和「航天發射系統」重型運載火箭，將為這一計劃提供有力的技術支持。未來，美國還將研製基於液氫液氧推進劑的大型單級可重複使用登月艙，實現對月球表面的低成本造訪，並以此為基礎建設月球基地。

中國探月16年，「繞」「落」順利完成，「回」正當時

自2004年起，中國開始實施月球探測工程。這也是我國空間探測的起點。月球是離地球最近的一個星球，又蘊含豐富的資源、能源和特殊環境，所以無論從技術、科學還是經濟等方面考慮，各國在空間探測領域大都先從探月開始。

中國探月工程三步走戰略

中國探月工程採用「繞、落、回」三步走發展戰略，每一步都是對前一步的深化，並為下一步奠定基礎。「繞」月探測是中國探月的第一步。2007年10月24日，我國發射第一個月球探測器「嫦娥一號」。這一項目用修2千米地鐵的經費，打造了38萬千米的天路。

「嫦娥一號」比原計劃多飛行了117天，共傳回1.37TB有效科學探測數據。它獲取了世界第一幅全月圖，以及月表化學元素分布和礦物含量、月壤分布、近月空間環境等數據，填補了我國在探月領域的空白。在超額完成各項任務後，2009年3月1日，「嫦娥一號」受控撞擊了月球豐富海區域。

我國探月工程的第二步是「落」月探測，實施了「嫦娥二號」「嫦娥三號」共兩次飛行任務。

2010年10月1日，作為技術先導星的「嫦娥二號」發射升空。它運行在距月面100千米高的極軌道上，主要對六項新技術進行試驗驗證，並對未來的預選著陸區進行高解析度成像，同時獲取更豐富和準確的探測數據。2011年4月1日，「嫦娥二號」半年設計壽命期滿後，又進行了一系列拓展試驗，開創了我國航天一次發射開展多目標多任務探測的先河。

「嫦娥三號」是探月二期工程的主任務。2013年12月14日，「嫦娥三號」在月面軟著陸，首次實現了我國對地外天體的軟著陸。12月15日，「嫦娥三號」的著陸器與巡視器互相拍照，使我國成為世界第三個掌握落月探測技術的國家。它直接獲得了豐富的月球數據，並經受了著陸、移動和長月夜生存三大挑戰。目前，「嫦娥三號」的著陸器仍在工作，是迄今為止世界上在月面工作時間最長的著陸器。

「嫦娥四號」原來是「嫦娥三號」的備份，由於「嫦娥三號」完成了任務，所以「嫦娥四號」被改為探月四期工程的第一個任務。2018年5月21日，我國發射世界首顆運行在地月拉格朗日2點軌道的月球中繼星「鵲橋」，並於6月14日進入使命軌道。同年12月8日，世界首次在月球背面著陸的探測器「嫦娥四號」升空。

「嫦娥四號」肩負了三大科學任務：開展月球背面低頻射電天文觀測與研究；開展月球背面巡視區形貌、礦物組份及月表淺層結構探測與研究；試驗性開展月球背面中子輻射劑量、中性原子等月球環境探測研究。利用「嫦娥四號」傳回的探測數據，我國科學家獲得了大量科學新發現，例如首次揭示月球背面地下結構、為解答月幔物質組成的問題提供直接證據等。

即將於本月下旬發射的「嫦娥五號」，將執行我國探月三期任務「採樣返回」。探月三期的目標是實現我國首次月面自動採樣返回，對返回樣品進行系統分析與研究，深化對月球和地月系統的起源與演化的認識。這也將為載人登月和深空探測奠定基礎。

嫦娥五號月球探測器模型，圖片來自新華社

早在2014年10月24日，我國就發射了再入返回飛行試驗器。同年11月1日，試驗器返回艙在內蒙古著陸。這是我國太空飛行器第一次在繞月飛行後再入返回地球，表明我國已全面突破和掌握太空飛行器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關鍵技術，為「嫦娥五號」的「回」鋪平了道路。

據中國國家航天局透露的消息，目前基本明確探月工程四期還有三次任務：「嫦娥六號」計劃在月球南極進行採樣返回，根據「嫦娥五號」的採樣情況確定是否去月背；「嫦娥七號」將是在月球南極進行的一次針對月球的地形地貌、物質成份、空間環境的綜合探測任務；「嫦娥八號」除了繼續進行科學探測試驗外，還要進行一些構建月球科研基地的前期探索。

無人採樣2千克，將填補月球火山活動認識上的重要空白

作為我國探月工程三期的主任務，「嫦娥五號」由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分「串聯」組成，將先後經歷發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、月面下降、月面採樣、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移和再入回收等飛行階段，最終在內蒙古四子王旗著陸，然後將約2千克月球樣品送至地面實驗室開展精細研究。

任務大概過程是：「嫦娥五號」組合體進入月球軌道後將兩兩分離，軌道器-返回器（簡稱「軌返」）組合體留在軌道，著陸器—上升器（簡稱「著上」）組合體在月面上降落。著陸後，用著陸器上的電鏟鏟取月壤，自動打鑽鑽取巖芯，採集的樣品放在上升器的返回艙裡，進行無汙染嚴密封裝。

隨後，上升器從月面起飛，與軌返組合體交會對接，把樣品轉移到返回器後，上升器與軌返組合體分離。接著，軌返組合體踏上歸途，在距地球一定高度處返回器從軌返組合體中分離。最終，返回器採用半彈道跳躍再入方式進入大氣層，落至預定著陸場。

如果一切順利，「嫦娥五號」將實現我國開展航天活動以來的四個「首次」：首次在月面自動採樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進行無人交會對接；首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

《自然》雜誌在近期一篇題為「中國將取回40年來的第一塊月球巖石」的新聞中提到，「嫦娥五號」樣本將填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。之前美國和蘇聯的月球任務所獲得的巖石表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，隨後逐漸減弱並停止。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——如果「嫦娥五號」的樣本證實這段時間月球仍在活動，那麼月球歷史將可能被改寫。

根據相關介紹，「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。該地存在大約13億至20億年前的玄武巖，而人類目前尚未有這一時段的月球樣本，「嫦娥五號」的取樣將填補這一空白。獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助於推進對月球火山活動和演化歷史的認識。

人類為何要探測月球

●為人類開發利用月球資源做準備

月球上已知有100多種礦物，其中有5種是地球上沒有的；月球上有大量的核聚變物質氦-3，可供人類使用上萬年；豐富的水冰資源；利用月球高真空、低重力的特殊環境，可以生產特殊的合金、鋼材光導纖維和藥品等；月球觀光旅遊資源。

●帶動和促進基礎科學和高科技的發展

宇宙學、空間天文學、空間物理學、太陽系演化學；信息技術、新能源技術、新材料技術、光電子技術、機器人技術、遙測技術；帶動多學科交叉、滲透、共同發展。

●促進深空探測活動的發展

為進行更大範圍的深空探測做技術準備，作為未來深空探測的跳板。有國外資料顯示，美國正在探索返回月球的可能性，並計劃將其作為前往火星的踏腳石，而這種方法每年能夠為其節省大約100億美元的開支。

●促進國家經濟可持續發展

月球探測工程技術的優化、二次開發，可以帶動經濟領域技術的發展，美國「阿波羅」載人登月工程就是一個典型案例。

●推進航天領域的國際合作

探月工程起點高、有特色，具有很強的科學性、探索性、創新性和開放性，適合開展航天國際合作。