回望嫦娥五号的历程

意义

2020年11月24日嫦娥五号月球探测器在海南文昌发射场搭乘长征五号火箭发射升空，奔赴月球。嫦娥五号是我国首个月球采样任务目标是采集至少2千克月球样品，并在12月17日成功将样品带回了地球。这不仅标志着我国嫦娥工程已完成“绕、落、回”三部曲的第三阶段目标，也让人类时隔44年再次从月球带回岩石和土壤样品。

嫦娥五号的“自拍”

自拍图

软着陆在月球表面的嫦娥五号，由着陆上升组合体的全景相机环拍成像。中间可见着陆腿底座陷入月球土壤中留下的痕迹。这是由于在软着陆的最后阶段，着陆器的反冲发动机关闭，组合体以自由落体的方式接触月球表面，砸穿一部分月壤并陷入其中。上方是嫦娥五号的机械臂及采样器，在其下方和右下方能够看到被翻动的月壤，即月表采样留下的痕迹。在右侧还可以看到国旗展示系统展开的五星红旗，能够在十150"C的环境下保持鲜艳的色彩。不同于能够与月球车“互拍”的嫦娥三号和四号，嫦娥五号只能采用自拍”的方式。

作为“绕、落、回”三部曲的终章，嫦娥五号是中国航天史上当之无愧的最复杂的任务，难度相比于之前的环绕和着陆任务，可以说是上了几个台阶。从设备数量上看，“绕”的嫦娥一号和二号是“一件套”;“落”的三号是“两件套”(月球车和着陆器)，四号是“三件套”(相比三号加上了通信中继卫星“鹊桥号”);而嫦娥五号却需要“四件套”之多，包括了上升器、着陆器、返回器、轨道器。为了确保空前复杂的嫦娥五号任务的成功，我国专门在2014年发射了嫦娥五号T1试验任务(昵称“舞娣”)作为“实地演)习”。它由服务舱(模拟轨道器，不过并没有完整环绕月球)和返回舱两部分组成，完成了从地球飞到月球再返回、最后把返回舱扔回地球表面的工作。而嫦娥三号的月球车玉兔号上安装了有一定活动能力的机械臂，对嫦娥五号的机械臂也有相关的技术积累。不过，嫦娥五号的上升器需要从月球表面起飞并在月球轨道上将样品转移到返回舱内，这对中国航天来说是真正的第一次。

采样返回的“任务清单"

嫦娥五号之所以如此复杂，是因为采样返回任务要完成的事真的特别多。首先，长征五号火箭发射，把嫦娥五号“四件套”送往地月转移轨道，“四件套”一起飞往月球。经过2次轨道修正后，嫦娥五号抵达月球附近，主发动机启动，让组合体“刹车减速”进入预定的环月轨道。接下来，“四件套”分离，两两分头行动。着陆器带着上升器准备登陆月球采样，轨道器带着返回器在平均高度约200千米的环月轨道上飞行待命。之后，着陆上升组合体在月球正面预选着陆区内成功软着陆，这也是我国第3次探测器成功软着陆月面。嫦娥五号使用的能量由太阳能板提供，必须赶在月夜来临之前完成全部月面工作，并把样品送离月球，不然探测器就会在寒冷的月夜中“冻坏”。因此，落月之后，着陆器立刻开展了争分夺秒的“挖土”工程。着陆器设计了两种采样方式，一种是“钻取”，用钻具钻进月面以下2米深的地方，采集约0.5千克月球地下样品，另一种是“表取”，用机械臂前端采样器铲取约1.5千克月球表面样品。为了顺利采到样品，着陆器上还携带了相机、月壤结构探测仪等科学仪器，确保采样装置不被坚硬的石块磕伤。原本计划月面采样工作在48小时内完成，实际上钻取、表取和样品封装总共只花了约19个小时。

这些珍贵的月球样品转移入上升器的贮存装置中，准备从月面起飞。想要起飞，就意味着需要类似发射火箭的装置。当然，人类短时间内很难在月球上建立像地球上的火箭发射场那样成熟的发射塔架系统。因此，嫦娥五号采用了简化的配置:上升器底部有发动机，而着陆器用来充当上升器起飞时的“临时塔架”。由于我们想要的其实只有样品，沉重的着陆器只好成为人类又一座留在月面的遗迹。不过在起飞之前，嫦娥五号在月面还要完成一件重要的事情:升国旗。不同于之前的嫦娥任务将国旗直接贴在探测器上，嫦娥五号采用了一种更具仪式感的方式:通过二级支架机构的弹出，让探测器自己完成展开和树起国旗的操作。完成所有月面任务后，上升器点火上升，发动机开机工作约6分钟。这是嫦娥五号整个任务过程中从未实地验证过的关键操作，也是我国首次实现在地外天体上起飞。起飞后的上升器，经历了垂直上升、姿态调整和轨道射入3个阶段后，顺利进入预定轨道环月飞行。

然而，如果需要上升器自己从月球直接飞回地球的话那么其设计的复杂度和重量都要相应提升，而这些压力层层传递后最终都会落在从地球发射的火箭上。要知道，采取直接返回方式的苏联月球号任务只挖了百余克月球样品，而嫦娥五号可是要挖2千克的。为了给昵称“胖五”的长征五号火箭“减负”，嫦娥五号，号采用了类似阿波罗载人登月任务使用的方式来转移样品:交会对接。着陆器工作期间，轨道器在环月轨道待命。等上升器起飞之后，两者将再次“碰头”。上升器进入环月轨道后，与待机已久的轨道返回组合体顺利会师，轨道器以“抓抱”的方式捕获上升器，完成交会对接，密封好的样品容器随即转移至返回舱中。这也是我国首次实现环月轨道上的交会对接和样品转移。而把样品转移后，上升器的使命就完成了。为了避免成为太空垃圾，上升器随后受控离开环月轨道，坠落在月面的预定区域。然后，待到返回地球的月地转移窗口来临，轨道器便带着装有样品的返回舱一起轻装上路，从月球上空飞回地球上空。之后，只需把包裹着月球样品的返回舱扔回地球大气层就可以了。为了防止在进入地球大气层过程中温度过高，以接近第二宇宙速度冲向地球的返回舱会在大气层上“打个水漂”，先跳出大气层再以第一宇宙速度再入，最终打开降落伞，回到地球表面。总之，想要采集到月球样品并送回地球，嫦娥五号全程需要完成两次发射、两次着陆、一次月轨交会对接“绕月”“落月”“返回”都需要完成，所以轨道器、着陆器、上升器、返回器这“四件套”一个都不能少。另外，复杂的操作需要更多的燃料，这和设备一样都要加到总重里。之前，嫦娥四号的着陆器和月球车总重3.78吨正在赶往火星的天问一号“三件套”(巡视器、着陆器、火星车)总重近5吨。而到了嫦娥五号“四件套”，总重直接飙升到了8.2吨。这一起飞重量远超发射嫦娥四号的长征三号乙火箭的运力极限，因此嫦娥五号和天问一号一样，都必须由我国目前运力最强大的长征五号火箭来发射。

为什么要去月球“挖土”?

嫦娥五号任务意味着我国有望成为继美国、苏联之后，第三个实现月球采样返回的国家。那么，既然美国和苏联已经多次成功带回过月面样品，我们再辛辛苦苦跑去月球“挖土”并带回来的意义在哪里呢?没错，从1969年到1976年，6次阿波罗任务和3次月球号任务为人类带回了月球表面9个区域共计382千克的月球岩石和土壤样品。这些珍贵的月球样品，让我们能够真正接触到有明确产地的月球物质，得以在实验室里开展全方位的分析研究。这是月球探测器遥感探测和在地球上分析月球陨石所做不到的。对这些月球样品的放射性定年，也让我们能够确定月球上一部分区域的绝对年龄，并以此建立起了月球45亿年的演化历史。甚至地球之外的整个内太阳系其他行星的地质演化历史，都是在参考月球样品绝对年龄的基础上建立起来的。但是,这些样品对我们认识月球而言,依然太过局限了。此前采集的样品大多来自月球正面中低纬度的月海区域，形成年龄集中在42亿~32亿年前。而在这个范围之外的月球地质历史，全部是以此为锚点，并参考其他观测结果(主要是撞击坑统计)外推而来的。也就是说，我们只是在月球很有限的一部分区域内，找到了形成于一小段时间里的“考古记录”，却要用它来重建整个月球45亿年历史，甚至还要外推到其他类地行星上。可以想象，其中的很多认识存在着很大的不确定性。而唯一的解决方法，就是重返月球，采集更多来自不同地质背景、形成于不同历史时期的月球样品。唯有这样，我们才能完整还原月球的历史，真正全面认识月球，认识地月系统，甚至认识整个太阳系的过去。这正是嫦娥五号的意义所在。

嫦娥五号登陆位置为月球正面风暴洋北部的吕姆克山(Mons Rimker)一带。虽然同在月海区域内，但这是一片远离阿波罗和月球号采样区的地方，有着丰富的火山活动遗迹和可能与之前的样品不同的岩石类型。吕姆克山周围被较为年轻的月海玄武岩覆盖，因此，嫦娥五号采集到的样品很可能形成于10亿~20亿年前。预计这些样品将填补月球地质定年和年代划分上最大的一块空白。嫦娥五号采集的月球样品回到地球后，将由中国科学院国家天文台的探月工程地面应用系统进行封、处理、分析和存储。目前，国家天文台等多家科研机构已为此建设了专门的月球样品实验室。

除了带回的月球样品外，嫦娥五号着陆器还携带了降落相机、全景相机、月壤结构探测仪、月球矿物光谱分析仪等有效载荷。降落相机负责在降落过程中获取降落区域的高精度地形地貌数据，以确定合适的降落位置。全景相机在表取采样前后，对降落区域进行了多次环拍，获取了700余幅月表图像。月壤结构探测仪类似于嫦娥四号的测月雷达，可通过主动发射与接收电磁波探测地下数米深度月壤的厚度和结构。特别在钻取过程中，能通过分析下方石块的情况，避开地下的坚硬物体。月球矿物光谱分析仪是嫦娥四号红外成像光谱仪的升级版，能通过光谱的吸收特征测量矿物的种类分布，目前已确定采样点含有玄武质物质。

嫦娥计划的科学成就

2007年11月，中国的首个探月任务嫦娥一号成功进入月球轨道，并完成了包括月面成像、激光测高、矿物和光谱成分探测等一系列科学观测，这标志着中国正式进入“月球俱乐部”。在之后的十多年里，稳步推进的嫦娥计划让中国成为贡献最多月球科学数据的国家之一。

2010年，嫦娥二号成功进入月球轨道，并在完成了计划探测任务之后飞掠小行星图塔蒂斯，成为第一个获取该小行星高清影像的探测器。

2013年，嫦娥三号成功着陆月球正面的雨海西北部，并释放月球车玉兔号，这是人类时隔37年再一次成功完成月面软着陆器和月球车释放。

嫦娥四号于2018年12月8日发射，并在2019年1月3日顺利着陆于月球背面南极-艾特肯盆地内的冯，卡门撞击坑中，并释放月球车玉兔二号，这也是人类探测器第一次成功踏上月球背面的土地。

为了解决位于背面的着陆器和月球车与地球基站的通信难题，我国还在嫦娥四号发射的半年前预先发射了通信中继

卫星“鹊桥号”，前往地月拉格朗日L2晕轨道。这也是人类唯一一颗在地月拉格朗日L2点附近的通信中继卫星。

嫦娥三号和四号的近距离实地考察，为人类深入认识月球的表面细节和浅表层结构等诸多方面做出了重要贡献。嫦娥三号和四号的月球车都携带了两种频率的测月雷达，通过不同频率的电磁波探测月球车沿途不同深度的浅表层结构。以嫦娥四号为例，高频测月雷达显示:玉兔二号沿途地下约11米是一层颗粒细腻的月壤，约11~26米深度是来自着陆区附近较年轻的撞击坑形成时带来的溅射物，约26~40米深度是月海玄武岩。低频测月雷达显示了更深处的地层结构:约40~130米深度依然是月海玄武岩，约130~226米深度是

月海玄武岩混合着更早时期的撞击坑形成时飞来的小块溅射物，约226~350米深则为更古老的大块溅射物。

虽然玉兔号月球车仅工作了3个月球日，但嫦娥三号着陆器至今仍在运行中，刷新了月面探测器工作时间的世界纪录。而嫦娥四号的着陆器和玉兔二号月球车更是一直健康工作至今。截至2020年11月22日，嫦娥四号着陆器和月球车先后完成第24个月昼的工作，累计已在月球背面工作了690个地球日，玉兔二号累积行驶589.6米。

作为中国第6个月球探测任务(包括“舞娣”实验任务)，嫦娥五号标志着嫦娥工程“绕、落、回”三部曲完成了第三阶段目标。但这并不意味着嫦娥工程的结束，而是新的开始在不远的将来，嫦娥六号计划完成月球南极采样，嫦娥七号计划对月球南极展开综合探测，为将来的月球基地做前期考察准备。中国的月球基地和载人登月，也很可能在我们有生之年实现。当然，也不止月球。天问一号“祝融号”火星车也顺利登陆火星，而我国的小行星采样返回任务、木星卫星探测任务、火星采样返回任务、系外行星探测任务等一系列对未知宇宙的探索都已纳入日程，有望一一实现。