到月球“挖土”分几步？| 红杉爱科学

正如大都会艺术博物馆馆长Max Hollein所说，“月球一直是人类幻想和灵感的来源”。古希腊人、古罗马人把月球想象成一片未经开发、光滑洁白的圣地；中国古人也将对月球的向往化为嫦娥奔月的浪漫传说。而如今，人类已经将幻想变为现实，踏上奔赴之旅。
11月24日4时30分，长征五号运载火箭从中国文昌航天发射场起飞，将重达8.2吨的嫦娥五号探测器精准送入地月转移轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。嫦娥五号如何诞生的？嫦娥五号要去月球做什么？月球采样的目的是什么？本文，我们与你一同探讨探月背后的科技意义。
2020年，[红杉汇]推出全新栏目“红杉爱科学”，将更多地把目光投向前沿科技领域，追寻现象背后的深层次答案，聚焦硬科技最新突破，探索关乎人类生存方式的科技进展。

嫦娥五号十年铸器

早在2009年，那时的中国嫦娥工程刚刚实现了“绕”月，志在无人采样返回的嫦娥五号探测器的相关论证工作就开始了。
什么样的方案适合中国？采样量定多少？是否一定要经过月球轨道交会对接？再入返回地球时采用弹道式还是跳跃式？是否要建立中国自己的深空探测网？ 
经过反复的讨论，论证组最终确定了如下方案：探测器由轨道器、返回器、着陆器和上升器组成，历经发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降等阶段，在完成月面工作后，再经月面上升、月球轨道交会对接与样品转移、环月等待、月地转移和再入回收等飞行阶段，携2公斤月球样品在内蒙古四子王旗着陆。
2011年，嫦娥五号正式立项，任务是实现无人采样返回；2012年年底，完成技术攻关和方案论证工作，转入初样研制阶段；2015年年底，完成初样阶段研制工作，转入正样研制阶段；2017年1月，探测器具备出厂条件……直到2020年的成功发射，嫦娥五号做了整整十年的准备。
长征五号火箭立项在先。根据火箭的最大推力，嫦娥五号探测器的重量设定在8.2吨。其中，光推进剂就占到5吨多。探测器系统要全面瘦身，多个备份产品也要取消。因此，可靠的轻量化设计是贯穿始终的主题。
不同于神舟飞船的交会对接系统，嫦娥五号在月球轨道上的交会对接系统仅30多公斤。在严格的重量约束下，嫦娥五号应用仿生学原理，设计了抱爪式的对接装置和连杆式的转移装置，实现月球样品的转移。
占据重头分量的推进分系统，自然也成为减重的焦点。嫦娥五号应用了国内最轻的复合材料气瓶，轨道器、着陆器和上升器3个器中有2个器采用了更轻的表面张力贮箱方案，另一个器也采用了更轻的材料来制造金属膜片贮箱，同时对大部分发动机进行了重新设计、试验。这些措施效果显著，仅着陆器的4个贮箱就比最初方案减重26公斤。
与此同时，大量的工程试验工作也在同步进行着。如何模拟出真实的月球环境，对任务的成败至关重要。以嫦娥五号实现月球软着陆的重要机构——着陆缓冲机构为例，只有置身于1/6重力场，它才能找到降落月面、支撑采样工作及上升器起飞的感觉。
再如，月面起飞是前所未有的一个全新环节，面临轨道设计、起飞测控、发动机羽流导流等一系列难题。GNC系统在1/6重力条件下，综合3000牛发动机、敏感器等各种产品性能，通过大量试验，最终使上升器哪怕着陆在有一定斜度的坡面也能安全起飞。
嫦娥五号首次带着月壤以近第二宇宙速度返回地球，风险极大。早在嫦娥五号、六号立项评估时，就有专家提出，直接执行任务跨度太大，应该增加一次飞行验证任务。因此，嫦娥五号任务有了一次真实的太空试验。根据设计，再入返回器进入大气层后，通过飞行控制提升高度，在太空滑行一段距离后再次进入大气层，然后在内蒙古中部地区着陆。这种“半弹道跳跃式再入”，因原理和过程就像打水漂，因此又被形象地称为“太空打水漂”。
2014年11月1日，再入返回飞行试验器在内蒙古预定区域顺利着陆，试验获得圆满成功。通过真实飞行，科研人员获得了高速再入返回地球的相关轨道设计、气动、热防护、制导导航与控制等关键技术数据。
历经了各种大考，2017年1月，嫦娥五号具备了出厂条件。
但嫦娥五号预定发射日期一变再变，从最早计划的2017年年底到2019年，直至2020年。在漫长的等待时间里，探测器大概已经加电测了2000多个小时了。综合考虑后，嫦娥五号团队决定采取充入氮气整体贮存这样一个方案。这种做法在先前的航天器中也有应用，但是像这样规模的整器贮存还是第一次。
直到2020年11月24日，嫦娥五号带着使命奔向月球。

去月球“挖土”

这次嫦娥五号的任务可以分解成以下几个步骤：

1）发射火箭，从地球起飞

2）从地球上空飞到月球上空

3）着陆在月球表面

4）在月球表面采样

5）从月球表面起飞

6）从月球上空飞回地球上空

7）把样品送回地球

在这些步骤中，意义最为重大的就是“月球采样返回”这件事。嫦娥五号如果成功完成任务，就意味着人类时隔44年将再次从月球带回岩石和土壤样品——上一次月球采样返回任务，还是1976年苏联的月球24号。
在月球上取样，说的通俗点，就是在月球上“挖土”。
首先来看钻取。钻取的目标深度是两米左右。由于嫦娥五号本身是由上升器、着陆器、返回器和轨道器四部分共同构成，这个重8.2吨的大家伙已经不能再胖了，也就决定了它没有机会再携带巡视器，相比嫦娥三号和嫦娥四号，嫦娥五号不能再依靠巡视器完成勘探的工作，同时，嫦娥五号的着陆器又是不能移动的，所以风险难度再+1。
再来看表取。科学家们专门为这种采样方式设置了特定的机械臂。这个机械臂和人手几乎是一样的，在末端，就是腕关节上有两个采样器。一个采样器类似于一个铲子，这个铲子有点像带钩子的铁锹，通过接近月面的时候转动，从月面挖取样品。在表取时将使用两种采样器，除了铲挖式，还有一种末端为花瓣状结构的采样器，它能通过旋转，破碎掉黏结在一起的月壤，从而获得相对较深层的样品。取完样品后，着陆器使命达成，就留在了月面之上。
为了确保样品能够保持在月球表面的状态，取得的样品将用上升器的密封封装装置进行高真空密封，随后带回地球。嫦娥五号将在月球上完成无人样品转移，这在人类的航天历史上是首次。
最后，携带样品返回地球的重任交给了轨道器和返回器，上升器就留在了太空中。返回器将采取在大气层边缘多次滑跃式返回方式，进行多次减速。其中每一次与大气的接触都需要经过精准计算，最终让返回器以安全速度冲入大气，通过气动减速和降落伞减速等方式，准确安全地降落在预定着陆场。

月球土壤有什么用？

我们为什么要跑到月球上面采集土壤样品回来研究呢？月壤究竟有什么科研价值？对我们有什么意义呢？
从1969年到1976年，6次阿波罗任务和3次月球号任务带回了月球表面9个区域共计382公斤的月球岩石和土壤样品。
正是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，能真正在实验室里全方位分析研究这些月球物质——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，也让我们真正确定了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所有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。
之前美国和苏联的月球任务所获得的岩石表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。不过，后来对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10-20亿年前才形成的火山熔岩。
如果“嫦娥五号”的样本证实这段时间月球仍在活动，就有可能“改写月球的历史”。
同时，研究月壤的成分，也可以澄清是什么为“热活动”提供了燃料。因为月球很小，热引擎应该在很久以前就已经耗尽了。
另外，根据计算陨石坑的方法，月球也是为其他行星“测岁数”的重要参考。一般来说，古老的区域有更多和更大的陨石坑，而较年轻的区域则有较少和较小的陨石坑。根据这些陨石坑的“年纪”，再利用月球上的土壤样本，就可以得出绝对日期。
但是，从8.5亿年前到32亿年前这段时间，人们还没有月壤样本。“嫦娥五号”也许可以提供这个谜团的答案。
除科学意义外，月壤还含有丰富的资源。月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒，这些颗粒一般富含铝、硫和锌，它们是在月幔部分融化过程中，于月球表面下约300千米深处形成，因火山活动而喷出到月球表面。通过对样品的分析与实验证实，月壤和月岩中氧化铁的含量很高，从中可以制取水和氧，未来可利用月面物质支持月球基地的运行，并为登月飞行器补充燃料。
更重要的是，科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模，月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。此外，由于月壤处于月球的最表层，具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点，是未来月球科研站建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。

来源：《十年铸器，嫦娥五号这些年》中国航天报《搞错了，嫦娥不是去接玉兔的！人类史上最复杂无人探月任务有多难？》 材料九三《成功发射！去月球“挖土”》中国经济网《“嫦娥五号”，去月球挖土》南风窗

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