原標題：到月球“挖土”分幾步？| 紅杉愛科學 來源：紅杉匯

正如大都會藝術博物館館長Max Hollein所說，“月球一直是人類幻想和靈感的來源”。古希臘人、古羅馬人把月球想象成一片未經開發、光滑潔白的圣地；中國古人也將對月球的向往化為嫦娥奔月的浪漫傳說。而如今，人類已經將幻想變為現實，踏上奔赴之旅。

11月24日4時30分，長征五號運載火箭從中國文昌航天發射場起飛，將重達8.2噸的嫦娥五號探測器精準送入地月轉移軌道，開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。嫦娥五號如何誕生的？嫦娥五號要去月球做什么？月球采樣的目的是什么？本文，我們與你一同探討探月背后的科技意義。

2020年，[紅杉匯]推出全新欄目“紅杉愛科學”，將更多地把目光投向前沿科技領域，追尋現象背后的深層次答案，聚焦硬科技最新突破，探索關乎人類生存方式的科技進展。

嫦娥五號十年鑄器

早在2009年，那時的中國嫦娥工程剛剛實現了“繞”月，志在無人采樣返回的嫦娥五號探測器的相關論證工作就開始了。

什么樣的方案適合中國？采樣量定多少？是否一定要經過月球軌道交會對接？再入返回地球時采用彈道式還是跳躍式？是否要建立中國自己的深空探測網？?

經過反復的討論，論證組最終確定了如下方案：探測器由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，歷經發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行、著陸下降等階段，在完成月面工作后，再經月面上升、月球軌道交會對接與樣品轉移、環月等待、月地轉移和再入回收等飛行階段，攜2公斤月球樣品在內蒙古四子王旗著陸。

2011年，嫦娥五號正式立項，任務是實現無人采樣返回；2012年年底，完成技術攻關和方案論證工作，轉入初樣研制階段；2015年年底，完成初樣階段研制工作，轉入正樣研制階段；2017年1月，探測器具備出廠條件……直到2020年的成功發射，嫦娥五號做了整整十年的準備。

長征五號火箭立項在先。根據火箭的最大推力，嫦娥五號探測器的重量設定在8.2噸。其中，光推進劑就占到5噸多。探測器系統要全面瘦身，多個備份產品也要取消。因此，可靠的輕量化設計是貫穿始終的主題。

不同于神舟飛船的交會對接系統，嫦娥五號在月球軌道上的交會對接系統僅30多公斤。在嚴格的重量約束下，嫦娥五號應用仿生學原理，設計了抱爪式的對接裝置和連桿式的轉移裝置，實現月球樣品的轉移。

占據重頭分量的推進分系統，自然也成為減重的焦點。嫦娥五號應用了國內最輕的復合材料氣瓶，軌道器、著陸器和上升器3個器中有2個器采用了更輕的表面張力貯箱方案，另一個器也采用了更輕的材料來制造金屬膜片貯箱，同時對大部分發動機進行了重新設計、試驗。這些措施效果顯著，僅著陸器的4個貯箱就比最初方案減重26公斤。

與此同時，大量的工程試驗工作也在同步進行著。如何模擬出真實的月球環境，對任務的成敗至關重要。以嫦娥五號實現月球軟著陸的重要機構——著陸緩沖機構為例，只有置身于1/6重力場，它才能找到降落月面、支撐采樣工作及上升器起飛的感覺。

再如，月面起飛是前所未有的一個全新環節，面臨軌道設計、起飛測控、發動機羽流導流等一系列難題。GNC系統在1/6重力條件下，綜合3000牛發動機、敏感器等各種產品性能，通過大量試驗，最終使上升器哪怕著陸在有一定斜度的坡面也能安全起飛。

嫦娥五號首次帶著月壤以近第二宇宙速度返回地球，風險極大。早在嫦娥五號、六號立項評估時，就有專家提出，直接執行任務跨度太大，應該增加一次飛行驗證任務。因此，嫦娥五號任務有了一次真實的太空試驗。根據設計，再入返回器進入大氣層后，通過飛行控制提升高度，在太空滑行一段距離后再次進入大氣層，然后在內蒙古中部地區著陸。這種“半彈道跳躍式再入”，因原理和過程就像打水漂，因此又被形象地稱為“太空打水漂”。

2014年11月1日，再入返回飛行試驗器在內蒙古預定區域順利著陸，試驗獲得圓滿成功。通過真實飛行，科研人員獲得了高速再入返回地球的相關軌道設計、氣動、熱防護、制導導航與控制等關鍵技術數據。

歷經了各種大考，2017年1月，嫦娥五號具備了出廠條件。

但嫦娥五號預定發射日期一變再變，從最早計劃的2017年年底到2019年，直至2020年。在漫長的等待時間里，探測器大概已經加電測了2000多個小時了。綜合考慮后，嫦娥五號團隊決定采取充入氮氣整體貯存這樣一個方案。這種做法在先前的航天器中也有應用，但是像這樣規模的整器貯存還是第一次。

直到2020年11月24日，嫦娥五號帶著使命奔向月球。

去月球“挖土”

這次嫦娥五號的任務可以分解成以下幾個步驟：

1）發射火箭，從地球起飛

2）從地球上空飛到月球上空

3）著陸在月球表面

4）在月球表面采樣

5）從月球表面起飛

6）從月球上空飛回地球上空

7）把樣品送回地球

在這些步驟中，意義最為重大的就是“月球采樣返回”這件事。嫦娥五號如果成功完成任務，就意味著人類時隔44年將再次從月球帶回巖石和土壤樣品——上一次月球采樣返回任務，還是1976年蘇聯的月球24號。

在月球上取樣，說的通俗點，就是在月球上“挖土”。

首先來看鉆取。鉆取的目標深度是兩米左右。由于嫦娥五號本身是由上升器、著陸器、返回器和軌道器四部分共同構成，這個重8.2噸的大家伙已經不能再胖了，也就決定了它沒有機會再攜帶巡視器，相比嫦娥三號和嫦娥四號，嫦娥五號不能再依靠巡視器完成勘探的工作，同時，嫦娥五號的著陸器又是不能移動的，所以風險難度再+1。

再來看表取。科學家們專門為這種采樣方式設置了特定的機械臂。這個機械臂和人手幾乎是一樣的，在末端，就是腕關節上有兩個采樣器。一個采樣器類似于一個鏟子，這個鏟子有點像帶鉤子的鐵鍬，通過接近月面的時候轉動，從月面挖取樣品。在表取時將使用兩種采樣器，除了鏟挖式，還有一種末端為花瓣狀結構的采樣器，它能通過旋轉，破碎掉黏結在一起的月壤，從而獲得相對較深層的樣品。取完樣品后，著陸器使命達成，就留在了月面之上。

為了確保樣品能夠保持在月球表面的狀態，取得的樣品將用上升器的密封封裝裝置進行高真空密封，隨后帶回地球。嫦娥五號將在月球上完成無人樣品轉移，這在人類的航天歷史上是首次。

最后，攜帶樣品返回地球的重任交給了軌道器和返回器，上升器就留在了太空中。返回器將采取在大氣層邊緣多次滑躍式返回方式，進行多次減速。其中每一次與大氣的接觸都需要經過精準計算，最終讓返回器以安全速度沖入大氣，通過氣動減速和降落傘減速等方式，準確安全地降落在預定著陸場。

月球土壤有什么用？

我們為什么要跑到月球上面采集土壤樣品回來研究呢？月壤究竟有什么科研價值？對我們有什么意義呢？

從1969年到1976年，6次阿波羅任務和3次月球號任務帶回了月球表面9個區域共計382公斤的月球巖石和土壤樣品。

正是這些珍貴的月球樣品，讓我們能夠真正接觸到有明確產地的月球物質，能真正在實驗室里全方位分析研究這些月球物質——這是月球探測器遙感探測和在地球上分析月球隕石所做不到的。對這些月球樣品的放射性定年，也讓我們真正確定了月球上一部分區域的絕對年齡，并以此建立起了月球45億年的演化歷史。甚至，地球之外的整個內太陽系所有行星的地質演化歷史，都是在參考月球樣品絕對年齡的基礎上建立起來的。

之前美國和蘇聯的月球任務所獲得的巖石表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。不過，后來對月球表面的觀測發現，某些區域可能含有最近10-20億年前才形成的火山熔巖。

如果“嫦娥五號”的樣本證實這段時間月球仍在活動，就有可能“改寫月球的歷史”。

同時，研究月壤的成分，也可以澄清是什么為“熱活動”提供了燃料。因為月球很小，熱引擎應該在很久以前就已經耗盡了。

另外，根據計算隕石坑的方法，月球也是為其他行星“測歲數”的重要參考。一般來說，古老的區域有更多和更大的隕石坑，而較年輕的區域則有較少和較小的隕石坑。根據這些隕石坑的“年紀”，再利用月球上的土壤樣本，就可以得出絕對日期。

但是，從8.5億年前到32億年前這段時間，人們還沒有月壤樣本。“嫦娥五號”也許可以提供這個謎團的答案。

除科學意義外，月壤還含有豐富的資源。月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，它們是在月幔部分融化過程中，于月球表面下約300千米深處形成，因火山活動而噴出到月球表面。通過對樣品的分析與實驗證實，月壤和月巖中氧化鐵的含量很高，從中可以制取水和氧，未來可利用月面物質支持月球基地的運行，并為登月飛行器補充燃料。

更重要的是，科學家還在采集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用于核聚變發電后能夠滿足人類約1萬年的能源需求。此外，由于月壤處于月球的最表層，具有松散、非固結、細顆粒和易于開采的特點，是未來月球科研站建設、采礦、修路、資源提取的首選目標。

來源：

《十年鑄器，嫦娥五號這些年》中國航天報

《搞錯了，嫦娥不是去接玉兔的！人類史上最復雜無人探月任務有多難？》 材料九三

《成功發射！去月球“挖土”》中國經濟網

《“嫦娥五號”，去月球挖土》南風窗

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