嫦五的新挑战和探月的新征程

嫦娥五号探月轨道模拟图。图片提供/ 中国航天科技集团八院

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上图：嫦娥五号在月球轨道工作模拟图。 图片提供/ 中国航天科技集团八院

上图：欧阳自远接受 本刊专访。摄影/ 王煜

下图：11 月17 日，长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试工作后，垂直转运至发射区。

中国探月“嫦娥工程” 包括“无人月球探测”“载人登月” 和“建立月球基地”，嫦娥五号担负的是“绕落回”的收官任务。

记者｜王　煜

“长五” 送“嫦五”，探月梦更圆。

2020 年11 月24 日凌晨4 时30 分，嫦娥五号探测器搭乘长征五号遥五火箭从海南文昌航天基地成功发射升空，踏上月球探测之旅。

这次任务，是我国月球探测“绕落回” 的收官之作，将开启我国首次地外天体采样返回之旅，创造中国航天史上的多个“第一”。在“嫦五” 九天揽月之时，中国人的深空梦随之展开新的篇章。

多个“第一次” 的挑战

嫦娥五号要执行的任务是月球采样返回，是我国探月工程“绕落回” 的最后一步，也是最困难、最复杂的一步。中国科学院院士、中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远近日在文昌航天基地接受《新民周刊》记者采访时表示：嫦娥五号这次面临的新挑战包括“两次发射起飞”“两次着陆”“近月空间无人交会对接”“对月壤和月岩碎片的采样返回” 等，这些都是中国探月的“第一次”。

第一次发射起飞是重达8.2 吨的嫦娥五号从地球奔向月球之旅，为它助力的大力士“胖五” 的实力已经过多次验证，之前最近的一次是把天问一号送上探测火星的征程，后者已经在太空中跋涉了3 亿多公里。嫦娥五号由轨道器、返回器、上升器和着陆器组成，着陆器在月球表面完成采样后，样品装在上升器中要回到近月轨道与轨道器交会对接，就需要在月球上发射起飞，这是第二次。

“月球的引力比地球小；而且表面是真空状态，空气动力学方面也没有什么问题；发射时扬起的月壤尘埃的影响也都已经在地面试验中解决。应该说，从月球上发射起飞不会比地球上的发射更难。” 欧阳自远表示。

“两次着陆” 指的是嫦娥五号的着陆器在月球表面的着陆以及返回地球时的着陆。前者的一系列技术已经在嫦娥三号、嫦娥四号上成功验证；后者则面临一个新情况：返回地球时的速度更快。

之前我国发射的神舟、天宫系列航天器是从近地轨道返回，为每秒7.9 公里的第一宇宙速度。而这次嫦娥五号的返回器是从近月轨道而来，进入地球大气层时的速度更快，达到约每秒11.2 公里的第二宇宙速度，摩擦产生很高的温度。如果控制不好，返回器就会和之前好不容易在月球上取到的样品一起燃烧殆尽。除了从返回器的气动外形、防热材料下功夫之外，“嫦娥” 的工程师们还想了一个办法：让返回器在地球大气层上“打个水漂”。

“我们很多人都用石头玩过打水漂吧。把石头按一个接近平行于水面的角度使劲扔出去，石头会先入水，再被水弹出来，飞行一小段后再落入水里。二次入水的速度，要低于第一次。” 欧阳自远解释说，我们控制嫦娥五号的返回器也采用类似的方式：让返回器进入大气层时保持一个特别的角度，它会先入大气层，再被大气层抛出去，又飞一会儿，二入大气层时会降至理想的速度。如此一来，我们有足够的把握让它在接下来的回程中抵抗高温，最后平安着陆。这项技术，已经在2014 年11 月由再入返回试验器“嫦娥5T” 验证。

嫦娥五号上升器与轨道器在近月轨道的无人交会对接，同样是中国探月的首次尝试。资深航天专家、上海航天技术研究院研究员陶建中介绍说：这次交会对接采用的技术与以往神舟、天宫系列航天器都不相同。

之前我们采取的是“异体同构周边式对接机构”，它的特点是：对接装置是异体同构的，也就是“雌雄同体”，既可以做螺杆又可以做螺母，航天器既可作主动方，也能作被动方，这一点对实施太空救援尤其重要；同时，对接装置是沿周边分布的，所有定向和动力部件都安装于舱口的四周，保证对接装置的中央成为来往通道空间。可以看出，这种技术适用于载人航天。

而此次嫦娥五号的任务属于无人探测，那么就要选择另一种更适合的交会对接技术。陶建中说，这次得到应用的是“弱撞击抱爪式对接机构”。上升器从月球表面飞到近月轨道上的轨道器附近时，伸出一些爪子一样的机械臂，把后者抱住，再慢慢拉拢，两者之间的碰撞是轻微的。

嫦娥五号的这次交会对接，也为后续我国火星探测的采样返回做技术验证。尽管此时还在路上的天问一号拿的是一张“太空单程票”，并不执行返回的任务；但嫦娥系列探测器已经开始为天问的后续技术展开积累和试验。可以说，将来许多天问探测器拥有的成熟本领，都会是“嫦娥” 先练熟了再“传授”给前者的。

交会对接完成后，上升器把采集到的样本送入和轨道器连接在一起的返回器内，之后返回器就带着样本回到地球。

为什么要去月球“抓土”？

月球采样返回，也就是到月球上去“抓把土回来”，是嫦娥五号的核心任务。着陆器在月球表面上顺利降落后，将通过铲取、钻取两种方式，采集约2 公斤的月球样品带回地球。月球上的土壤或者岩石碎片究竟有什么研究价值，需要我们万里迢迢前去采集？

月球样本除了帮助人类认识月球，还让科学家确立了现代行星科学，为认识各类行星的地质演化过程提供了参考。美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克·贾文曾经在文章中表示：来自月球的岩石彻底改变了我们对月球表面性质、月球起源以及太阳系演化三大问题的认识。

例如，行星化学家分析月球样本中的同位素组成后，发现这些岩石大多比地球岩石更古老，年龄大多在30 亿年到45 亿年之间。随后他们建立了一套模型，用来估算月球上任何位置的年龄。

在中国科学院国家天文台研究员郑永春看来，月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带，包含相关区域的大量信息。对月壤的研究不仅涉及月球本身，还能获得太阳系空间物质和能量的重要信息，其中包括太阳系早期演化的历史记录、月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史、月球中挥发分的脱气历史、太阳风的组成、太阳表层的成分特征、小天体和微陨石撞击月球的历史记录等。

研究月球样本对开发月球资源同样意义重大。月壤中含有氦3，这个让科学家极为兴奋的发现，就是研究月球样品的成果。氦3 是世界公认高效、清洁、安全的核聚变发电燃料，据计算，100 吨氦3 所能创造的能源，相当于全世界一年消耗的能源总量。氦3 在地球上的蕴藏量极少，全球已知且容易取用的只有500 公斤左右；而早期探测结果表明，月球浅层的氦3 含量多达上百万吨。尽管开采和利用月球上的氦3 还要攻克大量技术难题，但这无疑是人类解决能源危机的希望之一。

月球样本的研究价值如此丰富，难怪科学界认为美国的阿波罗计划最大的贡献并不是让人类的足迹印在了月球上，而是带回了月球的样本。从1969 年到1972 年，美国共完成6 次载人登月，共带回约382 公斤月球样品，获取了大量科学成果。

几十年间，美国国家航空航天局（NASA）收到了3000 多份研究月球样品的申请，这来自全世界十多个国家的500 多名科学家。NASA共向外发放5 万多份月球样品，供天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学、地质学等不同领域的科学家开展研究。

其中的一份1 克的月球样品，被当作与新中国正式建交的礼物，由时任美国国家安全事务顾问的布热津斯基在1978 年访华时赠送给了中国。“当时的国家领导人问教育部和中国科学院的负责人，全国有没有人研究过月球上的石头？他们都回答说没有。但中科院的负责人说，我们这儿有一个人研究过天上掉下来的陨石，国家领导人就拍板说：让他来。那个人就是我。” 欧阳自远向《新民周刊》记者回忆说。

当时40 岁出头的欧阳自远舍不得用完这颗只有黄豆大小、要用放大镜才看得清楚细节的月球样本，只用了一半来研究，把另外0.5 克送给北京天文馆珍藏。就是靠着这0.5克的微量样本，欧阳自远和他的科研团队不仅判断出该样本是在阿波罗17 号任务中采集的、确认了采集地点，甚至还分析出样本所在地区是否有阳光照射。根据对这份样本的研究，他们共发表了14 篇学术论文。“后来美国的同行见到我们时说：‘这下你们全都知道了。’”今天的“嫦娥之父”欧阳自远就此与探月结缘。

月球采样返回的技术难度很高，迄今为止只有美国和苏联两国曾实现。而人类最近一次月球采样是苏联1976 年的月球24 采样任务，距今已经过去了44 年。如果嫦娥五号任务成功，中国将成为人类第三个实现月球采样返回的国家。

美国靠着宇航员登月的灵活操作，在取回月球样本的数量上拥有巨大优势；苏联只实现了在月球上的无人采样返回，3 次总共只带回了0.336 公斤的样本，不及美国的零头。而中国此次首次无人采样返回，目标带回月球样本约2 公斤。

嫦娥五号的着陆地点为月球正面西北部的吕姆克山脉。欧阳自远介绍：我国选择的着陆点距离美国的阿波罗计划着陆点有上千公里，很可能将迎来新的现象、新的发现。

国际顶级学术期刊《 自然》（Nature）杂志2020 年11 月5 日刊文认为：嫦娥五号计划带回的样本可以填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。之前美国和苏联的月球任务所获得的岩石表明：月球上的火山活动在35 亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10 亿至20 亿年前才形成的火山熔岩。如果嫦娥五号的样本证实这段时间月球仍在活动，将改写人类认识的月球历史。

《自然》的该文章表示：根据计算陨石坑的方法，月球也是为其他行星测年龄的重要参考。一般来说，较老的区域有更多和更大的陨石坑，而较年轻的区域则有较少和较小的陨石坑。根据这些相对年龄，再利用月球上的样本可以得出绝对日期。目前8.5亿到32 亿年前这段时间没有样本，嫦娥五号可以填补这一空白。

探月的眼光绝不停在月球

中国探月“嫦娥工程” 包括“无人月球探测”“载人登月” 和“建立月球基地”，嫦娥五号担负的是“绕落回” 的收官任务。接下来的嫦娥系列探测器，要为载人登月做好准备。

在陶建中看来，研究推进力更大的重型运载火箭，是接下来包括嫦娥工程和天问计划在内的中国深空探测在技术上需要突破的关键问题。

目前运送“嫦娥”“天问” 的长征五号大型运载火箭总长56.97米，火箭起飞质量约869 吨，具备近地轨道25 吨、地球同步转移轨道14 吨的运载能力，承担的任务主要是近地轨道卫星、地球同步转移轨道卫星、太阳同步轨道卫星、空间站、月球探测器和火星探测器等各类航天器的发射任务。但这样的能力，对于载人登月来说还不够。

我国正在攻关研发中的长征九号重型运载火箭，将完成运载能力的升级。型号从“大” 到“重”，能力成倍增加：长征九号芯级最大直径为10 米级，总长约百米，起飞质量超过4000 吨，近地轨道运载能力140 吨，地月转移轨道运载能力约50 吨，运力与美国土星5 号运载火箭相似；后者是美国在阿波罗计划和天空实验室计划中使用的火箭，共有9 枚土星5 号火箭将载人的“阿波罗” 号宇宙飞船送上月球轨道。

长征九号未来将用于我国深空探测、载人登月和登火、空间太阳能电站等空间基础设施建设任务。火箭先期关键技术攻关、方案深化论证工作于2016 年6 月正式批复立项，主要的攻关内容为“一总三大”：一总即重型火箭的总体技术和方案优化；三大即10米级大直径箭体结构的设计、制造和试验，480 吨大推力的液氧煤油发动机，220 吨大推力的氢氧发动机。如果这一系列关键技术实现突破及相关工作进展顺利，长征九号有望在2028 年于文昌发射场实现首飞。

另外，研发有效抵抗月球上强辐射的宇航服，也是中国载人登月正在解决的问题，陶建中向《新民周刊》记者表示。

“我们正在努力探月登月，并实现了不少突破，例如嫦娥四号就实现了人类探测器首次在月球背面的着陆；但我们同时还要清楚，探月登月究竟是为了什么。” 欧阳自远说，为了人类社会的可持续发展，“不把鸡蛋放在一个篮子里”，我们一定要在深空中再找到一颗适宜人类生存的星球。只有这样才能避免像小行星撞击地球一般来自宇宙的威胁，或者避免人类因自身的愚蠢行为破坏地球的优良生存环境带来的毁灭性后果。

而月球肯定不是人类深空探测的终极目标，虽然在宇宙空间的尺度上来看，它与地球38 万公里的距离非常“近”；但最关键的是，它的各项条件实在太不适合人类生存、太难改造了，这注定了它只能成为人类在太空中的“哨所”“中转站”。经它中转的下一站，自然是人类一直向往的火星。

在欧阳自远看来，月球上已经发现了水冰，但让水冰用于宇航员生存所需的难度太大，更为实际的是利用月球资源建设无人基地。例如，在月球两极的永久光照区，可以建设太阳能电站提供资源；在月球背面可以建设科研站，避开地球无线电干扰来探测星空。

他提到，美国已经计划建立月球空间站，在2024 年让宇航员重返月球。NASA 将这个计划命名为“阿尔忒弥斯”，也就是希腊神话中太阳神阿波罗的双胞胎姐姐，其含义不言而喻。

NASA 局长布赖登斯汀在近期表示：要到达火星，首先必须建立起月球空间站。“我们可以在空间站的控制下在月球表面同时执行多个任务。”他说，“这些任务有的需要宇航员来完成，其他则可能由机器人、着陆器或者是探测车完成。”欧阳自远认为，有了月球空间站，载人登月和返回地球将变得更加容易，下一步迈向火星的路途也就更加平坦。

除了已经开展的火星探测，中国的深空探测还将眼光放向更远的星球。

2016 年3 月，中国科学院国家空间科学中心发布《2016-2030 空间科学规划研究报告》，其中提到中国的“木星系统探测” 计划。

该计划的总体科学研究目标主要包括：木星磁层结构、木卫二大气模型、木卫二表面冰层形貌及厚度、金星- 地球- 木星间的太阳风结构、地球生命的地外生存状态及其演变特性。

这项计划目前还只是科学家的规划，尚未上升到立项等层面；属于中国人的木星探测计划，有望在2030 年左右诞生。

之所以叫“木星系统探测” 而不是木星探测，是因为在木星之外，木星的卫星也具有较高的科研价值。木星的天然卫星，包括木卫二等，在地外生命的研究中引起极大关注。木卫二上的盐水海洋环境被认为可能孕育生命，这样的海洋中可能存在类似地球上的水热地质作用。

我国另一个名为“桃源” 的计划，也涉及木星。计划主要考虑木卫二或土卫二科学探测计划，有计划地选择太阳系行星（木星或土星）可能存在冰壳和地下海洋及大气层的卫星为探测目标。“桃源” 将用着陆器和巡视器取样在线分析探测大气、冰壳及海水中可能存在的生命物质或形式。

中国也正在开展小行星探测关键技术攻关，将通过一次发射探测两个小天体：一颗名为2016HO3 的近地小行星和一颗名为133P 的主带彗星。

通过2019 年10 月召开的第一届中国空间科学大会，人们得知：中国小行星探测任务正在进行论证工作，拟完成近地小行星伴飞、附着、取样返回和主带彗星近距离绕飞。

小天体探测是空间探索的前沿、热点，同时也是高门槛的深空探测任务，其难点主要来自于小天体具有微引力、不确定性以及未知的环境，它们的形状、成分与结构等性质难以通过地面观测获得。

其实，中国已经探测过一颗小行星。2012 年12 月13 日，嫦娥二号圆满完成探月既定任务和日- 地L2 点试验任务之后，在距地球约700 万千米远的深空，以每秒10 千米的相对速度飞掠探测“图塔蒂斯”小行星，二者最近的距离约为770米。

2019 年4 月，中国国家航天局发布了小行星探测任务合作机遇公告，向全世界征集科学载荷与搭载任务，体现了中国在空间科学探索方面开放、包容的姿态。

“我们的目光，应该朝向更广阔的宇宙空间，去探索无限的星辰大海。” 欧阳自远说。