嫦娥五號(hào)取月壤，中國(guó)探月的“一小步”
月球上空的嫦娥五號(hào)效果圖。圖/中國(guó)航天科技(000901,股吧)集團(tuán)八院
新京報(bào)訊（記者 倪偉）自從1976年以后，美蘇探月的熱情消退，人類(lèi)零星有不多的探測(cè)器飛往月球，但再也沒(méi)有從月球上帶回什么東西。直到今天（11月24日），中國(guó)的嫦娥五號(hào)探測(cè)器從地球出發(fā)，計(jì)劃取回約2千克月球土壤。
整個(gè)過(guò)程將持續(xù)20多天，其中大部分時(shí)間都在飛行，月面采樣的工作僅有兩天時(shí)間。這次任務(wù)中，嫦娥五號(hào)執(zhí)行的一系列操作都是中國(guó)前所未有的，例如月球的采樣、月面點(diǎn)火起飛、月球軌道多次交會(huì)對(duì)接等等。
來(lái)自另一個(gè)星球的巖石和土壤，蘊(yùn)含著遠(yuǎn)古的信息。嫦娥五號(hào)計(jì)劃著陸的風(fēng)暴洋北緣呂姆克山附近，存在大約13億至20億年前的玄武巖，嫦娥五號(hào)將獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，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)。
嫦娥五號(hào)是中國(guó)探月工程第六次任務(wù)，也是我國(guó)航天領(lǐng)域迄今最復(fù)雜、難度最大的任務(wù)之一，標(biāo)志著探月工程“繞、落、回”三步走的圓滿(mǎn)完成。
中國(guó)探月的“一小步”，也將助推中國(guó)深空探測(cè)的“一大步”。未來(lái)一系列航天任務(wù)，包括對(duì)火星、小行星的采樣返回，以及載人登月，都將用上源自于嫦娥五號(hào)任務(wù)的技術(shù)。
嫦娥五號(hào)飛行效果圖。圖/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院
從1克巖石開(kāi)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(guó)總統(tǒng)卡特安全事務(wù)顧問(wèn)布熱津斯基訪(fǎng)問(wèn)中國(guó)時(shí)贈(zèng)送的禮品，由阿波羅17 號(hào)飛船的航天員采集回來(lái)。
中國(guó)學(xué)者將其一分為二，一半收藏，一半研究。面對(duì)0.5克的月巖，學(xué)者花了4個(gè)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，研究結(jié)果讓美國(guó)人信服。
這是中國(guó)學(xué)者研究月球巖石的開(kāi)始。
目前全球有300多千克從月球采集的樣品，其中381.7千克由美國(guó)人采集，約300克由蘇聯(lián)人采集。現(xiàn)在，中國(guó)計(jì)劃帶回2千克。這是1976年蘇聯(lián)“月球24號(hào)”任務(wù)后，人類(lèi)第一次從月球采集樣品。
全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席傳播專(zhuān)家龐之浩說(shuō)，月球沒(méi)有大氣層保護(hù)，所以月表的月壤是受地外星體撞擊，以及受到宇宙射線(xiàn)輻射和太陽(yáng)風(fēng)轟擊等空間風(fēng)化作用后形成的。通過(guò)研究月壤，能進(jìn)一步了解月球狀態(tài)、物質(zhì)含量、地質(zhì)演化歷史，也可以為了解太陽(yáng)活動(dòng)等提供新的信息，這將幫助中國(guó)人在月球研究領(lǐng)域?yàn)槿蜃龀鲐暙I(xiàn)。
更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，人類(lèi)如果有移民外星的遠(yuǎn)大理想，必然要先在能夠觸及到的地外天體——月球和火星上試驗(yàn)生存技術(shù)，月球是最理想和最現(xiàn)實(shí)的中轉(zhuǎn)站。
因此，各國(guó)持續(xù)地對(duì)月球乃至火星進(jìn)行探測(cè)。中國(guó)空間技術(shù)研究院研究員果琳麗認(rèn)為，月球距離地球最近，不論是開(kāi)采資源，還是把月球資源運(yùn)回地球，甚至是作為探測(cè)深空的補(bǔ)給站，都更容易實(shí)現(xiàn)。
沉寂40多年以后，近年來(lái)，月球再次成為深空探測(cè)熱土。不僅中國(guó)近十幾年在月球探測(cè)中屢次實(shí)現(xiàn)突破，美國(guó)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，尋求支持與合作。根據(jù)各國(guó)發(fā)布的計(jì)劃，2030年之前，多國(guó)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(guó)探月一步一個(gè)腳印，小尺度來(lái)看，探月分為“繞落回”三步，嫦娥一號(hào)實(shí)現(xiàn)了“繞”，嫦娥三號(hào)實(shí)現(xiàn)了“落”，此次嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)“回”。更大尺度來(lái)看，中國(guó)月球計(jì)劃分為“探、登、駐”三個(gè)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(wú)人或有人駐守的月球科研基地。
嫦娥五號(hào)意味著我國(guó)世紀(jì)初規(guī)劃的探月三步走任務(wù)，至此圓滿(mǎn)完成，而這只是一個(gè)“小目標(biāo)”。
嫦娥五號(hào)著陸器與上升器組合體著陸效果圖。圖/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院
四大金剛，兵分兩路
月球繞、落、回的每一步，都是一次技術(shù)的跨越。嫦娥五號(hào)在嫦娥三號(hào)、四號(hào)落月的基礎(chǔ)上，還將實(shí)現(xiàn)一系列從未有過(guò)的高難度操作。
8.2噸的嫦娥五號(hào)，由四個(gè)器組成，包含15個(gè)分系統(tǒng)。這四個(gè)器是單獨(dú)的個(gè)體，也能組合在一起。著陸器和上升器“抱”在一起，就組合成了“著陸上升組合體”，即“采樣分隊(duì)”；軌道器和返回器組合成“軌道返回組合體”，即“繞月分隊(duì)”。
中國(guó)探月工程副總設(shè)計(jì)師、中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)委員會(huì)副主任于登云接受新京報(bào)記者采訪(fǎng)時(shí)，科普了嫦娥五號(hào)整個(gè)任務(wù)過(guò)程：
在月球軌道上，“采樣分隊(duì)”和“繞月分隊(duì)”分離，“繞月分隊(duì)”繼續(xù)環(huán)繞在月球軌道，“采樣分隊(duì)”落到月面，采集月表樣品；
采集完以后，上升器帶著樣品在著陸器平臺(tái)上點(diǎn)火起飛，在月球軌道上與“繞月分隊(duì)”對(duì)接。組合飛行期間，上升器將樣品轉(zhuǎn)移給返回器，再次分離，軌道器帶著返回器向地球飛；
在距離地球大約5000公里的時(shí)候，軌道器與返回器分離，返回器回到地球，落在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)。
最終，著陸器留在月球表面，上升器在月球軌道環(huán)繞，軌道器留在地月之間，返回器回到地面，樣品就在其中。
返回也是步步驚心。當(dāng)嫦娥五號(hào)以第二宇宙速度向地球沖來(lái)，如果一猛子扎進(jìn)大氣層，一旦速度過(guò)猛，來(lái)不及減速，可能會(huì)撞毀。
為此，嫦娥工程中罕見(jiàn)地增加了一次試驗(yàn)飛行的任務(wù)，目的是驗(yàn)證一種特殊的返回方式。這就是2014年實(shí)施的探月三期再入返回飛行試驗(yàn)器——“嫦娥-5T”任務(wù)。
于登云曾回憶，以王禮恒院士為代表的幾位航天權(quán)威專(zhuān)家認(rèn)為，高速返回任務(wù)是第一次實(shí)施，直接關(guān)系到探月三期工程的成敗，如果不事先驗(yàn)證，將留下巨大風(fēng)險(xiǎn)。
“嫦娥-5T”當(dāng)年并沒(méi)有落月，在月球飛了幾圈之后便返回地球，重頭戲是在地球大氣層打個(gè)“水漂”。“嫦娥-5T”進(jìn)入大氣層后，借助大氣層的升力又躍出來(lái)，然后再次進(jìn)入。一進(jìn)一出，便實(shí)現(xiàn)了減速，從第二宇宙速度降至第一宇宙速度。
這種半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，使結(jié)構(gòu)和防熱系統(tǒng)的壓力都得到緩解，也使航程和落點(diǎn)達(dá)到理想的結(jié)果。這次，嫦娥五號(hào)返回器就將這么回來(lái)。
嫦娥五號(hào)上升器與軌道器返回器組合體交會(huì)對(duì)接效果圖，將把月球樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)。圖/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院
高難度方案為載人登月驗(yàn)證技術(shù)
“整個(gè)過(guò)程都很復(fù)雜，每個(gè)環(huán)節(jié)都不能出錯(cuò)，否則整個(gè)任務(wù)就受到影響。”于登云說(shuō)，其中最重要的創(chuàng)新，是嫦娥五號(hào)四個(gè)器在月球軌道的分離和對(duì)接。
40多年前的航天技術(shù)，與當(dāng)今不可同日而語(yǔ)，嫦娥五號(hào)采樣方案也與美蘇完全不同。蘇聯(lián)無(wú)人采樣任務(wù)中沒(méi)有采用交會(huì)對(duì)接，探測(cè)器直接從月面返回地球，美國(guó)則是由航天員在月面進(jìn)行人工采樣。嫦娥五號(hào)雖然也是無(wú)人采樣返回，卻讓探測(cè)器“分兵作戰(zhàn)”，以交會(huì)對(duì)接的方式轉(zhuǎn)移樣品和返回。
為什么不像蘇聯(lián)一樣，讓探測(cè)器直接飛回地球呢？主要是因?yàn)槲覈?guó)目前火箭運(yùn)載能力的限制，無(wú)法在一開(kāi)始就攜帶足夠的燃料，讓探測(cè)器可以整體著陸、起飛。
“可以說(shuō)，我國(guó)無(wú)人自動(dòng)采樣返回方案，是在汲取美國(guó)有人采樣和蘇聯(lián)無(wú)人采樣的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際情況走出的一條新路，”于登云說(shuō)，“這是一個(gè)創(chuàng)新，當(dāng)然難度也更大。”
人們常將兩個(gè)航天器的交會(huì)對(duì)接形容為“太空之吻”。如果地球軌道上的飛船與空間站對(duì)接是“吻”，那么，遠(yuǎn)在月球軌道上的嫦娥五號(hào)對(duì)接，因?yàn)楦h(yuǎn)的距離、更小的對(duì)接機(jī)構(gòu)、自動(dòng)的對(duì)接程序等條件，堪比“太空穿針”。
雖然我國(guó)已掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)，進(jìn)行了多次飛船的交會(huì)對(duì)接，但神舟飛船的交會(huì)對(duì)接是在400公里左右高度的地球軌道，而嫦娥五號(hào)是在距地球38萬(wàn)公里的月球軌道上，難以進(jìn)行人工干預(yù)，完全依靠自主進(jìn)行。同時(shí)，也無(wú)法借助導(dǎo)航衛(wèi)星的幫助，這就需要突破月球軌道測(cè)控精度、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對(duì)接等多項(xiàng)技術(shù)。
選擇這一方案，還有另外一個(gè)目的，就是盡可能為未來(lái)載人登月做技術(shù)儲(chǔ)備。
據(jù)官方介紹，嫦娥五號(hào)探測(cè)器將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)三大工程目標(biāo)：突破一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)航天技術(shù)水平;實(shí)現(xiàn)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推進(jìn)我國(guó)科學(xué)技術(shù)重大跨越。另外，完善探月工程體系，為載人登月和深空探測(cè)奠定一定的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。
于登云說(shuō)，載人登月必然要在月球軌道交會(huì)對(duì)接，這是最安全也最經(jīng)濟(jì)的方式。美國(guó)阿波羅計(jì)劃就是這么做的，他們?cè)谳d人登月之前，也做過(guò)月球軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。
“所以我們通過(guò)無(wú)人采樣返回兼顧了兩件事，這應(yīng)該是中國(guó)方案最大的亮點(diǎn)。”他說(shuō)。
嫦娥五號(hào)軌道器與返回器向地球返回效果圖。圖/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院
最年輕的月球土壤
自1976年以后，全球再也沒(méi)有探測(cè)器在月面進(jìn)行過(guò)探測(cè)。直到2013年起，中國(guó)的嫦娥三號(hào)、四號(hào)和五號(hào)，重啟了月面探測(cè)。
半個(gè)世紀(jì)前，美蘇從月球帶回的300多千克樣品，為人類(lèi)認(rèn)識(shí)月球和太陽(yáng)系，遞過(guò)來(lái)一把鑰匙。通過(guò)對(duì)月壤樣品的分析，科研人員確定，月壤由微小的桔紅色玻璃形式顆粒構(gòu)成，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，在月殼部分融化過(guò)程中，在月面下約300千米深處形成，后因火山活動(dòng)而噴出到月面。
美國(guó)航天員鉆取了3米深的月球巖芯，發(fā)現(xiàn)土壤多達(dá)57層，每一層就是一次隕石沖擊，還測(cè)量了月球內(nèi)部發(fā)出的熱流，從而結(jié)束了100多年來(lái)關(guān)于月球是冷還是熱的爭(zhēng)論。尤其重要的是，1985年科學(xué)家們通過(guò)樣品分析，證實(shí)了月球上存在核能源氦-3，為后來(lái)月球研究和探測(cè)注入了巨大動(dòng)力。
“氦-3是理想、安全、高效的核聚變?nèi)剂希@種資源地球上很少，只有10噸到15噸左右，而月球上的氦-3至少有約100萬(wàn)噸。如果開(kāi)發(fā)出來(lái)進(jìn)行核聚變發(fā)電，能滿(mǎn)足地球上一萬(wàn)年的能源使用。”龐之浩說(shuō)。
科學(xué)家從月球上發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多可以利用的元素，比如土壤和巖石中可以制取水和氧，氧化鐵的含量也很高。這些元素都可以加以利用，成為未來(lái)建立月球基地的能量來(lái)源。
此次嫦娥五號(hào)采集的樣品，又將帶來(lái)什么新的訊息？
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(fǎng)過(guò)。這里存在大約13億至20億年前的玄武巖，人類(lèi)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(duì)月球火山活動(dòng)和演化歷史的認(rèn)識(shí)。
《自然》雜志近日發(fā)表的文章稱(chēng)，此前對(duì)月壤樣品的研究表明，月球上的火山活動(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。但對(duì)月球表面的觀(guān)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，這與嫦娥五號(hào)著陸地區(qū)的年齡相仿。
如果嫦娥五號(hào)采回的樣本能夠證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng)，將改寫(xiě)對(duì)月球歷史的認(rèn)識(shí)。
嫦娥五號(hào)著陸器與上升器組合體向月表降落效果圖。圖/中國(guó)航天科技集團(tuán)八院
探月16年，進(jìn)擊的航天科技
從2004年正式開(kāi)展探月，到2007年嫦娥一號(hào)發(fā)射，到今天嫦娥五號(hào)任務(wù)實(shí)施，一次又一次實(shí)現(xiàn)的“史詩(shī)級(jí)”遠(yuǎn)征，背后是航天科技和基礎(chǔ)工業(yè)日復(fù)一日的進(jìn)步。
以航天器核心技術(shù)——發(fā)動(dòng)機(jī)為例。嫦娥五號(hào)地月往返76萬(wàn)多公里的征程中，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司六院研制了107臺(tái)大小發(fā)動(dòng)機(jī)。其中，長(zhǎng)征五號(hào)火箭上使用了30臺(tái)，嫦娥五號(hào)上則有多達(dá)77臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。
為了確保嫦娥五號(hào)探測(cè)器能平穩(wěn)在月球著陸，并從月球返回地球，研制團(tuán)隊(duì)為探測(cè)器量身定做了兩款3臺(tái)新型發(fā)動(dòng)機(jī)，成為嫦娥五號(hào)探月返鄉(xiāng)最重要的核心技術(shù)。
其中兩臺(tái)3000N發(fā)動(dòng)機(jī)，分別為軌道器和上升器提供動(dòng)力。上升器上的那臺(tái)3000N發(fā)動(dòng)機(jī)，承擔(dān)了前所未有的全新任務(wù)：在月球表面點(diǎn)火起飛，相當(dāng)于將上升器變?yōu)樵虑蛏弦幻段⒖s版的運(yùn)載火箭。另外，一臺(tái)7500N變推力發(fā)動(dòng)機(jī)，將幫助“采樣分隊(duì)”在月面安全著陸。
這些發(fā)動(dòng)機(jī)要求性能指標(biāo)高、推進(jìn)劑使用效率高，但質(zhì)量又要足夠輕，能經(jīng)受?chē)?yán)酷的溫度環(huán)境。這是我國(guó)航天器中迄今最復(fù)雜的推進(jìn)系統(tǒng)，難度極高。
7500N發(fā)動(dòng)機(jī)流量調(diào)節(jié)器上的零件加工，公差精度都是微米級(jí)，也就是一根頭發(fā)絲的1/80。在一般機(jī)加行業(yè)，這超越了現(xiàn)有生產(chǎn)能力，但航天工匠完成了這一目標(biāo)。
大火箭的成熟，也是航天基礎(chǔ)能力中的重要一環(huán)。
公開(kāi)消息中，嫦娥五號(hào)的任務(wù)時(shí)間，經(jīng)歷過(guò)多次推遲。最早計(jì)劃2017年發(fā)射，后來(lái)推遲到2019年，又再次推遲到2020年。主要原因在于長(zhǎng)征五號(hào)火箭的研發(fā)進(jìn)度所致。長(zhǎng)征五號(hào)于2016年首飛，2017年7月的第二次飛行遭遇失利，其后經(jīng)歷了2年多的停頓，才于2019年年末再次成功飛行。
一年來(lái)，長(zhǎng)征五號(hào)系列（包括一次長(zhǎng)征五號(hào)B）密集進(jìn)行了4次發(fā)射，均取得成功，應(yīng)用性發(fā)射順利起步，終于將嫦娥五號(hào)順利送入太空。航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)五研制團(tuán)隊(duì)人員表示，成熟是在一步一步的嚴(yán)謹(jǐn)工作中逐漸累積起來(lái)的，目前長(zhǎng)五只經(jīng)過(guò)了幾次發(fā)射，還處于起步階段，還得時(shí)刻保持警醒。
長(zhǎng)征五號(hào)的研制和成熟，不僅是航天技術(shù)的一項(xiàng)突破，也是其后一系列重大航天任務(wù)的基礎(chǔ)，例如后續(xù)的空間站建設(shè)發(fā)射任務(wù)、行星探測(cè)、小行星探測(cè)、高軌大衛(wèi)星發(fā)射等。
同樣，月球采樣返回任務(wù)的技術(shù)突破，也將成為后續(xù)一系列任務(wù)的先聲。目前的規(guī)劃中，除了繼續(xù)在月球?qū)嵤┎蓸臃祷氐逆隙鹆?hào)任務(wù)，我國(guó)還將實(shí)施小行星采樣返回探測(cè)和火星采樣返回探測(cè)，都將利用嫦娥五號(hào)任務(wù)的技術(shù)。
據(jù)探月元老葉培建院士等在一篇論文中透露，2030年前，我國(guó)將實(shí)施火星采樣返回探測(cè)任務(wù)。火星采樣返回與月球又不同，將進(jìn)行兩次發(fā)射，相當(dāng)于將嫦娥五號(hào)的兩個(gè)“分隊(duì)”分成兩次發(fā)射，以滿(mǎn)足現(xiàn)有的運(yùn)載能力。
新京報(bào)記者 倪偉
編輯 陳思 校對(duì) 柳寶慶