嫦娥五号为何要去月球挖土这些土又如何运回地球

  嫦娥五号计划实现自动采集月壤再返回地球，是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。嫦娥五号为何要去月球“挖土”？此次月球之旅有哪些精彩看点？解放日报•上观新闻记者采访了上海市宇航学会资深航天科普专家、上海宇航系统工程研究所技术顾问陶建中研究员，中国首位卡尔•萨根奖得主、中科院国家天文台郑永春研究员。

  【月壤里包含着许多重要信息】

  月球上的“土”是怎样的？郑永春介绍，几乎整个月球表面都覆盖着一层细粉状的风化物质——月壤。科学家根据阿波罗登月任务采集的月球样品进行了分类，其中直径大于1厘米的颗粒，被当作岩石样品来进行研究，称为月岩；直径小于1 厘米的颗粒，被当作土壤样品对待，按习惯也称为月壤，即狭义上的月壤。其中，颗粒直径小于1毫米的部分，是月壤中的主要组成部分，在大部分月壤样品中占总重量的90%以上。不管是月岩还是月壤，都采自月球的风化层。

  嫦娥五号为何要去月球“挖土”？郑永春介绍，“月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带，包含着相关区域的大量信息。月壤的研究不仅涉及月球本身，而且还包含太阳系空间的物质和能量的重要信息。”郑永春说，这些信息包括太阳系早期演化的历史记录；月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史；月球中挥发分的脱气历史；太阳风的组成和太阳表层的成分特征；小天体和微陨石撞击月球的历史记录，进而推断地球遭受小天体撞击的历史；月壳岩石圈的组成和分布特征等。因此，通过对月壤的研究，对于研究月球乃至地月系的演化历史具有重要意义。

  除科学意义外，月壤还含有丰富的资源，包括稀有气体（特别是可用于可控核聚变的燃料氦-3）、钛铁矿、克里普岩等。“月壤处于月球的最表层，具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点，通过对月壤的精细研究，可提供月球资源开发利用前景的重要信息，并为月球基地的选址提供重要的科学依据。”

  郑永春强调，受限于现有技术能力，月球资源对地球上的人类有潜在的开发价值，还不具备商业开发的价值。但是，利用月壤在月球上就地生产一些建筑材料、铺设路面、生产氧气和水等，对于人类在月球上的长期居留是十分必要的。由于地球和月球之间运输费用十分昂贵，月壤资源的就地开发利用，可以大大降低经费投入。

  月球上没有氧气、没有液态水、没有微生物，所以采集回地球的月球样品必须存放在充满氮气的密封箱内。“避免月球样品被地球环境污染，隔绝氧气、水、生物，是月球样品保存最重要的课题之一。”

  【采集月面3米以下的月壤2千克以上】

  嫦娥五号将实现4个重大突破，即在月球外表主动采样；从月面起飞；在38万公里外的月球轨道进行无人交会对接；带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

  “此次任务是长征五号遥五运载火箭的第二次应用性发射，此前它已成功发射我国首个火星探测器天问一号。”陶建中说，长征五号用于发射远程飞行器，相比到近地轨道的国际空间站，它需要一个更大的加速度，因此有效载荷必然减少。一般前往400多公里远的国际空间站，有效载荷可达20多吨，而此前去往火星的天问一号约5吨重，此次嫦娥五号前往38万公里远的月球，全重8吨。

  陶建中介绍，嫦娥一号和嫦娥二号都是“绕”着月球转，拍下了月球地貌，嫦娥二号还顺便探测了距离地球700多万公里的图塔斯蒂号小行星；嫦娥三号是我国第一个在月球软着陆的无人探测器；嫦娥四号是世界上首个在月球背面软着陆的航天器；嫦娥五号的任务是采集月面3米以下的月壤2千克以上，再返回地球。目前，只有苏联和美国成功带回了月壤，苏联的无人登月器带回了3.8千克月壤，而美国阿波罗号的航天员分六次一共带回381千克月壤。

  【以接近第二宇宙速度返回地球】

  嫦娥五号此次月球之旅有哪些精彩看点？“月面定点软着陆；从月面上升至月球轨道；在月球轨道实现轨道器与上升器的交会对接；接近第二宇宙速度从月球轨道高速返回地面等都是亮点。”陶建中说。

  “为什么一定要软着陆？如果硬着陆，探测器会摔得粉身碎骨，就无法采样了。”陶建中介绍，激光测距技术可以精确测量着陆器和月球表面的距离，而三维立体成像技术可以让着陆器选择在平坦地形下降。“着陆器的自主控制非常重要，包括在一定高度停留选择着陆点、控制反推火箭工作、姿态调整等。”

  采集到月壤后，如何和轨道器交会对接？ “月壤由上升器送至月球轨道后，等待与轨道器交会对接。这一对接技术与载人航天里的交会对接很不一样。” 陶建中解释，载人航天交会对接采用异体同构周边式对接机构，中间有一个直径为800毫米的人孔，供人货通过。而月球轨道器与上升器对接是采用一种较轻巧的、弱撞击的抱爪式对接机构。

  “月壤从上升器转移至轨道器里的返回舱后，将以接近第二宇宙速度返回地球，此前也已专门进行了返回试验。”陶建中说，所谓第二宇宙速度，是指每秒11.2公里。而航天员从空间站返回地球，一般是低于第一宇宙速度，即每秒7.9公里。如此高的速度，将会与大气层摩擦产生2千摄氏度的高温，这就需要解决返回舱的防热问题，“我国在几年前就已经做过高速返回试验，解决了关键技术问题。”（作者 黄海华）