中國(guó)探月16年，嫦娥五號(hào)或?qū)⒏膶懺虑驓v史 | 解讀
嫦娥五號(hào)今天凌晨發(fā)射升空，開啟月球之旅
撰文 | 龐之浩 （全國(guó)空間探測(cè)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(hào)任務(wù)是中國(guó)探月工程第六次任務(wù)，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)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(guó)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(cè)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(cè)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(gè)無人月球采樣返回探測(cè)器“月球16號(hào)”。它在月面軟著陸后，用自動(dòng)鉆孔機(jī)采集月球樣品，然后把樣品封裝于返回艙內(nèi)。接著，上升級(jí)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(hào)”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(hào)”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(yùn)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(jī)，而美國(guó)也不甘示弱。
二十世紀(jì)六七十年代，美國(guó)通過“阿波羅”計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了載人登月的目標(biāo)。1969年7月至1972年12月，美國(guó)共實(shí)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(dòng)，還能乘月球車漫步到比較遠(yuǎn)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(qiáng)，而且采集范圍廣。從阿波羅11號(hào)到17號(hào)，帶回的月壤和月巖樣品總計(jì)約381.7千克。
科學(xué)家通過對(duì)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(dòng)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(yùn)行，并為登月飛行器補(bǔ)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(jì)劃。今年，俄羅斯已經(jīng)把載人登月作為其長(zhǎng)期戰(zhàn)略目標(biāo)，并開展了新一代載人飛船、重型運(yùn)載火箭等設(shè)備的研制。此外，俄羅斯還啟動(dòng)了“月球25號(hào)”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(guó)等國(guó)家，甚至一些民營(yíng)公司，也提出了自己的月面軟著陸或巡視器計(jì)劃，乃至月球旅游計(jì)劃。美國(guó)也再次決定先重返月球，再前往火星。美國(guó)的月球計(jì)劃核心是位于環(huán)月軌道或地月L2點(diǎn)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(yùn)載火箭，將為這一計(jì)劃提供有力的技術(shù)支持。未來，美國(guó)還將研制基于液氫液氧推進(jìn)劑的大型單級(jí)可重復(fù)使用登月艙，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guó)開始實(shí)施月球探測(cè)工程。這也是我國(guó)空間探測(cè)的起點(diǎn)。月球是離地球最近的一個(gè)星球，又蘊(yùn)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(jì)等方面考慮，各國(guó)在空間探測(cè)領(lǐng)域大都先從探月開始。
中國(guó)探月工程三步走戰(zhàn)略
中國(guó)探月工程采用“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略，每一步都是對(duì)前一步的深化，并為下一步奠定基礎(chǔ)?！袄@”月探測(cè)是中國(guó)探月的第一步。2007年10月24日，我國(guó)發(fā)射第一個(gè)月球探測(cè)器“嫦娥一號(hào)”。這一項(xiàng)目用修2千米地鐵的經(jīng)費(fèi)，打造了38萬千米的天路。
“嫦娥一號(hào)”比原計(jì)劃多飛行了117天，共傳回1.37TB有效科學(xué)探測(cè)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(bǔ)了我國(guó)在探月領(lǐng)域的空白。在超額完成各項(xiàng)任務(wù)后，2009年3月1日，“嫦娥一號(hào)”受控撞擊了月球豐富海區(qū)域。
我國(guó)探月工程的第二步是“落”月探測(cè)，實(shí)施了“嫦娥二號(hào)”“嫦娥三號(hào)”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(hào)”發(fā)射升空。它運(yùn)行在距月面100千米高的極軌道上，主要對(duì)六項(xiàng)新技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對(duì)未來的預(yù)選著陸區(qū)進(jìn)行高分辨率成像，同時(shí)獲取更豐富和準(zhǔn)確的探測(cè)數(shù)據(jù)。2011年4月1日，“嫦娥二號(hào)”半年設(shè)計(jì)壽命期滿后，又進(jìn)行了一系列拓展試驗(yàn)，開創(chuàng)了我國(guó)航天一次發(fā)射開展多目標(biāo)多任務(wù)探測(cè)的先河。
“嫦娥三號(hào)”是探月二期工程的主任務(wù)。2013年12月14日，“嫦娥三號(hào)”在月面軟著陸，首次實(shí)現(xiàn)了我國(guó)對(duì)地外天體的軟著陸。12月15日，“嫦娥三號(hào)”的著陸器與巡視器互相拍照，使我國(guó)成為世界第三個(gè)掌握落月探測(cè)技術(shù)的國(guó)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(dòng)和長(zhǎng)月夜生存三大挑戰(zhàn)。目前，“嫦娥三號(hào)”的著陸器仍在工作，是迄今為止世界上在月面工作時(shí)間最長(zhǎng)的著陸器。
“嫦娥四號(hào)”原來是“嫦娥三號(hào)”的備份，由于“嫦娥三號(hào)”完成了任務(wù)，所以“嫦娥四號(hào)”被改為探月四期工程的第一個(gè)任務(wù)。2018年5月21日，我國(guó)發(fā)射世界首顆運(yùn)行在地月拉格朗日2點(diǎn)軌道的月球中繼星“鵲橋”，并于6月14日進(jìn)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(cè)器“嫦娥四號(hào)”升空。
“嫦娥四號(hào)”肩負(fù)了三大科學(xué)任務(wù)：開展月球背面低頻射電天文觀測(cè)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(cè)與研究；試驗(yàn)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(cè)研究。利用“嫦娥四號(hào)”傳回的探測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)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(hào)”，將執(zhí)行我國(guó)探月三期任務(wù)“采樣返回”。探月三期的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月面自動(dòng)采樣返回，對(duì)返回樣品進(jìn)行系統(tǒng)分析與研究，深化對(duì)月球和地月系統(tǒng)的起源與演化的認(rèn)識(shí)。這也將為載人登月和深空探測(cè)奠定基礎(chǔ)。
早在2014年10月24日，我國(guó)就發(fā)射了再入返回飛行試驗(yàn)器。同年11月1日，試驗(yàn)器返回艙在內(nèi)蒙古著陸。這是我國(guó)航天器第一次在繞月飛行后再入返回地球，表明我國(guó)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(hào)”的“回”鋪平了道路。
據(jù)中國(guó)國(guó)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(hào)”計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回，根據(jù)“嫦娥五號(hào)”的采樣情況確定是否去月背；“嫦娥七號(hào)”將是在月球南極進(jìn)行的一次針對(duì)月球的地形地貌、物質(zhì)成份、空間環(huán)境的綜合探測(cè)任務(wù)；“嫦娥八號(hào)”除了繼續(xù)進(jìn)行科學(xué)探測(cè)試驗(yàn)外，還要進(jìn)行一些構(gòu)建月球科研基地的前期探索。
作為我國(guó)探月工程三期的主任務(wù)，“嫦娥五號(hào)”由上升器、著陸器、軌道器、返回器四個(gè)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(dòng)、環(huán)月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會(huì)對(duì)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(shí)驗(yàn)室開展精細(xì)研究。
任務(wù)大概過程是：“嫦娥五號(hào)”組合體進(jìn)入月球軌道后將兩兩分離，軌道器-返回器（簡(jiǎn)稱“軌返”）組合體留在軌道，著陸器—上升器（簡(jiǎn)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(dòng)打鉆鉆取巖芯，采集的樣品放在上升器的返回艙里，進(jìn)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(huì)對(duì)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(jìn)入大氣層，落至預(yù)定著陸場(chǎng)。
如果一切順利，“嫦娥五號(hào)”將實(shí)現(xiàn)我國(guó)開展航天活動(dòng)以來的四個(gè)“首次”：首次在月面自動(dòng)采樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(huì)對(duì)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(guó)將取回40年來的第一塊月球巖石”的新聞中提到，“嫦娥五號(hào)”樣本將填補(bǔ)科學(xué)家對(duì)月球火山活動(dòng)理解上的一個(gè)重要空白。之前美國(guó)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(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰，隨后逐漸減弱并停止。但對(duì)月球表面的觀測(cè)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(hào)”的樣本證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng)，那么月球歷史將可能被改寫。
根據(jù)相關(guān)介紹，“嫦娥五號(hào)”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(guó)家的探測(cè)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(shí)段的月球樣本，“嫦娥五號(hào)”的取樣將填補(bǔ)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(jìn)對(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí)。
●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(dòng)和促進(jìn)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(jī)器人技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)；帶動(dòng)多學(xué)科交叉、滲透、共同發(fā)展。
●促進(jìn)深空探測(cè)活動(dòng)的發(fā)展
為進(jìn)行更大范圍的深空探測(cè)做技術(shù)準(zhǔn)備，作為未來深空探測(cè)的跳板。有國(guó)外資料顯示，美國(guó)正在探索返回月球的可能性，并計(jì)劃將其作為前往火星的踏腳石，而這種方法每年能夠?yàn)槠涔?jié)省大約100億美元的開支。
●促進(jìn)國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展
月球探測(cè)工程技術(shù)的優(yōu)化、二次開發(fā)，可以帶動(dòng)經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)“阿波羅”載人登月工程就是一個(gè)典型案例。
●推進(jìn)航天領(lǐng)域的國(guó)際合作
探月工程起點(diǎn)高、有特色，具有很強(qiáng)的科學(xué)性、探索性、創(chuàng)新性和開放性，適合開展航天國(guó)際合作。
