嫦娥五號出發(fā)了，六、七、八號還遠(yuǎn)嗎

月球是距離地球最近的天體，也是人類探索宇宙的起點(diǎn)。中國開始籌備月球探測工程的歷史最早可以追溯到20世紀(jì)90年代，當(dāng)時(shí)主要進(jìn)行論證工作。直到2004年1月，探月工程正式獲批立項(xiàng)，并命名為“嫦娥工程”。

過去近20年里，中國的探月工程已經(jīng)取得五戰(zhàn)五捷的成績，現(xiàn)在，嫦娥五號成功歸來，標(biāo)志著嫦娥探月工程的歷史性突破。這次任務(wù)更是人類在時(shí)隔44年后再次獲取月球土壤樣本，對中國探月乃至整個人類探月有著劃時(shí)代的重要意義。

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(tǒng)卡特安全事務(wù)顧問布熱津斯基訪問中國時(shí)贈送的禮品，由阿波羅17 號飛船的航天員采集回來。

中國學(xué)者將其一分為二，一半收藏，一半研究。面對0.5克的月巖，學(xué)者花了4個月研究其化學(xué)成分、同位素、礦物質(zhì)、采集地點(diǎn)等，發(fā)表了14篇研究文章。這是中國學(xué)者研究月球巖石的開始。

目前全球有380多千克從月球采集的樣品，其中381.7千克由美國人采集，約0.3千克由蘇聯(lián)人采集?，F(xiàn)在，中國在月球“挖寶”1 731克。這是自1976年蘇聯(lián)“月球24號”任務(wù)后，人類又一次從月球采集樣品。

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(shí)現(xiàn)突破，美國和俄羅斯也提出了重返月球的計(jì)劃，歐洲一直為建設(shè)月球村奔走。根據(jù)各國發(fā)布的計(jì)劃，2030年之前，多國都希望將航天員送上月球，并謀劃建設(shè)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(shí)現(xiàn)了“繞”，嫦娥三號實(shí)現(xiàn)了“落”，此次嫦娥五號實(shí)現(xiàn)了“回”。更大尺度來看，中國月球計(jì)劃分為“探、登、駐”三個步驟，在探月之后，還將努力實(shí)現(xiàn)載人登月，并最終建立無人或有人駐守的月球科研基地。

人類史上最復(fù)雜的無人探月任務(wù)

嫦娥五號探測器組合體總重達(dá)8.2噸，是人類無人探月史上最復(fù)雜、最重的探測器。這樣的重量意味著，把它發(fā)射到38萬千米外的月球并非易事，這項(xiàng)重任交給了中國航天目前最為強(qiáng)大的長征五號系列運(yùn)載火箭。

目前，長征五號已有基本型和長征五號B兩個型號：前者采用兩級半構(gòu)型，已發(fā)射4次、專注于高軌大型任務(wù)，例如天問一號和實(shí)踐二十號等著名載荷；后者采用一級半構(gòu)型，已發(fā)射1次、專注于近地重型任務(wù)，例如我國新一代載人飛船試驗(yàn)船。

嫦娥五號的重量已非常接近長征五號火箭基本型對理論地月轉(zhuǎn)移軌道極限運(yùn)力，通過這次“長五遙五送嫦五”的任務(wù)也全面證明了“胖五”的強(qiáng)大實(shí)力。嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器和上升器四大部分組成。其中，軌道器主要負(fù)責(zé)往返月球期間的動力、能量、通信和交會對接需求等；著陸器負(fù)責(zé)攜帶上升器順利降落月球，完成月面打鉆采樣、機(jī)械臂抓取采樣和相關(guān)科研任務(wù)；上升器負(fù)責(zé)攜帶收集的月壤樣本，離開月球表面，與軌道器再次對接，將月壤轉(zhuǎn)移至返回器中；返回器負(fù)責(zé)保管月壤采樣樣本，重返地球大氣并被安全回收。

嫦娥五號探測器要實(shí)現(xiàn)組合體制動繞月、軟著陸月球、兩種方式采集月壤樣本、月球上空交會對接、返回地球并著陸等一系列高難度操作，它的軌道器、著陸器和上升器都需要攜帶獨(dú)立卻各自功能不同的復(fù)雜推進(jìn)系統(tǒng)，是人類無人探測月球的難度之最。

在搭乘長征五號火箭離開地球后，嫦娥五號的軌道器負(fù)責(zé)主要推進(jìn)工作，它需要完成軌道保持和數(shù)次修正，瞄準(zhǔn)月球?？拷虑蚝?，制動工作，進(jìn)入環(huán)月軌道。隨后，著陸器攜帶上升器擇機(jī)分離并著陸月球。

上升器依托著陸器為發(fā)射平臺，脫離月球引力后，還需要與軌道器在距離地球38萬千米外的月球附近完成高難度的自動交會對接。隨后，上升器把所有樣本轉(zhuǎn)移到返回器中。最后，軌道器再與返回器分離，僅返回器著陸地球。

嫦娥五號要面對的技術(shù)突破眾多，且難度極高。返回器經(jīng)由軌道器送到地球附近時(shí)，速度會逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），要知道，普通返回式衛(wèi)星返回地球時(shí)基本都是第一宇宙速度（7.9千米/秒）級別。如果以接近11.2千米/秒的速度直接沖進(jìn)大氣層，巨大的摩擦和沖擊可能會讓返回器焚毀。因此，返回器將采取在大氣層邊緣多次“打水漂”的滑躍式返回方式，進(jìn)行多次減速。其中每一次與大氣的接觸都需要經(jīng)過精準(zhǔn)計(jì)算，最終讓返回器以安全速度沖入大氣，通過氣動減速和降落傘減速等方式，準(zhǔn)確安全地降落在預(yù)定著陸場。

最后一小步的難度尚且如此，整個嫦娥五號任務(wù)的難度可想而知。嫦娥五號在月球正面最大的月海風(fēng)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。這里存在大約13億至20億年前的玄武巖，人類目前尚未有這一時(shí)段的月球樣本。獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助于推進(jìn)對月球火山活動和演化歷史的認(rèn)識。

嫦娥六、七、八號還會遠(yuǎn)嗎

在通過嫦娥一號到五號任務(wù)完成探月工程“繞、落、回”三步之余，我國探月的腳步仍未停止，探月四期任務(wù)已經(jīng)在規(guī)劃中。基本明確還有三次任務(wù)：一是嫦娥六號，計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回，至于是在月背還是正面，要根據(jù)嫦娥五號的采樣情況來確定；二是嫦娥七號，計(jì)劃在月球南極進(jìn)行一次綜合探測，探測內(nèi)容包括月球的地形地貌、物質(zhì)成分、空間環(huán)境等；三是嫦娥八號，除了繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測試驗(yàn)以外，嫦娥八號還要進(jìn)行一些關(guān)鍵技術(shù)的月面試驗(yàn)，作為將來擬在月球建立科研基地的前期探索。

根據(jù)國家航天局發(fā)布的消息，為了與國際上的其他月球探測任務(wù)相結(jié)合，我國計(jì)劃在2021—2030年建立小型國際月球科研站，邀請歐洲航天局和俄羅斯宇航局參與。這個科研站的目標(biāo)是支持長時(shí)段、較大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用。2030—2035年，還會對其進(jìn)行擴(kuò)展，滿足短期有人值守、長期自動運(yùn)行的需求。最終，于2036—2045年，建成綜合型的月球基地，實(shí)現(xiàn)人類長期駐留，并完成全面、大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用。由于月球條件惡劣、資源貧瘠，全封閉的基地完全實(shí)現(xiàn)自給自足會比較困難，保持定期的地月往返航班將是維持基地運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

延伸閱讀 到外星去“挖土”，人工和機(jī)器誰更強(qiáng)

在人類五花八門的外星“挖土”活動中，有的采用了人工采集，比如，半個世紀(jì)前，美國通過阿波羅計(jì)劃，通過宇航員采集，從月球帶回了共計(jì)約380千克的月巖樣品。有的則采用了無人采集。比如，2020年10月20日，美國冥王號探測器使用采樣機(jī)械臂末端的采樣器，從貝努小行星表面采集了60克以上的風(fēng)化層樣品，計(jì)劃在2023年9月將采樣返回艙送回地球。

那么，有人采集和無人采集兩種方式孰優(yōu)孰劣？人和機(jī)器相比，“挖土”能力哪家強(qiáng)？

航天專家龐之浩表示，從采樣數(shù)量上看，有人采集無疑占優(yōu)。阿波羅計(jì)劃共帶回約380千克樣品，相比同時(shí)期蘇聯(lián)實(shí)施的無人采集任務(wù)，樣品重量超出上千倍。

中國航天科工集團(tuán)二院研究員楊宇光認(rèn)為，有人采集更大的優(yōu)點(diǎn)，是可以在任務(wù)中隨機(jī)應(yīng)變，處置不同的情況。例如阿波羅17號任務(wù)中，施密特?fù)斓搅艘粔K橙色月球巖石，極為特別。這樣的稀有樣品，只有靠宇航員仔細(xì)尋找才能得到。

然而，宇航員的參與，使得航天任務(wù)的難度和成本大大增加。楊宇光說，一艘阿波羅飛船重約45噸，而蘇聯(lián)的“月球”系列無人采樣探測器重量不足6噸，我國嫦娥五號探測器重8噸多。同時(shí)，載人飛行任務(wù)對安全性、可靠性，以及生命保障系統(tǒng)等要求很高，這都直接影響著工程規(guī)模及成本。

無人采集不僅工程規(guī)模較小、成本較低，而且無需考慮生保、補(bǔ)給等問題，任務(wù)周期可達(dá)數(shù)年之久，探測距離也達(dá)到數(shù)億千米。楊宇光認(rèn)為，至少在未來十幾年里，無人采集方式都將是外星“挖土”的主流。