中國探月16年，嫦娥五號或?qū)⒏膶懺虑驓v史 | 解讀
嫦娥五號今天凌晨發(fā)射升空，開啟月球之旅
撰文 | 龐之浩 （全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）
楊馥溪
編輯 | 許琦敏
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探月工程嫦娥五號任務(wù)是中國探月工程第六次任務(wù)，計劃實現(xiàn)月面自動采樣返回，助力深化月球成因和演化歷史等科學(xué)研究，是我國航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一。
在無人月球采樣返回探測方面，蘇聯(lián)可以說是開路先鋒，這也許與蘇聯(lián)載人登月半途而廢有關(guān)，所以轉(zhuǎn)向用無人空間探測器采集月球樣品。
1970年9月12日，蘇聯(lián)發(fā)射了世界第一個無人月球采樣返回探測器“月球16號”。它在月面軟著陸后，用自動鉆孔機采集月球樣品，然后把樣品封裝于返回艙內(nèi)。接著，上升級從月面起飛返回地球，最終返回艙于1970年9月24日在蘇聯(lián)境內(nèi)著陸。它從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。
1972年2月14日發(fā)射的“月球20號”由于遇上了玄武巖，只從月球阿波羅尼厄斯高地采集到了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，并從月球危?？偣搏@得了170克的樣品。
上世紀(jì)五十年代末期，蘇聯(lián)在運載火箭和人造衛(wèi)星技術(shù)上先行一步，因此在月球探索上也占得先機，而美國也不甘示弱。
二十世紀(jì)六七十年代，美國通過“阿波羅”計劃實現(xiàn)了載人登月的目標(biāo)。1969年7月至1972年12月，美國共實施了7次載人登月任務(wù)，成功將12名航天員送上月球。盡管載人月球采樣返回技術(shù)更復(fù)雜、成本更高，但由于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采集月球樣品，所以用載人飛船從月球采樣返回，不僅采集量大、選擇性強，而且采集范圍廣。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(xué)家通過對月球樣品的分析發(fā)現(xiàn)，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于月球表面下約300千米深處，后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，從中可制取水和氧，未來可利用月面物質(zhì)支持月球基地的運行，并為登月飛行器補充燃料。更重要的是，科學(xué)家還在采集回來的樣品中發(fā)現(xiàn)了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規(guī)模，月球上的氦-3用于核聚變發(fā)電后，能夠滿足人類約一萬年的能源需求。
經(jīng)過多年沉寂，俄羅斯近期又重啟登月計劃。今年，俄羅斯已經(jīng)把載人登月作為其長期戰(zhàn)略目標(biāo)，并開展了新一代載人飛船、重型運載火箭等設(shè)備的研制。此外，俄羅斯還啟動了“月球25號”的研制任務(wù)，準(zhǔn)備降落在月球南極隕石坑。隨著航天技術(shù)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，乃至月球旅游計劃。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于環(huán)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(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭，將為這一計劃提供有力的技術(shù)支持。未來，美國還將研制基于液氫液氧推進劑的大型單級可重復(fù)使用登月艙，實現(xiàn)對月球表面的低成本造訪，并以此為基礎(chǔ)建設(shè)月球基地。
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(huán)境，所以無論從技術(shù)、科學(xué)還是經(jīng)濟等方面考慮，各國在空間探測領(lǐng)域大都先從探月開始。
中國探月工程三步走戰(zhàn)略
中國探月工程采用“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略，每一步都是對前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)?！袄@”月探測是中國探月的第一步。2007年10月24日，我國發(fā)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(jīng)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(xué)探測數(shù)據(jù)。它獲取了世界第一幅全月圖，以及月表化學(xué)元素分布和礦物含量、月壤分布、近月空間環(huán)境等數(shù)據(jù)，填補了我國在探月領(lǐng)域的空白。在超額完成各項任務(wù)后，2009年3月1日，“嫦娥一號”受控撞擊了月球豐富海區(qū)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(wù)。
2010年10月1日，作為技術(shù)先導(dǎo)星的“嫦娥二號”發(fā)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(shù)進行試驗驗證，并對未來的預(yù)選著陸區(qū)進行高分辨率成像，同時獲取更豐富和準(zhǔn)確的探測數(shù)據(jù)。2011年4月1日，“嫦娥二號”半年設(shè)計壽命期滿后，又進行了一系列拓展試驗，開創(chuàng)了我國航天一次發(fā)射開展多目標(biāo)多任務(wù)探測的先河。
“嫦娥三號”是探月二期工程的主任務(wù)。2013年12月14日，“嫦娥三號”在月面軟著陸，首次實現(xiàn)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(shù)的國家。它直接獲得了豐富的月球數(shù)據(jù)，并經(jīng)受了著陸、移動和長月夜生存三大挑戰(zhàn)。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，由于“嫦娥三號”完成了任務(wù)，所以“嫦娥四號”被改為探月四期工程的第一個任務(wù)。2018年5月21日，我國發(fā)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”，并于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(xué)任務(wù)：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(qū)形貌、礦物組份及月表淺層結(jié)構(gòu)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(huán)境探測研究。利用“嫦娥四號”傳回的探測數(shù)據(jù)，我國科學(xué)家獲得了大量科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，例如首次揭示月球背面地下結(jié)構(gòu)、為解答月幔物質(zhì)組成的問題提供直接證據(jù)等。
即將于本月下旬發(fā)射的“嫦娥五號”，將執(zhí)行我國探月三期任務(wù)“采樣返回”。探月三期的目標(biāo)是實現(xiàn)我國首次月面自動采樣返回，對返回樣品進行系統(tǒng)分析與研究，深化對月球和地月系統(tǒng)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(chǔ)。
早在2014年10月24日，我國就發(fā)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(nèi)蒙古著陸。這是我國航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，表明我國已全面突破和掌握航天器以接近第二宇宙速度的高速再入返回關(guān)鍵技術(shù)，為“嫦娥五號”的“回”鋪平了道路。
據(jù)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(wù)：“嫦娥六號”計劃在月球南極進行采樣返回，根據(jù)“嫦娥五號”的采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(zhì)成份、空間環(huán)境的綜合探測任務(wù)；“嫦娥八號”除了繼續(xù)進行科學(xué)探測試驗外，還要進行一些構(gòu)建月球科研基地的前期探索。
作為我國探月工程三期的主任務(wù)，“嫦娥五號”由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個部分“串聯(lián)”組成，將先后經(jīng)歷發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移、近月制動、環(huán)月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會對接、環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等飛行階段，最終在內(nèi)蒙古四子王旗著陸，然后將約2千克月球樣品送至地面實驗室開展精細研究。
任務(wù)大概過程是：“嫦娥五號”組合體進入月球軌道后將兩兩分離，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。著陸后，用著陸器上的電鏟鏟取月壤，自動打鉆鉆取巖芯，采集的樣品放在上升器的返回艙里，進行無污染嚴(yán)密封裝。
隨后，上升器從月面起飛，與軌返組合體交會對接，把樣品轉(zhuǎn)移到返回器后，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，返回器采用半彈道跳躍再入方式進入大氣層，落至預(yù)定著陸場。
如果一切順利，“嫦娥五號”將實現(xiàn)我國開展航天活動以來的四個“首次”：首次在月面自動采樣；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》雜志在近期一篇題為“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(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35億年前達到頂峰，隨后逐漸減弱并停止。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，那么月球歷史將可能被改寫。
根據(jù)相關(guān)介紹，“嫦娥五號”將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。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，將有助于推進對月球火山活動和演化歷史的認識。
●為人類開發(fā)利用月球資源做準(zhǔn)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(zhì)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(huán)境，可以生產(chǎn)特殊的合金、鋼材光導(dǎo)纖維和藥品等；月球觀光旅游資源。
●帶動和促進基礎(chǔ)科學(xué)和高科技的發(fā)展
宇宙學(xué)、空間天文學(xué)、空間物理學(xué)、太陽系演化學(xué)；信息技術(shù)、新能源技術(shù)、新材料技術(shù)、光電子技術(shù)、機器人技術(shù)、遙測技術(shù)；帶動多學(xué)科交叉、滲透、共同發(fā)展。
●促進深空探測活動的發(fā)展
為進行更大范圍的深空探測做技術(shù)準(zhǔn)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，并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(jié)省大約100億美元的開支。
●促進國家經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展
月球探測工程技術(shù)的優(yōu)化、二次開發(fā)，可以帶動經(jīng)濟領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)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(lǐng)域的國際合作
探月工程起點高、有特色，具有很強的科學(xué)性、探索性、創(chuàng)新性和開放性，適合開展航天國際合作。
