“‘嫦娥’要去月球挖土了!”

11月24日，隨著嫦娥五號(hào)成功發(fā)射，這句頗為形象的話很快在網(wǎng)絡(luò)上流傳開(kāi)來(lái)。作為我國(guó)探月工程“繞、落、回”三步走中的最后一步“回”，嫦娥五號(hào)將開(kāi)啟我國(guó)首次地外天體采樣返回之旅——飛到月球挖取月壤，再帶著月壤返回地球，這被認(rèn)為是我國(guó)迄今最復(fù)雜的航天工程之一。

“這次任務(wù)相對(duì)于我們已經(jīng)實(shí)施的繞月探測(cè)、落月探測(cè)來(lái)說(shuō)，是一次新的、更大的技術(shù)跨越。”國(guó)家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇說(shuō)。

在裴照宇看來(lái)，嫦娥五號(hào)任務(wù)對(duì)于我們“繞、落、回”整體規(guī)劃來(lái)說(shuō)，是收官之作;對(duì)于未來(lái)我國(guó)月球探測(cè)來(lái)說(shuō)，是奠基之作。

既是收官，又是奠基，可見(jiàn)嫦娥五號(hào)承擔(dān)的使命有多么艱巨和光榮。那么，要去月球挖土的“嫦娥”，這一路將面臨哪些挑戰(zhàn)?如何帶著月壤安全回家?

任務(wù)過(guò)程約23天，環(huán)環(huán)相扣不能有失誤

為何要去月球挖土?

一言以蔽之：為了更好地認(rèn)識(shí)月球。“將月壤樣品帶回地球，讓科學(xué)家進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，可以深化月球成因和演化歷史的研究，為和平利用空間資源貢獻(xiàn)中國(guó)智慧。”航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師阮劍華說(shuō)。

月球，我們已去過(guò)多次，但去月球自動(dòng)采樣并帶回地球，以前沒(méi)做過(guò)。嫦娥五號(hào)任務(wù)的復(fù)雜性和難度，可以用五個(gè)“首次”來(lái)詮釋。“一是地外天體的采樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會(huì)對(duì)接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是樣品的存儲(chǔ)、分析和研究，這在我國(guó)都是首次。”裴照宇言簡(jiǎn)意賅。

阮劍華介紹，嫦娥五號(hào)發(fā)射后，將經(jīng)過(guò)地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、月面軟著陸等過(guò)程，降落在月球正面風(fēng)暴洋東北部，然后通過(guò)表取采樣機(jī)構(gòu)和鉆取采樣機(jī)構(gòu)，采集月表巖石和土壤樣品，同時(shí)開(kāi)展科學(xué)探測(cè)。完成采樣和封裝后，在月面起飛，經(jīng)過(guò)月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移、再入地球等過(guò)程，返回并著陸于內(nèi)蒙古四子王旗地區(qū)。整個(gè)任務(wù)總共11個(gè)飛行階段，過(guò)程大約持續(xù)23天。

23天，看似很長(zhǎng)，但其實(shí)整個(gè)任務(wù)流程都很緊湊。“一環(huán)接一環(huán)，每一環(huán)留給我們的時(shí)間都不多，每一步工作都要非常準(zhǔn)確，各環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，不能有失誤。如果有一個(gè)出現(xiàn)意外情況，將帶來(lái)一系列后續(xù)問(wèn)題。”裴照宇強(qiáng)調(diào)。

挖土約2公斤，數(shù)量不算少

嫦娥五號(hào)探測(cè)器由上升器、著陸器、返回器、軌道器組成，在經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行后，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌運(yùn)行，著陸器承載上升器擇機(jī)實(shí)施月球正面預(yù)選區(qū)域軟著陸。著陸月球后，將在月面工作約兩天，這兩天里的一個(gè)重要任務(wù)就是挖土。

挖土看似簡(jiǎn)單，但不是隨便一鏟子下去就行。嫦娥五號(hào)采集的樣品，將被用來(lái)研究月球的起因和演化。要讓挖出來(lái)的土有更好的研究?jī)r(jià)值，必須提高采樣的可靠性，增加樣品的多樣性。因此，嫦娥五號(hào)將通過(guò)鉆取和表取兩種方式來(lái)采集樣品。

科學(xué)家給嫦娥五號(hào)提出的挖土目標(biāo)是：約2公斤。根據(jù)目前對(duì)采樣量的分配，鉆取的樣品是約0.5公斤，表取的樣品是約1.5公斤。

好不容易去一趟月球，為何不多挖點(diǎn)土帶回來(lái)?

“采集量的多少會(huì)影響到容器的大小，進(jìn)而影響到整個(gè)探測(cè)器的體積、重量，以及推進(jìn)劑的需求。”裴照宇解釋，比如，為了鉆取0.5公斤的樣品，探測(cè)器上的鉆取機(jī)構(gòu)要達(dá)到七八十公斤;為了表取1.5公斤的樣品，表取機(jī)構(gòu)也要幾十公斤;這100多公斤的采樣機(jī)構(gòu)都要由探測(cè)器送到月球去，會(huì)影響到探測(cè)器整體的重量、體積和功耗。

裴照宇指出，以2公斤的采樣量作為初始值來(lái)設(shè)計(jì)探測(cè)器，嫦娥五號(hào)探測(cè)器的總重量達(dá)到8.2噸。如果增加樣品的量，整個(gè)探測(cè)器很多指標(biāo)都會(huì)增長(zhǎng)，8.2噸很可能不夠，最后會(huì)超過(guò)火箭的運(yùn)載能力，目前的設(shè)計(jì)是平衡后的結(jié)果。“2公斤的數(shù)量不算少，工程上可實(shí)現(xiàn)。”他說(shuō)。

再入地球充滿考驗(yàn)，帶回樣品就是成功

挖完土并封裝后，嫦娥五號(hào)將開(kāi)啟回家之旅：上升器攜帶樣品從月面起飛，在月球軌道與軌道器實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接，樣品從上升器轉(zhuǎn)移到返回器，然后軌道器攜帶返回器完成月地轉(zhuǎn)移，返回器以第二宇宙速度再入地球，最后在內(nèi)蒙古四子王旗地區(qū)著陸。這正是探月任務(wù)“繞、落、回”的最后一步——回。

要從月球回到地球，嫦娥五號(hào)在月球軌道的交會(huì)對(duì)接很關(guān)鍵。這些年來(lái)，我們對(duì)“交會(huì)對(duì)接”這個(gè)詞并不陌生。我國(guó)載人航天工程曾進(jìn)行過(guò)多次交會(huì)對(duì)接。但這些交會(huì)對(duì)接都發(fā)生在地球軌道，在月球軌道上交會(huì)對(duì)接，嫦娥五號(hào)將是我國(guó)第一個(gè)。

完成交會(huì)對(duì)接和月地轉(zhuǎn)移后，嫦娥五號(hào)返回器將進(jìn)入地球。再入地球的過(guò)程，充滿考驗(yàn)。裴照宇指出，從地球軌道再入地球是7.9公里每秒的速度(即第一宇宙速度)，而從月球再入地球?qū)⑦_(dá)到11公里每秒的速度(即第二宇宙速度)，增加了30%以上。如此高速之下，探測(cè)器面臨的力和熱的環(huán)境要惡劣很多。

目前，嫦娥五號(hào)任務(wù)團(tuán)隊(duì)正在緊鑼密鼓地準(zhǔn)備飛控和返回器回收工作。“我們的目標(biāo)是采樣返回，采到樣品，返回地球，就是成功。不管帶多少，都是成功!”裴照宇強(qiáng)調(diào)，“當(dāng)然，既然設(shè)計(jì)了2公斤，我們會(huì)努力爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)這個(gè)指標(biāo)。”

為載人登月與深空探測(cè)打基礎(chǔ)

根據(jù)之前的部署，我國(guó)探月工程分為“無(wú)人月球探測(cè)”“載人登月”和“建立月球基地”三個(gè)階段。此次成功發(fā)射嫦娥五號(hào)的任務(wù)，裴照宇將其總結(jié)為既是“收官之作”，又是“奠基之作”。也就是說(shuō)，嫦娥五號(hào)在探月工程中將發(fā)揮著承上啟下的作用。

國(guó)家航天局表示，嫦娥五號(hào)任務(wù)將完善探月工程體系，為我國(guó)未來(lái)開(kāi)展載人登月與深空探測(cè)積累重要的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。這也意味著，還有更艱巨的任務(wù)在等著我們。

“在探月工程三期研制過(guò)程中，我們對(duì)后續(xù)的月球探測(cè)進(jìn)行了論證，規(guī)劃了嫦娥七號(hào)和嫦娥八號(hào)任務(wù)，這兩次任務(wù)的目標(biāo)是建設(shè)月球科研站基本型。”裴照宇透露。

在裴照宇看來(lái)，我們現(xiàn)在對(duì)月球的認(rèn)識(shí)，就像一百年前對(duì)深海的認(rèn)識(shí)一樣，仍非常有限，需要人類攜手一起探索。“我們向國(guó)際社會(huì)發(fā)出了倡議，希望與世界各國(guó)合作，共建國(guó)際月球科研站，這將為月球科學(xué)探測(cè)和月球相關(guān)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)提供共享平臺(tái)。”