2020年11月下旬，中國的首個月球采樣返回任務(wù)“嫦娥五號”將在海南文昌發(fā)射場，搭乘長征五號遙五火箭發(fā)射升空，奔赴月球。

　　它的目標(biāo)是采集約2公斤月球樣品并送回地球。

　　這次是去月球采礦的嫦娥姐姐

　　圖片來源：渦輪噴氣蛋 繪

　　這是中國的第六個月球探測任務(wù)，它不僅標(biāo)志著我國“嫦娥”工程將完成“繞、落、回”三部曲的第三階段目標(biāo)，也意味著人類時隔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(wù)，還是1976年蘇聯(lián)的月球24號。

　　中國探月“繞落回”三步走

　　圖片來源：探月工程

我們?yōu)槭裁催€要去月球挖土？

　　有些小伙伴可能會感到疑惑，別說44年前的月球24號無人月球任務(wù)了，五十多年前NASA的阿波羅載人登月任務(wù)不是從月球上帶回過好多次樣品了么？大老遠(yuǎn)地再折騰一番跑去月球挖土，還要辛辛苦苦帶回來的意義在哪里？

　　是的，從1969年到1976年，6次阿波羅任務(wù)和3次月球號任務(wù)帶回了月球表面9個區(qū)域共計382公斤的月球巖石和土壤樣品。從量上來說，并不少。

? ? 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(chǎn)地的月球物質(zhì)，能真正在實(shí)驗(yàn)室里全方位分析研究這些月球物質(zhì)——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(qū)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(nèi)太陽系所有行星的地質(zhì)演化歷史，都是在參考月球樣品絕對年齡的基礎(chǔ)上建立起來的。

　基于阿波羅樣品和撞擊坑定年等方法綜合建立起來的月球地質(zhì)年代劃分

　　圖片來源：改編漢化自：參考文獻(xiàn)[1]

　　但僅僅是量大，還不夠。這些樣品對我們認(rèn)識月球，依然太局限了。

　　這些樣品大多來自月球正面中低緯度的月海區(qū)域，形成年齡集中在42-32億年前(也有部分可能形成于不到10億年前的哥白尼紀(jì)）。而在這個范圍之外的月球歷史事件所對應(yīng)的時間，全部是以此為錨點(diǎn)，參考其他觀測結(jié)果（主要是撞擊坑統(tǒng)計）外推來的。

?。ㄗ螅┌⒉_（A）和月球號（L）的采樣區(qū)分布，改編自 | NASA；（右）以阿波羅樣品定標(biāo)，基于撞擊坑統(tǒng)計建立的月球45億年歷史，但其實(shí)10-30億年這個時間段幾乎完全是空白。Gyr = 10億年

　　魚片來源：參考文獻(xiàn)[1]

　　相當(dāng)于之前我們只在月球很有限的一部分區(qū)域內(nèi)，找到了形成于一小段時間里的“化石記錄”，卻要用來定標(biāo)整個月球45億年歷史，甚至還用來外推到其他類地行星。

　　這顯然意味著，我們對月球的認(rèn)識不管在空間上還是時間上，都是極其不全面的。

　　而唯一的解決方法，就是重返月球，采集到更多來自不同地質(zhì)背景，形成于不同歷史時期的月球樣品。唯有這樣，我們才能完整還原月球的歷史，才能真正全面認(rèn)識月球，認(rèn)識地月系統(tǒng)，甚至認(rèn)識整個太陽系的過去。

　　這正是嫦娥五號的意義所在。

　　嫦娥五號計劃登陸的是月球正面風(fēng)暴洋北部的呂姆克山（Mons R mker）一帶，并在這里采集樣品。

嫦娥五號計劃著陸采樣區(qū)域（白框內(nèi)），紅點(diǎn)和藍(lán)點(diǎn)分別為NASA阿波羅任務(wù)和蘇聯(lián)月球任務(wù)的著陸采樣位置

　　圖片來源：Nature [2]

　　雖然同在月海區(qū)域內(nèi)，但這是一片遠(yuǎn)離阿波羅和月球號采樣區(qū)的地方，有著豐富的火山活動遺跡和可能與之前的樣品不同的巖石類型。

　　著陸區(qū)（白色框內(nèi)）一帶地形圖，越紅表示越高，越藍(lán)表示越低。該區(qū)域內(nèi)最典型的地貌特征是呂姆克山（Mons R mker，紅黃色區(qū)域），一個疑似盾狀火山的遺跡。呂姆克山周圍被多期形成于不同年齡的月海玄武巖包圍

　　圖片來源：參考文獻(xiàn) [3]

　　呂姆克山周圍有著非常年輕的月海玄武巖覆蓋區(qū)域，因此嫦娥五號可能采集到形成于10-20億年前的年輕樣品——這將填補(bǔ)月球地質(zhì)定年和年代劃分上最大的一塊空白。

　　不同的顏色代表不同的地質(zhì)單元，形成于不同的年齡。呂姆克山東側(cè)的月海玄武巖非常年輕（形成于愛拉托遜紀(jì)），按照撞擊坑統(tǒng)計來推算，年齡在10-20億年之間， Ga = 10億年前

　　圖片來源：參考文獻(xiàn) [3, 4]

　　另一方面，嫦娥五號的工程意義也是里程碑式的：采樣返回相比于之前的環(huán)繞（嫦娥一號二號）和著陸（嫦娥三號四號）任務(wù)，難度系數(shù)可以說是上了幾個臺階——嫦娥五號的發(fā)射，意味著我國有望成為繼美國、蘇聯(lián)之后，第三個實(shí)現(xiàn)月球采樣返回的國家。

負(fù)責(zé)發(fā)射嫦娥五號的長征五號遙五火箭

　　圖片來源：CNSA

嫦娥五號如何采回月球樣品？

　　很多小伙伴還會很疑惑，這嫦娥五號的任務(wù)過程怎么這么復(fù)雜??？還有啊，這嫦娥一號二號是一件套，三號是兩件套，四號是三件套（鵲橋中繼星和主任務(wù)分兩次發(fā)射）…

　　嫦娥一號到四號大家族

　　圖片來源：寒花 手繪

　　嫦娥五號怎么東西這么多啊，居然有…四件套？

　　嫦娥五號的組成結(jié)構(gòu)

　　圖片來源：CAST/Spaceflight101

　　哎，這個感覺就是特別準(zhǔn)確，嫦娥五號相比于之前的幾個嫦娥任務(wù)確實(shí)特別復(fù)雜，因?yàn)?strong>采樣返回任務(wù)要做的事兒真的特別多。

　　從字面上也可以看出來，月球 采樣 返回 任務(wù)需要到飛到月球、采樣、然后返回，把這個過程進(jìn)一步拆解一下，就是這個探測器需要完成這么幾個主要步驟：

　　1）發(fā)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）把樣品扔回地球

　　光看這個“任務(wù)清單”是不是頭都禿了？看看嫦娥五號打算如何一步步完成吧。

　　首先，長征五號火箭發(fā)射，把嫦娥五號四件套送往地月轉(zhuǎn)移軌道，然后四件套一起飛往月球。

　四件套發(fā)射

　　圖片來源：New China TV

　　到了月球軌道之后，四件套兩兩分頭行動：著陸器帶著上升器登陸月球采樣，環(huán)繞器帶著返回器在環(huán)月軌道待命。

　　嫦娥五號的工作安排

　　圖片來源：CAST/Spaceflight101

兵分兩路

　　圖片來源：New China TV

　　著陸器設(shè)計了兩種采樣方式：一種是鉆孔采樣，計劃將鉆孔鉆進(jìn)月面以下2米深的地方，采集巖芯樣品；

　　鉆孔采巖芯

　　圖片來源：New China TV

　　另一種是機(jī)械臂采樣，用機(jī)械臂的頭部鏟取月球表面的土壤樣品。

　　機(jī)械臂鏟土

　　圖片來源：New China TV

　　采完樣品之后，接下來的任務(wù)就是從月球表面起飛。這相當(dāng)于在月球上也要加個類似火箭的發(fā)射裝置，當(dāng)然，我們想要的其實(shí)只有樣品，著陸器那么沉，我們肯定是過河拆橋不帶走了呀。

　　嫦娥五號采樣之后的選擇

　　圖片來源：TPS/Loren Roberts

　　于是嫦娥五號就有了這個“上升器”的設(shè)計，樣品封裝起來塞進(jìn)上升器里，上升器上有發(fā)動機(jī)，負(fù)責(zé)從月球表面起飛。

　　上升器帶著樣品起飛

　　圖片來源：New China TV

　　但如果要上升器自己從月球起飛直接飛回地球的話，那上升器的設(shè)計復(fù)雜度和重量（帶更多燃料）都要相應(yīng)飆升，這些壓力層層傳遞最終還是都落在了從地球發(fā)射的火箭上。要知道直接返回的蘇聯(lián)月球號任務(wù)只挖了100多克月球樣品，而嫦娥五號可是打算挖2公斤的。

　　火箭素材來源：CNSA

　　所以嫦娥五號采用了類似阿波羅載人登月用的方式來轉(zhuǎn)移樣品：交會對接。著陸器工作期間，環(huán)繞器在環(huán)月軌道待命，等上升器起飛之后兩者再次碰頭。當(dāng)然，碰頭也不是想要一起飛回去，只是為了轉(zhuǎn)移樣品而已。

　　上升器和環(huán)繞器交會對接

　　圖片來源：New China TV

　　轉(zhuǎn)移樣品

　　圖片來源：New China TV

　　把樣品轉(zhuǎn)移到返回艙里之后，上升器也沒用了，扔。

　　嫦娥五號采樣之后的安排

　　圖片來源：CAST/Spaceflight101

　　然后環(huán)繞器帶著裝著樣品的返回艙一起，輕裝上路，從月球上空飛回地球上空。

返回地球

　　圖片來源：New China TV

　　飛到地球上空之后呢，只把包裹著月球樣品的返回艙扔回地球大氣層就可以了。為了防止在再入地球大氣層過程中溫度過高，返回艙將經(jīng)過一條精心計算的，類似“打水漂”一般的曲折路徑回到地球表面。

　　返回艙再入地球大氣層

　　圖片來源：New China TV

　　嫦娥五號T1試驗(yàn)器“打水漂”返回示意圖。返回艙第一次再入大氣層后與大氣產(chǎn)生相互作用力，像打入水中的小石子一樣彈跳起來，跳出大氣層然后第二次再入大氣層，這一過程被形象稱之為“太空打水漂”

　　圖片來源：CNSA

　　總結(jié)來說，想要采集到月球樣品并送回地球，嫦娥五號全程需要完成兩次發(fā)射、兩次著陸、一次月軌交會對接，“繞月”、“落月”、“返回”全部包圓，所以這環(huán)繞器、著陸器、上升器、返回器四件套啊一個都不能少。

　　東西多，操作復(fù)雜，需要的燃料多，當(dāng)然也就重。之前的嫦娥四號主任務(wù)兩件套總重3780公斤，天問一號三件套總重近5噸，而到了嫦娥五號四件套，總重直接飆升到了8.2噸——遠(yuǎn)超發(fā)射嫦娥四號兩件套的長征三號乙火箭的運(yùn)力極限。

　　這也是為什么天問一號和嫦娥五號都必須等待更大運(yùn)力的長征五號火箭才能發(fā)射。事實(shí)上，嫦娥五號任務(wù)原本是打算在2017年底發(fā)射的（你沒看錯，嫦娥五號本來是打算在嫦娥四號之前發(fā)射的），但由于長征五號火箭的進(jìn)度延遲，才推遲到了現(xiàn)在。（詳見：為了去火星，天問一號做了哪些準(zhǔn)備？https://mp.weixin.qq.com/s/LjBdi7VKsI-vOKjNtSJL8w）

不積跬步，無以至千里

　　別看嫦娥五號任務(wù)這么復(fù)雜，但可一點(diǎn)都不魯莽。如果咱們拆分開來仔細(xì)看每個步驟，會發(fā)現(xiàn)很多步驟咱們之前已經(jīng)在其他探測任務(wù)上試驗(yàn)過了，只有幾個步驟是完全的“新題型”。咱穩(wěn)扎穩(wěn)打，認(rèn)真踏實(shí)的傳統(tǒng)美德，可絕不是吹的。

　　同款火箭的發(fā)射，長征五號遙三和遙四均成功完成任務(wù)，遙四火箭更是順利把天問一號三件套送入地火轉(zhuǎn)移軌道。

　　2020年7月，長征五號遙四火箭搭載天問一號火星探測器點(diǎn)火升空。

　　圖片來源：Tea-tia 拍攝

　　從地球飛到月球和環(huán)繞月球，咱們十幾年前嫦娥一號、二號就能做到了。

　　而著陸月球呢，2013年的嫦娥三號、2019年的四號也分別在月球正面和背面都完成了。

　　嫦娥三號和四號的著陸區(qū)位置。

　　圖片來源：LRO WAC/haibaraemily

　　在月球表面鉆孔和機(jī)械臂采樣，這個事兒我國之前是沒做過的。但在月球上操作有一定活動能力的機(jī)械臂，嫦娥三號的月球車玉兔一號是做過的，所以也算是有一定技術(shù)積累的。

　　玉兔一號的機(jī)械臂

　　圖片來源：CCTV

　　從月球表面起飛，全新題型。

　　在環(huán)月軌道交會對接，這事兒我們之前雖然沒有在環(huán)月軌道上做過，但在地球軌道上已經(jīng)是輕車熟路了，神舟和天宮就做過n次過交會對接了。