嫦五的新挑戰(zhàn)和探月的新征程

“長五”送“嫦五”，探月夢更圓。

2020年11月24日凌晨4時30分，嫦娥五號探測器搭乘長征五號遙五火箭從海南文昌航天基地成功發(fā)射升空，踏上月球探測之旅。

這次任務(wù)，是我國月球探測“繞落回”的收官之作，將開啟我國首次地外天體采樣返回之旅，創(chuàng)造中國航天史上的多個“第一”。在“嫦五”九天攬月之時，中國人的深空夢隨之展開新的篇章。

多個“第一次”的挑戰(zhàn)

嫦娥五號要執(zhí)行的任務(wù)是月球采樣返回，是我國探月工程“繞落回”的最后一步，也是最困難、最復(fù)雜的一步。中國科學(xué)院院士、中國月球探測工程首任首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)近日在文昌航天基地接受《新民周刊》記者采訪時表示：嫦娥五號這次面臨的新挑戰(zhàn)包括“兩次發(fā)射起飛”“兩次著陸”“近月空間無人交會對接”“對月壤和月巖碎片的采樣返回”等，這些都是中國探月的“第一次”。

第一次發(fā)射起飛是重達(dá)8.2噸的嫦娥五號從地球奔向月球之旅，為它助力的大力士“胖五”的實力已經(jīng)過多次驗證，之前最近的一次是把天問一號送上探測火星的征程，后者已經(jīng)在太空中跋涉了3億多公里。嫦娥五號由軌道器、返回器、上升器和著陸器組成，著陸器在月球表面完成采樣后，樣品裝在上升器中要回到近月軌道與軌道器交會對接，就需要在月球上發(fā)射起飛，這是第二次。

“月球的引力比地球小;而且表面是真空狀態(tài)，空氣動力學(xué)方面也沒有什么問題;發(fā)射時揚起的月壤塵埃的影響也都已經(jīng)在地面試驗中解決。應(yīng)該說，從月球上發(fā)射起飛不會比地球上的發(fā)射更難。”歐陽自遠(yuǎn)表示。

“兩次著陸”指的是嫦娥五號的著陸器在月球表面的著陸以及返回地球時的著陸。前者的一系列技術(shù)已經(jīng)在嫦娥三號、嫦娥四號上成功驗證;后者則面臨一個新情況：返回地球時的速度更快。

之前我國發(fā)射的神舟、天宮系列航天器是從近地軌道返回，為每秒7.9公里的第一宇宙速度。而這次嫦娥五號的返回器是從近月軌道而來，進入地球大氣層時的速度更快，達(dá)到約每秒11.2公里的第二宇宙速度，摩擦產(chǎn)生很高的溫度。如果控制不好，返回器就會和之前好不容易在月球上取到的樣品一起燃燒殆盡。除了從返回器的氣動外形、防熱材料下功夫之外，“嫦娥”的工程師們還想了一個辦法：讓返回器在地球大氣層上“打個水漂”。

嫦娥五號探月軌道模擬圖。圖片提供/中國航天科技集團八院

“我們很多人都用石頭玩過打水漂吧。把石頭按一個接近平行于水面的角度使勁扔出去，石頭會先入水，再被水彈出來，飛行一小段后再落入水里。二次入水的速度，要低于第一次?！睔W陽自遠(yuǎn)解釋說，我們控制嫦娥五號的返回器也采用類似的方式：讓返回器進入大氣層時保持一個特別的角度，它會先入大氣層，再被大氣層拋出去，又飛一會兒，二入大氣層時會降至理想的速度。如此一來，我們有足夠的把握讓它在接下來的回程中抵抗高溫，最后平安著陸。這項技術(shù)，已經(jīng)在2014年11月由再入返回試驗器“嫦娥5T”驗證。

嫦娥五號上升器與軌道器在近月軌道的無人交會對接，同樣是中國探月的首次嘗試。資深航天專家、上海航天技術(shù)研究院研究員陶建中介紹說：這次交會對接采用的技術(shù)與以往神舟、天宮系列航天器都不相同。

之前我們采取的是“異體同構(gòu)周邊式對接機構(gòu)”，它的特點是：對接裝置是異體同構(gòu)的，也就是“雌雄同體”，既可以做螺桿又可以做螺母，航天器既可作主動方，也能作被動方，這一點對實施太空救援尤其重要;同時，對接裝置是沿周邊分布的，所有定向和動力部件都安裝于艙口的四周，保證對接裝置的中央成為來往通道空間?？梢钥闯?，這種技術(shù)適用于載人航天。

而此次嫦娥五號的任務(wù)屬于無人探測，那么就要選擇另一種更適合的交會對接技術(shù)。陶建中說，這次得到應(yīng)用的是“弱撞擊抱爪式對接機構(gòu)”。上升器從月球表面飛到近月軌道上的軌道器附近時，伸出一些爪子一樣的機械臂，把后者抱住，再慢慢拉攏，兩者之間的碰撞是輕微的。

嫦娥五號的這次交會對接，也為后續(xù)我國火星探測的采樣返回做技術(shù)驗證。盡管此時還在路上的天問一號拿的是一張“太空單程票”，并不執(zhí)行返回的任務(wù);但嫦娥系列探測器已經(jīng)開始為天問的后續(xù)技術(shù)展開積累和試驗?？梢哉f，將來許多天問探測器擁有的成熟本領(lǐng)，都會是“嫦娥”先練熟了再“傳授”給前者的。

嫦娥五號在月球軌道工作模擬圖。圖片提供/中國航天科技集團八院

交會對接完成后，上升器把采集到的樣本送入和軌道器連接在一起的返回器內(nèi)，之后返回器就帶著樣本回到地球。

為什么要去月球“抓土”？

月球采樣返回，也就是到月球上去“抓把土回來”，是嫦娥五號的核心任務(wù)。著陸器在月球表面上順利降落后，將通過鏟取、鉆取兩種方式，采集約2公斤的月球樣品帶回地球。月球上的土壤或者巖石碎片究竟有什么研究價值，需要我們?nèi)f里迢迢前去采集？

月球樣本除了幫助人類認(rèn)識月球，還讓科學(xué)家確立了現(xiàn)代行星科學(xué)，為認(rèn)識各類行星的地質(zhì)演化過程提供了參考。美國史密森尼國家自然歷史博物館地質(zhì)學(xué)家埃里克·賈文曾經(jīng)在文章中表示：來自月球的巖石徹底改變了我們對月球表面性質(zhì)、月球起源以及太陽系演化三大問題的認(rèn)識。

例如，行星化學(xué)家分析月球樣本中的同位素組成后，發(fā)現(xiàn)這些巖石大多比地球巖石更古老，年齡大多在30億年到45億年之間。隨后他們建立了一套模型，用來估算月球上任何位置的年齡。

如果嫦娥五號任務(wù)成功，中國將成為人類第三個實現(xiàn)月球采樣返回的國家。

在中國科學(xué)院國家天文臺研究員鄭永春看來，月壤是從月球固體巖石圈到太陽系空間的過渡帶，包含相關(guān)區(qū)域的大量信息。對月壤的研究不僅涉及月球本身，還能獲得太陽系空間物質(zhì)和能量的重要信息，其中包括太陽系早期演化的歷史記錄、月巖和月壤的宇宙線暴露與輻照歷史、月球中揮發(fā)分的脫氣歷史、太陽風(fēng)的組成、太陽表層的成分特征、小天體和微隕石撞擊月球的歷史記錄等。

研究月球樣本對開發(fā)月球資源同樣意義重大。月壤中含有氦3，這個讓科學(xué)家極為興奮的發(fā)現(xiàn)，就是研究月球樣品的成果。氦3是世界公認(rèn)高效、清潔、安全的核聚變發(fā)電燃料，據(jù)計算，100噸氦3所能創(chuàng)造的能源，相當(dāng)于全世界一年消耗的能源總量。氦3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且容易取用的只有500公斤左右;而早期探測結(jié)果表明，月球淺層的氦3含量多達(dá)上百萬噸。盡管開采和利用月球上的氦3還要攻克大量技術(shù)難題，但這無疑是人類解決能源危機的希望之一。

月球樣本的研究價值如此豐富，難怪科學(xué)界認(rèn)為美國的阿波羅計劃最大的貢獻并不是讓人類的足跡印在了月球上，而是帶回了月球的樣本。從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，共帶回約382公斤月球樣品，獲取了大量科學(xué)成果。

幾十年間，美國國家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究月球樣品的申請，這來自全世界十多個國家的500多名科學(xué)家。NASA共向外發(fā)放5萬多份月球樣品，供天文學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等不同領(lǐng)域的科學(xué)家開展研究。

其中的一份1克的月球樣品，被當(dāng)作與新中國正式建交的禮物，由時任美國國家安全事務(wù)顧問的布熱津斯基在1978年訪華時贈送給了中國?！爱?dāng)時的國家領(lǐng)導(dǎo)人問教育部和中國科學(xué)院的負(fù)責(zé)人，全國有沒有人研究過月球上的石頭？他們都回答說沒有。但中科院的負(fù)責(zé)人說，我們這兒有一個人研究過天上掉下來的隕石，國家領(lǐng)導(dǎo)人就拍板說：讓他來。那個人就是我。”歐陽自遠(yuǎn)向《新民周刊》記者回憶說。

當(dāng)時40歲出頭的歐陽自遠(yuǎn)舍不得用完這顆只有黃豆大小、要用放大鏡才看得清楚細(xì)節(jié)的月球樣本，只用了一半來研究，把另外0.5克送給北京天文館珍藏。就是靠著這0.5克的微量樣本，歐陽自遠(yuǎn)和他的科研團隊不僅判斷出該樣本是在阿波羅17號任務(wù)中采集的、確認(rèn)了采集地點，甚至還分析出樣本所在地區(qū)是否有陽光照射。根據(jù)對這份樣本的研究，他們共發(fā)表了14篇學(xué)術(shù)論文?！昂髞砻绹耐幸姷轿覀儠r說：‘這下你們?nèi)贾懒恕！苯裉斓摹版隙鹬浮睔W陽自遠(yuǎn)就此與探月結(jié)緣。

歐陽自遠(yuǎn)接受本刊專訪。攝影/王煜

月球采樣返回的技術(shù)難度很高，迄今為止只有美國和蘇聯(lián)兩國曾實現(xiàn)。而人類最近一次月球采樣是蘇聯(lián)1976年的月球24采樣任務(wù)，距今已經(jīng)過去了44年。如果嫦娥五號任務(wù)成功，中國將成為人類第三個實現(xiàn)月球采樣返回的國家。

美國靠著宇航員登月的靈活操作，在取回月球樣本的數(shù)量上擁有巨大優(yōu)勢;蘇聯(lián)只實現(xiàn)了在月球上的無人采樣返回，3次總共只帶回了0.336公斤的樣本，不及美國的零頭。而中國此次首次無人采樣返回，目標(biāo)帶回月球樣本約2公斤。

嫦娥五號的著陸地點為月球正面西北部的呂姆克山脈。歐陽自遠(yuǎn)介紹：我國選擇的著陸點距離美國的阿波羅計劃著陸點有上千公里，很可能將迎來新的現(xiàn)象、新的發(fā)現(xiàn)。

國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）雜志2020年11月5日刊文認(rèn)為：嫦娥五號計劃帶回的樣本可以填補科學(xué)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(lián)的月球任務(wù)所獲得的巖石表明：月球上的火山活動在35億年前達(dá)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。如果嫦娥五號的樣本證實這段時間月球仍在活動，將改寫人類認(rèn)識的月球歷史。

《自然》的該文章表示：根據(jù)計算隕石坑的方法，月球也是為其他行星測年齡的重要參考。一般來說，較老的區(qū)域有更多和更大的隕石坑，而較年輕的區(qū)域則有較少和較小的隕石坑。根據(jù)這些相對年齡，再利用月球上的樣本可以得出絕對日期。目前8.5億到32億年前這段時間沒有樣本，嫦娥五號可以填補這一空白。

探月的眼光絕不停在月球

中國探月“嫦娥工程”包括“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”，嫦娥五號擔(dān)負(fù)的是“繞落回”的收官任務(wù)。接下來的嫦娥系列探測器，要為載人登月做好準(zhǔn)備。

在陶建中看來，研究推進力更大的重型運載火箭，是接下來包括嫦娥工程和天問計劃在內(nèi)的中國深空探測在技術(shù)上需要突破的關(guān)鍵問題。

目前運送“嫦娥”“天問”的長征五號大型運載火箭總長56.97米，火箭起飛質(zhì)量約869噸，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運載能力，承擔(dān)的任務(wù)主要是近地軌道衛(wèi)星、地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星、太陽同步軌道衛(wèi)星、空間站、月球探測器和火星探測器等各類航天器的發(fā)射任務(wù)。但這樣的能力，對于載人登月來說還不夠。

我國正在攻關(guān)研發(fā)中的長征九號重型運載火箭，將完成運載能力的升級。型號從“大”到“重”，能力成倍增加：長征九號芯級最大直徑為10米級，總長約百米，起飛質(zhì)量超過4000噸，近地軌道運載能力140噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運載能力約50噸，運力與美國土星5號運載火箭相似;后者是美國在阿波羅計劃和天空實驗室計劃中使用的火箭，共有9枚土星5號火箭將載人的“阿波羅”號宇宙飛船送上月球軌道。

11月17日，長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場完成技術(shù)區(qū)總裝測試工作后，垂直轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)。

長征九號未來將用于我國深空探測、載人登月和登火、空間太陽能電站等空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)任務(wù)?；鸺绕陉P(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、方案深化論證工作于2016年6月正式批復(fù)立項，主要的攻關(guān)內(nèi)容為“一總?cè)蟆保阂豢偧粗匦突鸺目傮w技術(shù)和方案優(yōu)化;三大即10米級大直徑箭體結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和試驗，480噸大推力的液氧煤油發(fā)動機，220噸大推力的氫氧發(fā)動機。如果這一系列關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)突破及相關(guān)工作進展順利，長征九號有望在2028年于文昌發(fā)射場實現(xiàn)首飛。

另外，研發(fā)有效抵抗月球上強輻射的宇航服，也是中國載人登月正在解決的問題，陶建中向《新民周刊》記者表示。

“我們正在努力探月登月，并實現(xiàn)了不少突破，例如嫦娥四號就實現(xiàn)了人類探測器首次在月球背面的著陸;但我們同時還要清楚，探月登月究竟是為了什么。”歐陽自遠(yuǎn)說，為了人類社會的可持續(xù)發(fā)展，“不把雞蛋放在一個籃子里”，我們一定要在深空中再找到一顆適宜人類生存的星球。只有這樣才能避免像小行星撞擊地球一般來自宇宙的威脅，或者避免人類因自身的愚蠢行為破壞地球的優(yōu)良生存環(huán)境帶來的毀滅性后果。

除了已經(jīng)開展的火星探測，中國的深空探測還將眼光放向更遠(yuǎn)的星球。

而月球肯定不是人類深空探測的終極目標(biāo)，雖然在宇宙空間的尺度上來看，它與地球38萬公里的距離非?！敖?但最關(guān)鍵的是，它的各項條件實在太不適合人類生存、太難改造了，這注定了它只能成為人類在太空中的“哨所”“中轉(zhuǎn)站”。經(jīng)它中轉(zhuǎn)的下一站，自然是人類一直向往的火星。

在歐陽自遠(yuǎn)看來，月球上已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了水冰，但讓水冰用于宇航員生存所需的難度太大，更為實際的是利用月球資源建設(shè)無人基地。例如，在月球兩極的永久光照區(qū)，可以建設(shè)太陽能電站提供資源;在月球背面可以建設(shè)科研站，避開地球無線電干擾來探測星空。

他提到，美國已經(jīng)計劃建立月球空間站，在2024年讓宇航員重返月球。NASA將這個計劃命名為“阿爾忒彌斯”，也就是希臘神話中太陽神阿波羅的雙胞胎姐姐，其含義不言而喻。

NASA局長布賴登斯汀在近期表示：要到達(dá)火星，首先必須建立起月球空間站。“我們可以在空間站的控制下在月球表面同時執(zhí)行多個任務(wù)?！彼f，“這些任務(wù)有的需要宇航員來完成，其他則可能由機器人、著陸器或者是探測車完成?！睔W陽自遠(yuǎn)認(rèn)為，有了月球空間站，載人登月和返回地球?qū)⒆兊酶尤菀祝乱徊竭~向火星的路途也就更加平坦。

除了已經(jīng)開展的火星探測，中國的深空探測還將眼光放向更遠(yuǎn)的星球。

2016年3月，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心發(fā)布《2016-2030空間科學(xué)規(guī)劃研究報告》，其中提到中國的“木星系統(tǒng)探測”計劃。

該計劃的總體科學(xué)研究目標(biāo)主要包括：木星磁層結(jié)構(gòu)、木衛(wèi)二大氣模型、木衛(wèi)二表面冰層形貌及厚度、金星-地球-木星間的太陽風(fēng)結(jié)構(gòu)、地球生命的地外生存狀態(tài)及其演變特性。

這項計劃目前還只是科學(xué)家的規(guī)劃，尚未上升到立項等層面;屬于中國人的木星探測計劃，有望在2030年左右誕生。

之所以叫“木星系統(tǒng)探測”而不是木星探測，是因為在木星之外，木星的衛(wèi)星也具有較高的科研價值。木星的天然衛(wèi)星，包括木衛(wèi)二等，在地外生命的研究中引起極大關(guān)注。木衛(wèi)二上的鹽水海洋環(huán)境被認(rèn)為可能孕育生命，這樣的海洋中可能存在類似地球上的水熱地質(zhì)作用。

我國另一個名為“桃源”的計劃，也涉及木星。計劃主要考慮木衛(wèi)二或土衛(wèi)二科學(xué)探測計劃，有計劃地選擇太陽系行星（木星或土星）可能存在冰殼和地下海洋及大氣層的衛(wèi)星為探測目標(biāo)?！疤以础睂⒂弥懫骱脱惨暺魅釉诰€分析探測大氣、冰殼及海水中可能存在的生命物質(zhì)或形式。

中國也正在開展小行星探測關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，將通過一次發(fā)射探測兩個小天體：一顆名為2016HO3的近地小行星和一顆名為133P的主帶彗星。

通過2019年10月召開的第一屆中國空間科學(xué)大會，人們得知：中國小行星探測任務(wù)正在進行論證工作，擬完成近地小行星伴飛、附著、取樣返回和主帶彗星近距離繞飛。

小天體探測是空間探索的前沿、熱點，同時也是高門檻的深空探測任務(wù)，其難點主要來自于小天體具有微引力、不確定性以及未知的環(huán)境，它們的形狀、成分與結(jié)構(gòu)等性質(zhì)難以通過地面觀測獲得。

其實，中國已經(jīng)探測過一顆小行星。2012年12月13日，嫦娥二號圓滿完成探月既定任務(wù)和日-地L2點試驗任務(wù)之后，在距地球約700萬千米遠(yuǎn)的深空，以每秒10千米的相對速度飛掠探測“圖塔蒂斯”小行星，二者最近的距離約為770米。

2019年4月，中國國家航天局發(fā)布了小行星探測任務(wù)合作機遇公告，向全世界征集科學(xué)載荷與搭載任務(wù)，體現(xiàn)了中國在空間科學(xué)探索方面開放、包容的姿態(tài)。

“我們的目光，應(yīng)該朝向更廣闊的宇宙空間，去探索無限的星辰大海?！睔W陽自遠(yuǎn)說。