沈羨云

自古以來，人類一直對浩瀚的太空充滿了好奇和熱情，月球就是人類第一個關(guān)注和不斷觀察的對象，因此留下許多美好的夙愿和科學(xué)假說。隨著我國航天事業(yè)的發(fā)展，探月計(jì)劃也已提上日程。中國探月工程分“繞、落、回”三步走，繞月和落月任務(wù)已經(jīng)圓滿完成，現(xiàn)在是完成第三步的時(shí)候了?！版隙稹蔽逄栍?jì)劃將完成探月工程三期中的月面取樣返回任務(wù)?，F(xiàn)在，“嫦娥”五號一切準(zhǔn)備就緒，整裝待發(fā)。

我國最復(fù)雜的航天探測器

“嫦娥”五號探測器，是由中國空間技術(shù)研究院（中國航天科技集團(tuán)五院）研制的中國首個實(shí)施無人月面取樣返回的航天器?？蒲腥藛T計(jì)劃利用“嫦娥”五號在探月工程三期中實(shí)現(xiàn)月面取樣返回任務(wù)，完成中國探月工程的收官之戰(zhàn)。

“嫦娥”五號要飛到月球上，采集樣本后，還要飛回來，研制難度非常大?！版隙稹蔽逄栆脖环Q為我國最復(fù)雜的航天探測器。“嫦娥”五號探測器全重8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個部分組成，4個部分串聯(lián)在一起，像一串糖葫蘆。這4部分可以再分為上下兩部分，上部分（著陸器和上升器）將在月球上著陸，其中上升器要帶著采集的樣品返回軌道。下部分（軌道器和返回器）留在月球軌道上，軌道器承擔(dān)著支撐和服務(wù)任務(wù)，返回器的任務(wù)是帶著月球樣本返回地面。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，“嫦娥”五號經(jīng)“長征”五號發(fā)射升空后，大約4天后即可抵達(dá)月球，減速入軌，然后繞行探測月球，待選定地點(diǎn)后，“嫦娥”五號的上部與下部分離。其中著陸器、上升器將進(jìn)行月面軟著陸，自動進(jìn)行月面采樣、樣品封裝等操作，并將樣品由上升器攜帶升空進(jìn)入月球軌道，與環(huán)月軌道上的軌道器對接，將樣品轉(zhuǎn)移到返回器內(nèi)部，最后軌道器攜帶返回器點(diǎn)火啟動，從環(huán)月軌道直接返回地球。返回器將在再入大氣層前與軌道器分離，最后降落在我國北方的內(nèi)蒙古草原上，而軌道器就變?yōu)樘绽?，整個過程約需要13天。

從這個軌道器、著陸器以及環(huán)月軌道對接的復(fù)雜設(shè)計(jì)方案看，“嫦娥”五號完全就是無人版的阿波羅登月。當(dāng)前使用類似設(shè)計(jì)的深空探測器，是美國尚未立項(xiàng)的火星取樣返回探測器（MSR），不過MSR最早也要2024年以后發(fā)射，而我國的“嫦娥”五號預(yù)計(jì)在今年10月左右就要使用“長征”五號火箭發(fā)射，“嫦娥”五號取樣返回的復(fù)雜性和先進(jìn)性在已有和正在研制中的深空探測器里是空前的。

“嫦娥”五號主要有兩個科學(xué)目標(biāo)。第一個科學(xué)目標(biāo)是開展著陸點(diǎn)區(qū)的形貌探測和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。第二個科學(xué)目標(biāo)是對返回地面的月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長期的實(shí)驗(yàn)室研究，深化月球成因和演化歷史的研究?！版隙稹蔽逄柨梢詳y帶約2千克樣本返回地球，這是使用復(fù)雜的月球軌道對接設(shè)計(jì)的結(jié)果。

為什么要到月球上“挖土”

1969年7月20日，“阿波羅”11號飛船降落在月球靜海地區(qū)。美國航天員阿姆斯特朗在月球表面踩下了深深的印記，這是人類首次成功登月。為了紀(jì)念這個激動人心的時(shí)刻，每年7月20日被定為“人類月球日”。

不過，阿波羅計(jì)劃在科學(xué)領(lǐng)域最大的貢獻(xiàn)并非阿姆斯特朗的腳印，而是帶回了來自月球的土壤和巖石。從1969年到1972年，美國共完成6次載人登月，共帶回約382千克月球樣品，獲取了大量科學(xué)成果。盡管蘇聯(lián)的“月球”15號取樣器失敗了，但后續(xù)的“月球”16號、20號和24號取得了成功，3臺取樣器共取回了326克月壤和巖心樣本?！版隙稹蔽逄柕闹饕蝿?wù)是采集月球樣品并帶回地球。那么，月球到底有什么神秘的東西，值得人們千里迢迢去上面“挖土”？ 這些樣品能發(fā)揮什么作用？今天，我們一起去探尋其理由吧！

揭開月球的神秘面紗

幾千年來，我們對于月球只能仰望、猜測，而隨著登月成功，月球上的物質(zhì)被帶回地球，它的神秘面紗也被層層揭開。

美國史密森尼國家自然歷史博物館地質(zhì)學(xué)家埃里克·賈文曾撰文表示，來自月球的巖石徹底改變了我們對月球表面性質(zhì)、月球起源以及太陽系演化三大問題的認(rèn)識。例如，行星化學(xué)家分析了月球樣本中的同位素組成，發(fā)現(xiàn)這些巖石大多比地球巖石更古老，年齡多在30億到45億年之間。隨后他們建立了一套模型，以此可以估算月球上任何位置的年齡。

從月球帶回的標(biāo)本來看，月巖組成比較簡單。在月海中主要為溢流玄武巖，玄武巖顏色較深，反照率很低，從地球上看月球，表現(xiàn)為月球表面的暗斑。一般來說，月球上的玄武巖和地球上的火山巖類似，但是，月巖的基本特征和地球上類似的巖石還是有很大區(qū)別的。根據(jù)月巖年齡測定結(jié)果，月球上最激烈的火山噴發(fā)發(fā)生在距今38億—31億年前。月陸高地主要由富含斜長石的火成巖組成，它們代表月球上最早形成的產(chǎn)物，年齡大約在46億年前。

月球的表面并非沒有土壤覆蓋的不毛之地，實(shí)際上，到處都覆蓋著厚層的巖屑和玻璃質(zhì)物質(zhì)，被稱為月壤。月球上的月壤和地球上風(fēng)化剝蝕作用形成的土壤是不同的，月壤是由細(xì)至塵埃、大到砂，甚至大礫石的物質(zhì)組成的。在月海中，月壤的厚度一般為2～10米，月陸中月壤的厚度可以達(dá)到20米。月壤中的巖屑主要由各種不同形狀和結(jié)構(gòu)的玄武巖和斜長巖組成。

1970年，蘇聯(lián)用“月球”16號取回的 3克樣品與“阿波羅”11號、“阿波羅”12號帶回的各3克樣品進(jìn)行了交換。同位素分析結(jié)果顯示，阿波羅計(jì)劃帶回的最古老的月巖形成于45億年前，比最古老的地球巖石還要早2億年，并且成分與蘇聯(lián)探測器帶回的樣品非常接近。這些發(fā)現(xiàn)使我們對月球有了初步的了解。

確立了現(xiàn)代行星科學(xué)

對月球標(biāo)本的研究，除了可以認(rèn)識月球，還幫助科學(xué)家確立了現(xiàn)代行星科學(xué)，為認(rèn)識各類行星的地質(zhì)演化過程提供了參考。月壤的樣本可以幫助現(xiàn)代行星科學(xué)的發(fā)展，也可以為類地行星的地質(zhì)演化研究提供參照。 對月壤的研究不僅涉及月球本身，而且還包含太陽系空間物質(zhì)和能量的重要信息。其中包括太陽系早期演化的歷史記錄；月巖和月壤的宇宙線暴露與輻照歷史；月球中揮發(fā)分的脫氣歷史；太陽風(fēng)的組成、太陽表層的成分特征；小天體和微隕石撞擊月球的歷史記錄，進(jìn)而推斷地球遭受小天體撞擊的歷史；通過對月壤的研究，可以了解月殼巖石圈的組成和分布特征，對研究月球乃至地月系的演化歷史具有重要意義。

開發(fā)月球資源

人們普遍認(rèn)識到探月活動具有政治、社會、技術(shù)、科學(xué)和經(jīng)濟(jì)等多方面的意義。因而此后人類的探月活動方向，也從不惜代價(jià)服務(wù)于政治目的，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒖茖W(xué)探索和經(jīng)濟(jì)利益相結(jié)合，最終的目的是合理開發(fā)月球資源。除了科學(xué)成果，研究月壤和巖石對開發(fā)月球資源同樣意義重大。 研究月球樣品的重要成果之一，就是發(fā)現(xiàn)其中含有氦-3，這讓科學(xué)家非常興奮。氦-3是世界公認(rèn)的高效、清潔、安全的核聚變發(fā)電燃料。據(jù)計(jì)算，100噸氦-3所能創(chuàng)造的能源，相當(dāng)于全世界一年消耗的能源總量。氦-3在地球上的蘊(yùn)藏量極少，全球已知且容易取用的只有500千克左右，而早期探測結(jié)果表明，月球淺層的氦-3含量多達(dá)上百萬噸，足夠解決人類的能源之憂。實(shí)際上，隨著人類對月球認(rèn)識的加深，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)月球氦-3的總儲量很可能更多。

提供大量科研成果

幾十年間，美國國家航空航天局（NASA）收到了3000多份研究特殊月球樣品的申請，來自十多個國家的500多名科學(xué)家提出了申請。NASA共向外發(fā)放5萬多份月球樣品，供天文學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、工程學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)學(xué)等不同領(lǐng)域的科學(xué)家進(jìn)行研究。1978年，時(shí)任美國國家安全事務(wù)顧問的布熱津斯基訪華時(shí)，向中國贈送了1克月球樣品。這塊要用放大鏡才能看清楚的石頭被分成兩半，一半收藏在北京天文館，一半由中國月球探測工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研究?？蒲腥藛T不僅判斷出該樣本是在“阿波羅”17號任務(wù)中采集的，確認(rèn)了采集地點(diǎn)，甚至還分析出石頭所在地區(qū)是否有陽光照射。

為月球基地建設(shè)提供信息

登月以后的下一個目標(biāo)就是在月球表面建立基地。由于月壤處于月球的最表層，具有松散、非固結(jié)、細(xì)顆粒和易于開采的特點(diǎn)，是未來月球基地建設(shè)、采礦、修路、資源提取的首選目標(biāo)。在可預(yù)見的相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，月壤的經(jīng)濟(jì)價(jià)值遠(yuǎn)高于地下的月巖。因此，通過對月壤的精細(xì)研究，可提供月球資源開發(fā)利用前景的重要信息，并為月球基地的選址提供重要的科學(xué)依據(jù)。由于地球和月球之間運(yùn)輸費(fèi)用十分昂貴，月壤資源的就地開發(fā)利用，可以大大減少從地球上運(yùn)到月球的運(yùn)貨量，從而降低經(jīng)費(fèi)投入。

此次“嫦娥”五號所打造的采集器材，屬于智能無人技術(shù)，比美國的載人登月成本要低很多，但是也有局限性：“嫦娥”五號探測器沒有辦法大范圍地開展收集工作，只能在登陸點(diǎn)進(jìn)行收集。但是中國探月航空器登月點(diǎn)和美國當(dāng)年的登月點(diǎn)距離很遠(yuǎn)，“嫦娥”五號探測器的著陸點(diǎn)為月球正面西北部的呂姆克山脈。我國選擇的著陸點(diǎn)距離阿波羅計(jì)劃著陸點(diǎn)有上千千米距離，將會迎來新的發(fā)現(xiàn)。

四個首次突破

與“嫦娥”三號、“嫦娥”四號不同，“嫦娥”五號將實(shí)現(xiàn)4個重大首次突破：首次在月球表面自動采樣；首次從月面起飛；首次在38萬千米外的月球軌道上進(jìn)行無人交會對接；首次帶著月壤以第二宇宙速度返回地球。

第一個首次：鉆取月壤，無污染封裝

“嫦娥”五號計(jì)劃在月面采集2千克樣品，并且是通過兩種方式獲得月壤。 一種方式是利用鉆取器，在月球上降落之后，由它來負(fù)責(zé)鉆取，獲取深度為2米的月球樣品。另一種方式是用機(jī)械臂的電鏟鏟取月壤，取得月球表面具有獨(dú)特信息的月球樣品。獲取的樣品必須盡量保持原樣，不能破壞其層次結(jié)構(gòu)。此外還要在月面真空環(huán)境下完成樣品封裝，并帶回地球，整個環(huán)節(jié)必須分毫不差。蘇聯(lián)曾多次嘗試月面采樣，僅成功3次，共帶回樣品300多克，可見其難度。

人們對月表之下的情況不得而知，很可能遇到堅(jiān)硬的巨石，也可能是松軟的土壤，或者其他不同含量的礦物質(zhì)，機(jī)器零部件的運(yùn)動磨損和熱脹冷縮情況也會有所不同。我國科研人員對這一鉆探過程在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，想象了各種不同的情況，通過模擬月壤情況，對“嫦娥”五號的采樣器進(jìn)行驗(yàn)證，檢測鉆取過程遇到阻力時(shí)的狀況，將可靠性提升到最高。

第二個首次：從月面起飛

中國之前發(fā)射到月球表面的探測器，在完成任務(wù)后都留在了月球表面，例如“嫦娥”三號和“嫦娥”四號。但本次任務(wù)的核心是返回，月面起飛是最關(guān)鍵的技術(shù)突破。

完成月面采樣后，“嫦娥”五號的上升器要從月面起飛，擺脫月球引力抵達(dá)環(huán)月軌道。這個任務(wù)將由上升器來完成，上升器將在月球表面進(jìn)行首次月面起飛，但只能進(jìn)行短距離的飛行。因?yàn)樗鼣y帶的燃料有限，不可能直接飛回地球，只能到達(dá)在月球軌道飛行的軌道器，由軌道器攜帶返回器完成接下來的行程。月面起飛是完全自主的，其姿態(tài)有不確定性，不像在地球上發(fā)射火箭，有穩(wěn)定的發(fā)射平臺和地面人員提供保障。這是一項(xiàng)十分復(fù)雜的新技術(shù)，相當(dāng)于在月球上發(fā)射一個火箭，要實(shí)現(xiàn)自動發(fā)射，需要許多關(guān)鍵技術(shù)的突破。

第三個首次：上升器與軌道器的對接

在月球采集的樣品被送入月球軌道后將與軌道器對接，它們的對接將是“針尖”對“針尖”的對接，而這種對接在距離地球38萬千米外進(jìn)行，地球上無法看見，也根本無法提供數(shù)據(jù)和測控支持，完全由事先植入的人工智能來完成，也就是說月球軌道上任何一點(diǎn)無法預(yù)料的變化都有可能令對接失敗。在交會對接之后，還要實(shí)現(xiàn)樣品的轉(zhuǎn)移，樣品要從上升器里轉(zhuǎn)移到返回器里，過程也比較復(fù)雜，動作很多，難度較大。

第四個首次：接近第二宇宙速度返回地球

與“神舟”飛船回家時(shí)一頭扎進(jìn)大氣層不同，“嫦娥”五號返回地球的速度非常快，將達(dá)到11.2千米每秒的第二宇宙速度，以這樣的速度進(jìn)入大氣層，勢必會因?yàn)楦邷囟粺龤?。要控制它減速至7.9千米每秒的第一宇宙速度進(jìn)入地球軌道，乃至最終安全返回到指定地點(diǎn)，這些都有很大難度。

要在進(jìn)入大氣層階段把速度降下來，我國選擇了“彈跳式”再入返回技術(shù)。當(dāng)“嫦娥”五號以計(jì)算好的某個角度與大氣層接觸后，和大氣層產(chǎn)生相互作用力，“嫦娥”五號就像碰觸到水面的小石子一樣，彈跳起來，然后再次接觸大氣層，就像人們時(shí)常玩的“打水漂”，以達(dá)到減速目的。這個控制要求比較高，彈跳需要精確計(jì)算，一不小心就被彈回大氣層外，再也無法回到地球。為克服氣流等引起的不確定因素，在彈跳過程中，還有多臺小發(fā)動機(jī)在適時(shí)點(diǎn)火，控制姿態(tài)，確保每一步升降都準(zhǔn)確。只有每一步都準(zhǔn)確，才能準(zhǔn)確降落至內(nèi)蒙古中部的預(yù)定降落場。飛行器從月球軌道回家，采用“彈跳式”進(jìn)入大氣層的方式，僅有蘇聯(lián)采用過。