十三年“探月工程”长路，约两公斤月球土壤终于即将带回中国

11月24日凌晨4点30分，“长征五号”运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空，顺利将重达8.2吨的“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道。

此次登月采样返回任务，"嫦娥五号"将在月球表面向下钻探2米深，取出约2公斤岩石样本带回地球。这是探月工程“绕、落、回”三步走中，第三步的首次任务。

“长征五号“运载火箭升空。图片：中国探月

中国工程院院士、航天科技集团一院运载火箭专家龙乐豪在接受《焦点访谈》时表示，从探月工程来讲，“‘绕’我们开头了，‘落’也是中间的，‘回’主要是采样返回。这次是最后一战。”

据中国国家航天局（CNSA）最新消息称，12月3日23时10分，"嫦娥五号"从月面起飞，将携带样品的上升器送入到预定环月轨道，顺利完成最关键、风险最高的操作阶段。

上升器发动机点火瞬间。图片：国家航天局

如果后续一切顺利，"嫦娥五号"将于12月中旬在内蒙古着陆，成为自1976年前苏联的“月球24号 （Luna24）”以来首次完成登月采样返回任务。

时隔半个世纪，科学家们将再次拥有月岩样本，研究月球历史后期发生的事情，以及地球和太阳系是如何演化的。

01////

奔月“挖土”前史

月亮寄托了人们很多浪漫的想象，嫦娥工程的名字正是从中而来。嫦娥工程，也叫“探月工程”，始于2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星由“长征三号甲”运载火箭在西昌卫星发射中心顺利发射，于11月5日准确进入了环月轨道。

彼时，“嫦娥一号”来到月球表面，在其上方100至200公里处盘旋，将微波信号反射到月球表面，产生了当时最高分辨率的图像。除了绘制月球上的特征图外，“嫦娥一号”还调查了月球土壤中氦-3元素的情况。据任务设计者说，有朝一日，氦-3或许能为核反应堆提供动力。

图片：探月工程

但要追溯“挖土”前史，还得将时间再往前推7年。2000年，中国科学院研究组提出 “绕、落、回” 三步走的设想。同年11 月 22 日, 国务院发布的《中国的航天》白皮书, 明确将其列入了近期发展的目标。

等到2004年1月23日，国务院才正式批准了月球探测工程一期——绕月探测工程立项，月球及深空探测活动的序幕也由此拉开。同年2月25日，绕月探测工程被正式命名为 “嫦娥工程”。

在公开演讲中，航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢说，“‘绕、落、回’——这三个字就是对我们国家探月工程这三个目标最好的概括。”

彭兢。图片：《设定一个小目标，去月球》演讲图

所谓“绕、落、回”, 即是分别以环绕月球实现全局探测、在月面软着陆并巡视开展精细探测、在月球表层采集样品并带回地球进行实验室研究为核心目标。

三者是逐次递进的关系。

“嫦娥一号”发射一年后，CNSA派出“嫦娥二号”航天器完成“绕”的后续任务，绘制出了更为壮观的月球表面地图。这艘航天器的主要目标是为后续的着陆器侦察位置。

“嫦娥二号”在结束其主要任务后，离开月球轨道，飞向日地拉格朗日L2点。在那里，地球和太阳的引力刚好抵消。

由此，CNSA成为第三个访问该点的机构，并在该点展示了深空通信和跟踪技术，继续为未来任务做准备。

“嫦娥二号”属于探月工程二期。二期包括“嫦娥二号”、“嫦娥三号”和“嫦娥四号”3 次任务，其主要目标是实现在月面软着陆，开展月面就位探测与巡视勘察。

其中，“嫦娥三号”的任务目标是实现探月二期“落”。而“嫦娥二号”为工程先导星、“嫦娥四号”为“嫦娥三号”的备份。

“嫦娥五号”关键环节分解图。图片：中国探月

2013年12月2日，“嫦娥三号”探测器随“长征三号乙”运载火箭从西昌卫星发射中心升空。探测器精确入轨、成功环月，并于12月14日安全着陆于虹湾预选着陆区，12月15日巡视器和着陆器可靠分离并完成互拍，开展了“测月、巡天、观地”等探测，获得了大量科学数据。

而此次奔月“挖土”属于第三阶段，即在2020年发射月球采样返回器到月球表面特定区域软着陆并采样，然后将月球样品带回地球，在实验室进行详细研究。但想实现奔月”挖土”并非易事。

02////

登月“挖土”之难

作为“探月工程”收官之作，“嫦娥五号”所面临的困难，比其“姐妹们”要多很多。“嫦娥一号”总设计师叶培建院士在论文中写道，“（五号面临的）技术挑战是前所未有的, 新技术多, 试验验证更难。”

在接受《焦点访谈》采访时，航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总指挥张高表示，“（这次）我们实际上是把前期探月工程，包括说载人航天、返回式卫星等，应该（是）作为相关航天技术集成的一个任务。”

“嫦娥五号”探测器。图片：见图片右下角

据彭兢介绍，“嫦娥五号”探测器有四部分结构。从下往上，分别是轨道器、上面一点在轨道器肚子里面有一个返回器，然后是着陆器，最顶上是上升器。

在彭兢看来，这个任务最复杂的地方就在于环环相扣，每个环节都不能存在任何误差，因为“可能刚开始只是几秒钟的差别，或者几分钟的差别，到后边一定程度或者说其它一些条件变化之后，可能整个任务就没法继续了。“

叶培建院士在《中国月球探测器发展历程和经验初探》中把“嫦娥五号”的难点归结为“三多”，飞行阶段多、关键环节多、设计约束多。

所谓飞行阶段多，是因为探测器有四器组合体、两器组合体、对接组合体、单器等多种工作模式, 而整个飞行过程中舱段之间需要进行多次分离，飞行程序时序性强，各个飞行事件环环相扣，探测器系统工作模式和串联环节多，对系统可靠性要求高。

“嫦娥五号”航天器。图片：中国探月

对此，航天科技集团八院、嫦娥五号探测器系统副总设计师查学雷也对《焦点访谈》记者表示，“原来设计器是跟轨道器完全匹配的，如果它拖的话，上升的时间和上升的轨迹就会不一样了。”

而关键环节多，指的是若想完成月球采样返回任务, 探测器需完成安全软着陆、月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接、高速再入返回、多次分离等多个环节；设计约束多指的则是系统设计面临着设计约束多和资源受限的问题。

探测器在月球表面自动采样。图片：中国探月。

其中，月面采样是探月三期工程中最核心的一个任务，如何在月球采集到尽可能多的月壤样本，并且封装好，是嫦娥五号的研制重点。而月面起飞是风险系数较高的阶段。

就月面采样问题，彭兢介绍，“一种是钻取，一种是表取。具体来讲，钻取就是钻到月球表面两米深以下处，得到深层样品的层理信息。同时，在这个过程中，获取不同月球表面到月表以下不同深度的月壤，然后表取就是从月球表面去铲土这样的过程。”

据CNSA消息称，12月2日22时，“嫦娥五号”经过约19小时月面工作，顺利完成月球表面自动采样，并已按预定计划将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。

航天科技集团五院、嫦娥五号探测器总体副主任设计师朱舜杰告诉央视新闻的记者，“表取本来的计划是要做15次，但因为我们昨天实际工作确实比较顺利，每次采集到的土都比较多，所以在采集完12次之后，我们就发现就初级封装容器的罐子已经基本上满了。”

图片：“嫦娥五号”着上组合体着陆后全景相机环拍成像。

CNSA最新消息称，12月3日23时10分，“嫦娥五号”从月面起飞，顺利将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。据了解，“嫦娥五号”在月面起飞成功后，还面临着首次月球轨道交会对接，把样本移至返回器内，以及后续38万公里的回家路。按照计划，样品将在12月16日或12月17日左右降落在内蒙古的着陆场。

这将是一个具有里程碑意义的事件。自1976年苏联的“月球24号”任务带着大约170克样本返回地球以来，自动采集的原始月球样本还没有被送到过地球。

着陆点示意图。图片：中国探月

此刻，科学家们手中的研究材料还停留在1969年。当年，美国宇航局阿波罗任务将382公斤月球物质带回了地球。据悉，阿波罗的一些材料也来自于“嫦娥五号”的着陆点——“风暴海洋（Oceanus Procellarum）”。在1969年底，阿波罗12号曾探索过这个巨大的火山平原。

如果后续一切顺利的话，“嫦娥五号”带回的样品将帮助科学家了解月球历史后期发生的事情，以及地球和太阳系是如何演化的。

---