中国航天历史性一天：嫦娥五号发射成功，44年后人类再去月球“挖土”

编者按：本文来自微信公众号“智东西”（ID:zhidxcom），作者：信仪，编辑：漠影，36氪经授权发布。

北京时间凌晨4时30分21秒806，我国搭载“嫦娥五号”月球探测器的“长征五号”火箭在我国文昌航天发射场成功发射升空，这是“嫦娥五号”首次从月球采样返回任务的第一步！

3！2！1！点火！振奋人心的一刻！

▲长征五号发射升空 来源：央视新闻正直播

这次“嫦娥”可不止是去往月球绕一圈，探探路拍些照片回来，这次她要做的是到月球上“挖土”，并将月球上的土壤和岩石带回国，可以称得上是无人版的“阿波罗登月”。

美国和苏联分别在20世纪六七十年代通过载人飞船和月球探测器为人类带回了月球上的土壤样本，但从1976年8月18日苏联的“月球24号”探测器最后一次采集月球样本至今，人类已经有44年没有再更新月壤样本，而今天中国终于也要采集月壤了！

▲阿波罗15号带回的月土样本

中国月球探测工程首席科学家，被誉为“嫦娥之父”的中国科学院院士欧阳自远说，“嫦娥五号”将实现我国4个重大首次的突破：

1、 首次在月球表面自动采样；

2、 首次从月面起飞；

3、 首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接；

4、 首次带着月壤以接近第二宇宙速度（若不计空气阻力，它的数值大小为11.2km/s，是第一宇宙速度的√2倍）返回地球。

中国的探月计划嫦娥工程于2004年正式启动，嫦娥工程分为“无人月球探测、载人登月、建立月球基地”三个阶段。目前我国仍处于“无人月球探测”阶段，又分为“绕、落、回”三步走。

目前，“嫦娥一号”到“嫦娥四号”任务已经圆满完成“绕、落”前两步的任务，“嫦娥五号”这次任务如果成功，将实现探月工程第三步战略目标。

据称，这次“嫦娥五号”要完成的任务被称为至今为止我国最复杂的航天任务之一。这次任务到底复杂在哪？以前的“嫦娥”探测器都完成了什么任务？如果这次“挖土”任务完成对我国和地球人类有什么意义？今天让我们一起跟随文章探寻。

01 十年磨一“器”

从昨晚6点至今，智东西一直在屏幕前关注着“嫦娥五号”的发射进展。随着发射塔周边的灯越来越亮，我们知道，这意味着距离发射的时间越来越近……

今夜的月亮在肉眼看来略微有些发红，不知道是不是月兔红了眼，在迎接着“嫦娥五号”的到来。

4时30分，一瞬间，火箭点火发射，耀眼的红光照亮了黑夜！我们能够看到火箭发动机喷出的尾焰。

▲长征五号发射升空 来源：央视新闻正直播

随着视觉上火焰逐渐由红色变为金黄色再变为偏蓝色，4时33分，助推器分离。

▲助推器分离 来源：央视新闻正直播

4时36分，整流罩分离，嫦娥五号露出真容。

▲整流罩分离 来源：央视新闻正直播

4时39分，一二级火箭分离。

4时43分，火箭二级一次关机。

5点05分，火箭二级二次关机。

5时06分，主发动机关机。

5时07分，调姿结束，器件分离，意味着嫦娥五号开始自主在太空中工作了。

▲调姿结束，器件分离 来源：央视新闻正直播

这一瞬间的迸发，以及屏住呼吸的半个小时，背后包含的是无数人日日夜夜的努力。

2020年11月17日，也就是在发射前一周，长征五号遥五运载火箭和“嫦娥五号”探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试后，垂直转运至发射区101发射工位，做好发射的准备，等待窗口期的出现。

▲长征五号遥五运载火箭垂直转运至发射区 来源：新华社

对于为什么选择凌晨发射这个问题，中国航天科技集团一院总体设计部博士钱航说：首先，在凌晨发射最有利于火箭奔月轨道的设计；二是减少太阳活动对于“嫦娥五号”的影响；三是晚上天空云层较少，有利于信号传播；四是凌晨整体环境亮度较低，方便观测。

“长征五号”火箭算起来已经是中国航天的老朋友了，从去年12月到今年，我们的“胖五”——“长征五号”系列运载火箭在一年之内完成了四发飞行任务，这也是史无前例的。

“胖五”总长56.97米，起飞重量863吨，箭体直径5米，将捆绑4个助推器，“嫦娥五号”探测器在发射前就安座在“胖五”的整流罩里。

工作人员表示，这次“长征五号”依靠的动力是液氢液氧燃料，能实现无毒无污染发射。

据央视网消息称，由于地球和月球的位置关系一直在变化，“嫦娥五号”任务的窗口只有三天，11月两天，12月1天，每天50分钟。

因此“长征五号”此次采用“窄窗口 多轨道”方案发射“嫦娥五号”，即每一条弹道都覆盖10分钟的一个窗口，通过5条弹道可以实现50分钟的一个窗口。

“窄窗口 多轨道”是提高发射概率和发射可靠性的一个重要措施，即使射前某个时段出现异常，应急处置延迟几分钟，还可以有发射机会，此前“天问一号”的发射也采用了相同的技术。

再来说我们这次任务的重中之重——“嫦娥五号”探测器。

“嫦娥五号”探测器，是由中国空间技术研究院（中国航天科技集团五院）研制的中国首个实施无人月面取样返回的航天器，全重8.2吨，由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分以及15个分系统组成。

▲“嫦娥五号”结构图 来源：人民日报客户端

要知道“嫦娥一号”和“嫦娥二号”仅仅有一个轨道器，“嫦娥三号”与“嫦娥四号”也只有一个着陆器和一个巡逻器。与此相比，“嫦娥五号”的装备可算是目前“嫦娥界顶配”。

从2013年转入初样研制阶段，到2014年探路兵发射升空，我国对“嫦娥五号”探月任务的布局和努力远不止十年。

02 “嫦娥五号”任务几大关键难点拆解

中国探月工程的“无人月球探测”阶段分为“绕、落、回”三步走，目前绕月和落月任务已经在前几个月球探测器的出色表现中圆满完成。

▲“绕、落、回”三步走

据探月三期的计划来看，“嫦娥五号”要实现的是月球取样并返回地球的任务，替我国带回月球上的第一抔土。这次任务也被称为“迄今为止，我国最复杂的航天任务。”

为什么称这一任务是最复杂的呢？

去年，中国科学院院士欧阳自远在介绍“嫦娥五号”任务过程和关键节点的时候说：“我们将要发射‘嫦娥五号’，软着陆在月球上，随后取样返回。”

“‘嫦娥五号’目前实现突破的核心技术包括：运载发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、环月等待、月地转移、轨道分离、再入回收12个部分。”

此外，据“长征五号”任务型号团队总体主任设计师彭德云称，这次飞行任务共计23天，有23次重大的轨道控制，还有6次重大分离控制，以及动力下降和月面起飞、交会对接等相关的历史上很多风险比较高的项目。团队在火箭正式发射前进行了多次演练，才能保证任务的顺利进行。

据我们整理，“嫦娥五号”从发射到回收至少要经历以下高难度动作：

发射→轨道器和着陆器太阳翼展开→地月转移→近月制动→环月飞行→轨道器和着陆器分离→动力下降→月面钻取采样→月面表取采样→上升器月面起飞→轨道器和上升器月球轨道交会对接→月球样品由上升器转移至返回器→轨道器和上升器分离→进入地月转移轨道→月地转移→轨道器和返回器分离→返回器再入大气→返回器降落伞打开→返回器着陆回收

从任务的操作来看，一次探月飞行包括两次发射（地面发射与月面发射），两次着陆（月面着陆与地球着陆），采样和两次封装（月面封装与月轨封装），一次交会对接（月轨对接）。

1、 发射难点

（1） 地面发射：难点在于“长征五号”发射本身。

（2） 月面发射：相对地面发射来说不可控因素较多，最突出的是落月位置。着陆器的落月范围是存在误差的，为此“嫦娥五号”必须能精确知道自己的位置和状态信息，从而为其发射提供依据。此外，上升器在点火瞬间的一个较强冲击也是影响它是否能正常起飞的重要因素。

▲上升器在月面起飞模拟动画 来源：人民日报

2、 着陆难点

（1） 月面着陆：有“嫦娥三号”和“嫦娥四号”的经验，月面着陆需要克服的问题仅有因为携带上升器导致质心较高产生的稳定性减弱的问题。

（2） 地面着陆：“嫦娥三号”在离开月球返回地球的路上，其速度会不断上升，在进入地球大气层时，会以第二宇宙速度左右的高速返回地球，着陆于内蒙古四子王旗。

针对这一难题的解决方法有两个：一是增加热盾厚度以抵抗高温，但会增重；二是调整返回角度，延长返回时间，这样以来可以控制重量但返回路径长，也相应延长了再入时间。

由于“嫦娥五号”的返回器将携带有至少2千克重的月壤样本，增加热盾厚度会使探测器增重，因此我国选择了第二种方式。

由于返回角度特殊，“嫦娥五号”的返回器可能会在大气密度变化的部分发生跳跃，跳出大气层后又二次返回，俗称“太空打水漂”。

▲返回器跳跃式再入大气层，而后打开降落伞着陆 来源：人民日报客户端

但这一决定并非冒险，因为早在2014年，我国就利用“嫦娥五号T1”试验器“舞娣”进行了一次测试，返回器样件在经过了长时间的再入之后，安安稳稳地落在了预定的落区范围内，圆满完成了任务，验证了返回技术的可靠性。

3、 采样和封装难点

（1） 采样：苏联当年做了好几次只成功了三次，共取回300多克月壤。“嫦娥五号”计划采样2公斤，深孔钻取式采样器和铲挖式复合功能采样器联合完成采样，要钻进月球地表2米获取原原本本的月壤，还必须封装好拿回来。

其中难点在于人们对月表之下的情况不得而知，很可能遇到松软的土壤、坚硬的巨石或是不同含量的矿物质，因此发射前研究人员在实验室反复的试验就显得尤为重要。

▲钻取采样 来源：NEW CHINA

▲表取采样 来源：NEW CHINA

（2） 月面封装：“嫦娥五号”的机械臂在采集月壤样本之后，将其通过一系列方式送入上升器中，进行第一次封装，防止其在离开月球的过程中出现损耗。

（3） 月轨封装：第二次封装则是上升器的月壤转移到返回器中，来保护月壤样品不受返回时恶劣环境的影响。

封装难点在于它是无人操作的，要想全自动地实现月壤“采集—包装—转移—封装”一条龙服务，难度可想而知。

▲月轨样品转移封装 来源：青蜂侠

4、 月轨对接难点

中国科学院院士欧阳自远说：“‘嫦娥五号’在采样结束后还回不到地球，它不可能在来到月球时就携带足够返回的燃料。”

上升器将在月球表面首次起飞，进行一段短距离的飞行。然后在月球轨道会有一条“飞船”等着跟它交会对接并转移土壤。欧阳自远称这是“针尖”对“针尖”的对接，地球上看不见数据和测控，只能依靠“嫦娥五号”自主控制的“大脑”和“眼睛”来完成对接任务。

▲月轨对接 来源：NEW CHINA

除了以上难点外，探测器表面温度控制、即时通信、部件连接强度等都是此次任务中需要航天工作人员一一面对的。

此外，即便“嫦娥五号”任务完成之后，返回器内部的环境仍然要求是真空的，在我们揭开盖子的时候，仍然需要在设施完善的特殊实验室内进行，以防止地球大气的涌入对样本造成影响。

03 “嫦娥工程”一步一脚印

如果仔细观察不难发现，我国的探月工程从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”，一直遵循着严谨的“绕、落、回”逻辑稳步向前发展。

▲“嫦娥工程”历次内容概况

“嫦娥一号”和“嫦娥二号”完成绕月拍摄任务，“嫦娥三号”和“嫦娥四号”完成落月任务，再加上“嫦娥五号T1”任务，我国的探月任务五战五捷，连续突破掌握了绕月飞行、月面软着陆、月面巡视、月地轨道返回等一系列核心工程技术。

据悉，这次，“嫦娥五号”将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆，此地从未有其他国家的探测器到访过。

美国《科学》杂志报道称，此处可能在大约13亿年前发生过火山喷发。

▲“嫦娥五号”着陆地点(红圈处)：吕姆克山脉 来源：中国新闻网

风暴洋相对较年轻，富有铀、钍、钾等放射性元素，该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

04 大国月球“挖土”“争霸赛”

地月之间平均单程距离约为38万公里，走一个来回将近80万公里，月球样品中究竟有哪些奥秘值得我们如此费力去挖掘？回顾历史，人类在去月球“挖土”这件事上都做过哪些努力？

早在40多年前，美苏太空竞赛时期，美国和苏联都很热衷于去月球采样，不过戏剧性的是，美苏当时一共为地球带回了约382.335千克的月球样本，其中的382千克是美国通过登月的宇航员带回的，其余的0.335千克是苏联使用无人月球探测器带回来的。

▲美苏分别带回的月球样本重量 来源：b站博主“基德”视频截图

1969年7月至1972年12月，美国豪掷250亿美元，将人类的航天技术强行拔高到登陆月球的水平。

美国通过阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务，除了阿波罗13号因发生故障中途返回，其余6艘飞船皆完成登月，成功将12名航天员送上月球，共带回月壤和月岩样品约382千克。

苏联月球16号探测器、月球20号探测器和月球24号探测器则分别从月球丰饶海、阿波罗尼厄斯高地和月球危海采集到了共约335克样本。

隔了接近半个世纪，我国的“嫦娥五号”虽说与苏联的探测器相同，都是无人采样，而相比来说“嫦娥五号”对月壤的采样能力更强。

中国空间技术研究院研究员庞之浩说，我国仅“嫦娥五号”一个探测器就计划能带回2千克的月球样本。

据介绍，采样重量会出现这么大的差别，是因为当时的苏联尚未掌握月球轨道无人交会对接技术，所以其3次无人月球采样任务采用的都是月面起飞直接返回地球方案，这样其上升器需要克服返回舱与大量燃料带来的巨大负重，因此极大压缩了采样重量。

而“嫦娥五号”计划采用月球轨道无人对接方案转移月壤，上升器不用搭载返回舱，所需燃料大大减少，因此采样重量也呈几何级提高。

▲“嫦娥五号”渲染图

庞之浩说，科学家们通过对月球的样品分析研究发现，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。

如果“嫦娥五号”这次的任务能够圆满完成，其获取的月球样本将为今后载人登月和月球基地选址等提供数据，为人类探索太空中的其他星球奠定坚实的基础，是人类进军太空的一大步。

此外，这也意味着我国将成为世界上第三个将月球样本带回地球的国家，为我国提高在世界上的竞争力和话语权来说有重要意义。

05 结语：发射成功只是万里长征第一步

获取月壤样本并不只有“去月球—挖土—回地球”这么简单，短短23天的旅程需要跨越近80万公里，凝聚的是我国航天人十几年的心血。而今天“长征五号”带领“嫦娥五号”成功发射也只是任务开始的第一步，困难还在后面。

去往月球表面的“嫦娥五号”已经发射，去往火星表面的“天问一号”还在路上。下一步，据中国探月工程总设计师吴伟仁透露，未来十年中国将在月球南极建立国际月球科研站，并在未来十年左右实现载人登月。

中国航天，正在一步一个脚印稳步向前。我们也祝愿此次“嫦娥五号”月球取样任务圆满成功！