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年以後，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麼東西。直到今天（11月24日），中國的嫦娥五號探測器從地球出發，計劃取回約2千克月球土壤。

整個過程將持續20多天，其中大部分時間都在飛行，月面採樣的工作僅有兩天時間。這次任務中，嫦娥五號執行的一系列操作都是中國前所未有的，例如月球的採樣、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，有助於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，也是我國航天領域迄今最複雜、難度最大的任務之一，標誌著探月工程「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，包括對火星、小行星的採樣返回，以及載人登月，都將用上源自於嫦娥五號任務的技術。

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年美國總統卡特安全事務顧問布熱津斯基訪問中國時贈送的禮品，由阿波羅17 號飛船的航天員採集回來。

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、採集地點等，發表了14篇研究文章，研究結果讓美國人信服。

這是中國學者研究月球巖石的開始。

目前全球有300多千克從月球採集的樣品，其中381.7千克由美國人採集，約300克由蘇聯人採集。現在，中國計劃帶回2千克。這是1976年蘇聯「月球24號」任務後，人類第一次從月球採集樣品。

全國空間探測技術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。

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，月球是最理想和最現實的中轉站。

因此，各國持續地對月球乃至火星進行探測。中國空間技術研究院研究員果琳麗認為，月球距離地球最近，不論是開採資源，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。

沉寂40多年以後，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，歐洲一直為建設月球村奔走，尋求支持與合作。根據各國發布的計劃，2030年之前，多國都希望將航天員送上月球，並謀劃建設永久的科研基地。

中國探月一步一個腳印，小尺度來看，探月分為「繞落回」三步，嫦娥一號實現了「繞」，嫦娥三號實現了「落」，此次嫦娥五號將實現「回」。更大尺度來看，中國月球計劃分為「探、登、駐」三個步驟，在探月之後，還將努力實現載人登月，並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劃的探月三步走任務，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，都是一次技術的跨越。嫦娥五號在嫦娥三號、四號落月的基礎上，還將實現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。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「採樣分隊」；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計師、中國航天科技集團有限公司科學技術委員會副主任於登雲接受新京報記者採訪時，科普了嫦娥五號整個任務過程：

在月球軌道上，「採樣分隊」和「繞月分隊」分離，「繞月分隊」繼續環繞在月球軌道，「採樣分隊」落到月面，採集月表樣品；

採集完以後，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公裡的時候，軌道器與返回器分離，返回器回到地球，落在內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衝來，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，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。

於登雲曾回憶，以王禮恆院士為代表的幾位航天權威專家認為，高速返回任務是第一次實施，直接關係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」當年並沒有落月，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」。「嫦娥-5T」進入大氣層後，藉助大氣層的升力又躍出來，然後再次進入。一進一出，便實現了減速，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，嫦娥五號返回器就將這麼回來。

嫦娥五號上升器與軌道器返回器組合體交會對接效果圖，將把月球樣品轉移到返回器內。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

「整個過程都很複雜，每個環節都不能出錯，否則整個任務就受到影響。」於登雲說，其中最重要的創新，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，與當今不可同日而語，嫦娥五號採樣方案也與美蘇完全不同。蘇聯無人採樣任務中沒有採用交會對接，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採樣。嫦娥五號雖然也是無人採樣返回，卻讓探測器「分兵作戰」，以交會對接的方式轉移樣品和返回。

為什麼不像蘇聯一樣，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，我國無人自動採樣返回方案，是在汲取美國有人採樣和蘇聯無人採樣的經驗教訓基礎上，結合我國實際情況走出的一條新路，」於登雲說，「這是一個創新，當然難度也更大。」

人們常將兩個太空飛行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」，那麼，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、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，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公裡左右高度的地球軌道，而嫦娥五號是在距地球38萬公裡的月球軌道上，難以進行人工幹預，完全依靠自主進行。同時，也無法藉助導航衛星的幫助，這就需要突破月球軌道測控精度、月球軌道敏感器交互、輕小型太空飛行器對接等多項技術。

選擇這一方案，還有另外一個目的，就是儘可能為未來載人登月做技術儲備。

據官方介紹，嫦娥五號探測器將重點實現三大工程目標：突破一系列關鍵技術，提升我國航天技術水平;實現首次地外天體自動採樣返回，推進我國科學技術重大跨越。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、技術和物質基礎。

於登雲說，載人登月必然要在月球軌道交會對接，這是最安全也最經濟的方式。美國阿波羅計劃就是這麼做的，他們在載人登月之前，也做過月球軌道交會對接試驗。

「所以我們通過無人採樣返回兼顧了兩件事，這應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年以後，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，還測量了月球內部發出的熱流，從而結束了100多年來關於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，為後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。」龐之浩說。

科學家從月球上發現了越來越多可以利用的元素，比如土壤和巖石中可以製取水和氧，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。

此次嫦娥五號採集的樣品，又將帶來什麼新的訊息？

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。這裡存在大約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，將有助於推進對月球火山活動和演化歷史的認識。

《自然》雜誌近日發表的文章稱，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。

如果嫦娥五號採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年嫦娥一號發射，到今天嫦娥五號任務實施，一次又一次實現的「史詩級」遠徵，背後是航天科技和基礎工業日復一日的進步。

以太空飛行器核心技術——發動機為例。嫦娥五號地月往返76萬多公裡的徵程中，中國航天科技集團有限公司六院研製了107臺大小發動機。其中，長徵五號火箭上使用了30臺，嫦娥五號上則有多達77臺發動機。

為了確保嫦娥五號探測器能平穩在月球著陸，並從月球返回地球，研製團隊為探測器量身定做了兩款3臺新型發動機，成為嫦娥五號探月返鄉最重要的核心技術。

其中兩臺3000N發動機，分別為軌道器和上升器提供動力。上升器上的那臺3000N發動機，承擔了前所未有的全新任務：在月球表面點火起飛，相當於將上升器變為月球上一枚微縮版的運載火箭。另外，一臺7500N變推力發動機，將幫助「採樣分隊」在月面安全著陸。

這些發動機要求性能指標高、推進劑使用效率高，但質量又要足夠輕，能經受嚴酷的溫度環境。這是我國太空飛行器中迄今最複雜的推進系統，難度極高。

7500N發動機流量調節器上的零件加工，公差精度都是微米級，也就是一根頭髮絲的1/80。在一般機加行業，這超越了現有生產能力，但航天工匠完成了這一目標。

大火箭的成熟，也是航天基礎能力中的重要一環。

公開消息中，嫦娥五號的任務時間，經歷過多次推遲。最早計劃2017年發射，後來推遲到2019年，又再次推遲到2020年。主要原因在於長徵五號火箭的研發進度所致。長徵五號於2016年首飛，2017年7月的第二次飛行遭遇失利，其後經歷了2年多的停頓，才於2019年年末再次成功飛行。

一年來，長徵五號系列（包括一次長徵五號B）密集進行了4次發射，均取得成功，應用性發射順利起步，終於將嫦娥五號順利送入太空。航天科技集團一院長五研製團隊人員表示，成熟是在一步一步的嚴謹工作中逐漸累積起來的，目前長五隻經過了幾次發射，還處於起步階段，還得時刻保持警醒。

長徵五號的研製和成熟，不僅是航天技術的一項突破，也是其後一系列重大航天任務的基礎，例如後續的空間站建設發射任務、行星探測、小行星探測、高軌大衛星發射等。

同樣，月球採樣返回任務的技術突破，也將成為後續一系列任務的先聲。目前的規劃中，除了繼續在月球實施採樣返回的嫦娥六號任務，我國還將實施小行星採樣返回探測和火星採樣返回探測，都將利用嫦娥五號任務的技術。

據探月元老葉培建院士等在一篇論文中透露，2030年前，我國將實施火星採樣返回探測任務。火星採樣返回與月球又不同，將進行兩次發射，相當於將嫦娥五號的兩個「分隊」分成兩次發射，以滿足現有的運載能力。

新京報記者 倪偉

編輯 陳思 校對 柳寶慶