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)”。

中國探月工程副總設(shè)計(jì)師、中國航天科技集團(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)記者采訪時(shí)，科普了嫦娥五號(hào)整個(gè)任務(wù)過程：

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，如果一猛子扎進(jìn)大氣層，一旦速度過猛，來不及減速，可能會(huì)撞毀。

為此，嫦娥工程中罕見地增加了一次試驗(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，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。

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?！庇诘窃普f，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，嫦娥五號(hào)采樣方案也與美蘇完全不同。蘇聯(lián)無人采樣任務(wù)中沒有采用交會(huì)對(duì)接，探測(cè)器直接從月面返回地球，美國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壳盎鸺\(yùn)載能力的限制，無法在一開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，我國無人自動(dòng)采樣返回方案，是在汲取美國有人采樣和蘇聯(lián)無人采樣的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)基礎(chǔ)上，結(jié)合我國實(shí)際情況走出的一條新路，”于登云說，“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，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，也做過月球軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。

“所以我們通過無人采樣返回兼顧了兩件事，這應(yīng)該是中國方案最大的亮點(diǎn)?！彼f。

嫦娥五號(hào)軌道器與返回器向地球返回效果圖。圖/中國航天科技集團(tuán)八院

最年輕的月球土壤

自1976年以后，全球再也沒有探測(cè)器在月面進(jìn)行過探測(cè)。直到2013年起，中國的嫦娥三號(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，為人類認(rèn)識(shí)月球和太陽系，遞過來一把鑰匙。通過對(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多年來關(guān)于月球是冷還是熱的爭論。尤其重要的是，1985年科學(xué)家們通過樣品分析，證實(shí)了月球上存在核能源氦-3，為后來月球研究和探測(cè)注入了巨大動(dòng)力。

“氦-3是理想、安全、高效的核聚變?nèi)剂?，這種資源地球上很少，只有10噸到15噸左右，而月球上的氦-3至少有約100萬噸。如果開發(fā)出來進(jìn)行核聚變發(fā)電，能滿足地球上一萬年的能源使用?！饼嬛普f。

科學(xué)家從月球上發(fā)現(xiàn)了越來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，成為未來建立月球基地的能量來源。

此次嫦娥五號(hào)采集的樣品，又將帶來什么新的訊息？

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，此地從未有其他國家的探測(cè)器到訪過。這里存在大約13億至20億年前的玄武巖，人類目前尚未有這一時(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，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/中國航天科技集團(tuán)八院