我们为什么要去月球上挖土？

▲ 2014年10月24日，四川西昌，我国探月工程三期再入返回飞行试验器在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭发射升空。图/人民视觉

我国探月三期工程，凭啥挖土是收官之作？

2020年9月的中国航天大会上，探月工程副总设计师于登云宣布：“嫦娥五号将执行月球采样返回任务，这也是我国探月三期的收官之作。”
月球采样，听起来很厉害的样子。但仔细一想，不就是在月球拿块石头吗，很难吗？
答案是：很难！

采月难在哪？

首先，如何保证月球采集样品安全且保持原态返回地球是第一大难点。
月球引力和地球不一样，只有地球的1/6。嫦娥五号不是载人飞行器，月球样品采集完成后，需要在无人状态下将月球样品密封在真空容器中，并且要经历地月轨道飞行中复杂的力学环境，才能返回地球。

▲ 地出（Earthrise），第一张由人类拍摄的地球升起照片，1968年12月24日，“阿波罗8号”宇航员威廉·安德斯正在绕月轨道上飞行，略感无聊时突然看见了周围宇宙中唯一的颜色——那是地球。图/NASA

月球采样，封装技术是整个过程中最关键的一步，也是我国以前从未尝试过的。美国的“阿波罗”登月计划中，对于采样瓶的密封是人工操作。而我国此次探月任务并不会送人登月，所以，美国的经验参考价值不大。所有的操作，都要靠月球上的探测器与地球上的指挥部一同协作完成。
其次，样品已经装在行囊里了，那么如何从月球带回地球呢？这就是第二个难题，探测器如何在月球表面起飞？
▲ 哈勃摄月。图/NASA
探月工程副总设计师于登云说：“我们原来在地面发射火箭，技术是相当成熟的，但现在需要以月面作为起飞平台，这个没做过，是个难点。”
月球表面和地球环境不一样，它没有大气层，而且地势复杂。怎么导流，如何散热等，都是等待他们解决的问题。而且，探测器在月球起飞的过程中，不能像在地球一样进行高精度的测量跟踪。这就需要我们根据对月球的了解，模拟环境来设计方案。
▲ 月球表面地形复杂。图/Wikipedia
综合整个人类航天历史来看，月面起飞返回有两种方式：一种是操作舱直接从月面加速起飞至月球逃逸速度，然后进入月地转移轨道返回地球；另一种是从月面起飞进入环月轨道，经过与操作舱和返回舱交会对接后返回地球，或者不经过交会对接，直接返回地球。
比较起来，第二种方案风险较小，可以通过地面测控系统调整返回舱，让它进入最优月地返回轨道。不仅是现在，这种方案也会是未来月球采样返回的首选方式。
▲ 探月工程嫦娥四号任务模型。图/视觉中国
探测器成功起飞之后，并不直接返回地球，而是与返回器交接工作。而携带样品返回地球的，是返回器。这个过程中速度极高，并且需要载重工作，什么样的返回器，才能完成这个艰巨的任务呢？
以前，月球返回器都是在第一宇宙速度（7.9公里/秒）的速度返回，而此次采月返回器则以第二宇宙速度（11.2公里/秒）。速度改变了，返回器的气动外形、包括防热材料以及整个环节都需要优化、改进，才能抵抗住与大气摩擦产生的热量，经济实惠且安全的返回地球。

这块天外石头可以告诉我们什么？

月球采样，是人类认识宇宙物质组成的重要来源。陨石也有这个功能，但陨石在陨落期间，与地球上的水和氧气分子发生作用，产生一系列变化。
而保存完好的月球样品，会为我们提供未暴露在地球环境的外星体物质，这对研究生命起源、宇宙物质的同一性和特殊性等问题具有重要的价值。
▲ 月球的岩石。图/Wikipedia
返回器带着新鲜的样品回到地球后，工作人员马上会将收纳器送往特殊的研究实验室。由于月球样品来之不易，并且所得样品量极少，所以从月球样品的回收、处理分装、样品制备及各项分析测试项目都是在超洁净、高精度以及高灵敏度条件下进行的。
对于月球样品的分析及测量主要分为两部分，一部分是对其物理性质的度量，另一部分是对化学性质的测定。
▲ 年轻的月球火山活动的证据。图/Wikipedia
物理性质主要包括光谱性质、密度、孔隙度和粒形等。不要觉得这些物理性质太过于普通，经由这些数据，科学家就可以得到月球的热环境特征、月震传播速度、热导率和电磁辐射穿透深度等性质，让我们更加了解月球。
化学性质主要是通过对样品的多元体系同位素分析，将对月球起源、形成和演化假说给出重要的科学结论。
▲ 月亮圆缺的变化。图/Wikipedia
月球的形成，与地球密切相关。而地球由于长期的地质变化，已经不复原始面貌，但是这点在月球中得到了很好的保存。可以说，在一定程度上，研究月球起源与演化，有利于地球科学的研究进展。

我们为什么要探月工程？

简单来说，我国探月三期任务规划是“绕、落、回”三步完成。
第一阶段（一期工程）是绕月探测。我们研制和发射第一个月球探测器——月球探测卫星，对月球表面的环境、地貌、地形、地质构造以及物理场进行探测，初步了解月球环境。
▲ 月球的背面。图/Wikipedia
而第二阶段（二期工程）的重点，在于月球软着陆和自动巡视勘察。这是第一期工程的跨越式发展，为此，月球探测第二期工程研制和发射了带有月球车的软着陆器，先在月球上走一圈。
现在，第三阶段（三期工程）的重头戏，是自动采样返回。我们需要发射自动采样返回器，在月球表面挖一小块土壤带回地球。
▲我国探月工程三期再入返回飞行试验器升空。图/人民视觉
不难发现，随着任务循序渐进的进行，执行难度也随之逐步增加。
三期探月工程已相继完美落幕，如今，只剩重头戏——“采月”正在敲锣打鼓准备上演。
相比较其他国家“富贵险中求”策略，我国更加倾向于“步步为营”、“稳中求胜”的探月战略。
▲ 月球的北极。图/Wikipedia
有人也许要问，探月工程花了那么多钱，对于我们有啥意义啊？
探月确实是昂贵的。从1958年8月17日美国发射第一个月球探测器先驱者0号开始，人类迈向太阳系的深空探测活动至今已有近70年的历史。每次对于外太空的探索都需要一笔不小的花销，据美国参议院预算委员会审计，美国国家航空航天局（NASA）2017年的预算，总额高达193.06亿美元。

▲ 美国赠送给中国的月尘，还剩下0.5g，现存于中国科学院地质与地球物理研究所。图/NASA

这么大的花费，难道只是单纯的为了满足人们的好奇心，又或是国际赛场上的好胜心吗？
其实不是的。月球是距离我们最近的天体，对月球的研究大大促进了人类对月球、地球乃至太阳系的认识，并且带动和催生了一系列基础科学的创新，促进了一系列应用科学的发展。

▲ 月球上的“阿波罗14号”。图/NASA

美国与前苏联正是通过月球探测，建立和完善了庞大的航天工业和技术体系。而且，月球探测技术在军事和民用领域得到了延伸和二次开发，形成了一大批高科技工业群体，包括微电子、计算机、遥感等。
据不完全统计，从阿波罗计划派生出了大约3000种应用技术成果，而且在登月后的短短几年内，这些应用技术就取得了巨大的效益（在登月计划中每投入1美元就可获得4-5美元的产出）。

▲ 尼尔·阿姆斯特朗的那句“我的一小步，人类一大步”让人记忆深刻，大家也理所应当地认为这个脚印也是属于他的。其实这张脚印和月球上人类第一张照片，都属于另一个宇航员巴兹·奥尔德林的。图/NASA

从长远来看，太空探索还能从根本上解决地球日趋严峻的资源危机。探索月球，是人类勇气与好奇心的明证，也是迈向深空的第一步。将来，人类也许能够飞向太阳系甚至银河系外，那个时候，我们会想起这重要的“第一步"。
参考文献：

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文丨赵文迪

编辑 | 西湖醋鱼

图编 | 西湖醋鱼