嫦娥五号月壤，揭开月球谜团

就在天问一号去探测火星的同时，咱们国家的探月工程也在稳步推进。下一步就是发射嫦娥5号，从月球取样返回。说白了就是抓一把土，捞几斤石头然后返回地球。

想当初，实现月球取样返回的只有美苏两国。美国的阿波罗计划，通过6次载人登月任务，靠活人上去，完成了取样返回的任务，带回了大约382公斤的月壤和岩石样品。

月球16探测器模型

苏联是派遣无人探测器抓一把土，然后就回来，他们采用的方案比较投机取巧，因此能着陆采样的地点是受限的。他们通过月球16号、20号、24号三个无人探测器，带回了约326克的月球样品。苏联的月球系列探测器，我们也讲到过，小伙伴们可以去翻一翻以前的内容。

但是，美苏的采样任务都存在明显的局限性：美国阿波罗计划的采样点主要集中在月球正面的中低纬度地区，且受当时技术条件限制，采样深度较浅，靠宇航员拿铲子挖，那挖不了多深。苏联的无人采样任务虽然实现了无人操作，但采样量极少，比美国人少了1000倍。且着陆区域严重受限。

更重要的是，这些样品的形成年龄大多集中在42亿至32亿年前，相当于月球的“童年”和“少年”时期，而月球“成年期”（10亿至20亿年前）的地质演化历史，一直是全球科学界的研究空白。嫦娥5号的任务目标，就是瞄准这块空白，通过精准着陆和深度采样，填补月球地质演化研究的关键缺口，同时验证中国在深空探测领域的核心技术能力。

嫦娥五号的采样返回全流程环环相扣，堪称人类航天史上最精密的“太空接力赛”。整个任务流程分为11个重大飞行阶段，从发射入轨到返回着陆历时23天，期间经历了多次重大轨道控制和6次重大分离控制，每个环节都如同钟表齿轮般精准咬合，任何一个微小的失误都可能导致整个任务失败。

大致上讲，嫦娥5号整体结构分为四部分。是轨道器、返回器、着陆器、上升器。轨道器和返回器是一个组合体，着陆器和上升器是另外一个组合体。发射的时候，这四部分是堆在一起的。着陆器头上顶着上升器，下边压着返回舱，返回舱屁股后边是轨道器。大家一起被装在了长征5号火箭的整流罩里。

2020年的11月24号凌晨，长征5号运载火箭把这个重达8.2吨的探测器送进了地月转移轨道。从地球飞到月球，大概要花4天时间。到达月球以后，嫦娥5号要屁股朝前，完成反推刹车，然后才能进入环绕月球轨道。进入环月轨道之后，先不忙着下去，先绕着转几圈再说。

我们要建立一种观念，那就是从引力陷阱里面爬上来，或者是落下去，都是要消耗大量能量的。火箭从地球发射升空需要耗费大量的能量。同样，你到了月球，要落到月球表面上，需要花大量的能量来刹车反推，你才能稳稳当当的落地。然后，你再从月球表面上爬起来，这个过程又要消耗大量的能量。所以呢，能不下去，就尽量不要下去。所以轨道器和返回舱在环绕月球的轨道上等着。只要让着陆上升组合体落到月球表面就足够用了。最后只有上升器从月球表面起飞，屁股底下那个巨大的着陆器，咱们就扔在那不要了。不管是上去还是下来，咱们还是尽量减少参与折腾的质量。

正因如此，所以咱们嫦娥5号取样返回的整个任务过程就变得特别复杂。你会发现这个过程跟当初的阿波罗载人登月特别相似。因为遵守的都是同一套基本原则。

一直到11月30号，上升器和着陆器的组合体才和轨返组合体分离。上升着陆组合体，经过几次逐渐变轨以后，开始下降高度，慢慢接近月球表面。到了12月1日，7500牛顿的变推力发动机开机，开始调整对月速度，调整姿态，开始正式的刹车减速。因为着陆器和上升器的组合体很重，因此着陆过程必须格外的仔细。刹车减速的时间也延长了。

最后，着陆器还得在月球表面一定高度悬停查看，这个过程全靠人工智能进行视觉避障分析。着陆总要避开坑坑洼洼的地方，避开斜坡，避开大石头吧，这全都靠人工智能。这些年搞人工智能大数据分析，那可不是白搞的，你以为就是为了抓交通违章啊！

在离月球表面2米高的地方发动机关机。如果一直开着发动机，那肯定会吹起月球上的尘土，弄得到处脏兮兮的。所以在离地2米高的地方就关机了。登月舱落地肯定要墩一下，需要靠4个铝合金的蘑菇腿来进行缓冲。

到了这天的晚上11:11，嫦娥5号探测器成功的在月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区着陆成功。照片马上就发回来了。过程还是非常顺利的，毕竟咱们干这事儿也不是一次两次了。

嫦娥5号

着陆器工作的时间其实非常有限。着陆器带着机械臂，带着采样铲。在铲子头上还装了摄像头，着陆器机身上也带着摄像头呢。机械臂长度大约是1.5米，有6个自由度，通俗的说，就是6个关节，最大负载达到20公斤。首先，通过机身的摄像头先看看周围的环境，什么地方值得挖两勺，然后呢，指挥机械臂伸过去，先拿摄像头看看，拍照片发回地球，由地面的专家决定挖还是不挖，如果决定要挖，那就的下铲子。铲子也是带盖的，可以保证取样的样品能准确的送进储存罐，不至于到处乱撒。当然，一勺子太少了，这样的取样过程，还需要很多次。

相比之下，用铲子挖土并不是特别困难，但是打洞取样就难多了。钻杆是硬质合金制造的，可以在坚硬的月球岩石里打洞。而且钻头管子是带伸缩的，否则装不进着陆器。这个钻头的中间还是双层空心的，两层之间有软管，随着钻头向下打洞，软管顺势就可以套在岩芯样品上，两米长的岩芯样本，就被收进了长长的软管，盘起来以后，塞进取样返回的罐子里。

钻头一开始打洞还是比较顺利的，钻头转速可以达到300转/分钟。速度还是蛮快的。当然，月球上没有空气，散热有点困难，所以，也不能一直打，要打一会儿，等一下，等钻头温度降下来，再继续。原本计划是打两米深，但是打到1米多深的地方，钻头碰上了难啃的骨头，感觉有点打不动了。为了稳妥起见，打多少算多少吧。有1米多长的岩芯样本也够用了。索性就此打住，结束了地下钻取堡作。

表面挖土，前后挖了1公斤多，用钻头打洞取样，大概获取了500克岩芯。加在一起大约是1730克左右，尽管低于预计的2公斤，也比苏联时期采样多得多了。

下边就是来到了全流程第三步，这是最具挑战性的环节之一。上升器以着陆器为临时“发射台”点火升空，脱离月球表面。上升器屁股后边带着一个3000牛顿的小发动机，只要把速度加速到2.4公里/秒，就足以脱离月球的引力。这个上升器不大，只要把那个装有采样的罐子运到太空就OK。

上升器发射以后，进入近月点15公里、远月点180公里的目标轨道。这个家伙需要在太空里转悠两天，才能和轨返组合体对接。因为这是无人飞行器，所有的对接过程是全自动的，而且和载人飞船的对接还不太一样，毕竟没有漏不漏气的问题。12月6号，这二者逐渐靠近了，双方用特殊的抱抓相互抱紧，然后把样品罐子传输到返回舱里，上升器的任务就完成了，也就可以抛弃了。接下来，轨返组合体在环绕月球轨道上还需要再转悠几天，等到合适的返回时机。

一直到12月12号，轨返组合体的第一次开发动机变轨，在新轨道上绕了3圈，12月13号，4台150牛顿的发动机开机22分钟，进入到了月地返回轨道。开始踏上回家之旅。当然，中途还要开25牛顿的小发动机稍微修正一下轨道。回家也需要好几天的时间，一直到12月17号，组合体回到了地球附近。返回舱和轨道器分离，返回舱完全是按照牛顿的惯性飞行，基本没有任何动力。这时候，它的速度达到第二宇宙速度，减速过程远比从近地轨道返回要麻烦多了。

嫦娥5号的返回舱大约在非洲上空进入大气，高度是120公里。返回舱在大气层里玩儿了一把打水漂，先利用大气进行减速，但是剧烈摩擦也会产生大量的热量，没办法毕竟是第二宇宙速度。这时候，返回舱利用姿态控制，再一次从大气层弹起来，弹回到更高的太空里，在这里慢慢地散热，等热量散得差不多了，然后再落回大气之中，利用大气二次减速。

这个打水漂的过程控制必须非常的精细，必须从非洲上空起跳，然后再内蒙古四子王旗着陆场落下来，好在咱们国家在高超音速领域的研究功底颇为深厚。当时我也在跟踪相关的消息，手心里也捏着一把汗呢。最后返回舱在10公里左右的高度开伞减速，极其精确的落在了内蒙古的四子王旗。落点误差只有500米，堪称是万里打靶，精确十环。

搜索队的米171直升机很快发现了返回舱，大家从电视直播的红外图像上发现了一个活物从返回舱附近跑过，估计不是个野兔，就是狐狸。这家伙比人类还先到达现场。直升飞机降下来，先把返回舱运到朱日和基地的军用机场，然后换运输机送到北京。至此，嫦娥5号采样返回顺利完成。那些样品也需要在高度真空的洁净环境之下打开取出。毕竟这东西不能和地球物质接触，需要保持纯洁性。

当然啦，欧空局也动用了法属圭亚那、加那利群岛等等好几个地面测控中心提供了服务。位于阿根廷、纳米比亚和巴基斯坦的测控站也提供了数据。这也算是一次国际合作项目。

大家不妨对比一下，你就会发现，嫦娥5号的整个流程，其实和阿波罗等月几乎是一模一样。阿波罗飞船，也是整个组合体一起发射，一起飞向月球。然后呢，也是指令舱和控制舱停在月球轨道上等着，登月舱自己落到月球上，最后其他的都扔了，只有上升段从月球表面起飞，和太空里的指令舱对接，然后就可以吧上升段扔掉了，指令舱开发动机走人回家。

其实这也没啥奇怪的，这个过程基本上就一次发射实现登月和返回的最优化方案，无论运载的是人还是货物。由此可见，咱们国家搞航天，绝对是一鱼两吃，这种设计，肯定是要为未来的载人登月做准备。先吧整个流程搞搞顺。

那么，如果打两发火箭呢？其实还是换汤不换药。现在，咱们国家的登月方案基本上定了，是打两发长征10号运载火箭，完成整个登月任务。一发打载人飞船，一发打整个登月舱结构。然后两者在环绕月球的轨道上对接，航天员从载人飞船之中进入到登月舱，然后开着登月舱脱离，开始登月之旅。接下来的整个流程，就跟嫦娥5号差不多了。

打两发火箭完成整个登月流程的好处就是不需要特别大的火箭。土星5号运载火箭近地轨道运送能力是120吨。咱们的长征10号运载火箭，大概近地轨道运力只有70吨左右。当年之所以要采用一发火箭把所有舱段全打到月球轨道，就是因为当时的太空对接技术不成熟，打两发不可靠，没人能保证在月球轨道上对接顺利。所以，布劳恩不得不研发超大号的火箭。现在的条件已经不一样啦，无人飞船都可以顺利在月球轨道上对接。所以，两次发射的方案就显得更有性价比。

长征10号

嫦娥5号从月球带回来的这些样品，立马成了一座富矿，研究者可以慢慢的研究很多年。外国的学者要想研究，只能先排队。科学属于全人类不假，但是出成果也得有个先来后到。

通过研究嫦娥5号带回来的月壤和岩石，大家发现了一些研究月球的新视角。比如说，过去大家认为月球在30亿年前就已经停止了火山活动，说白了就是月球整个凉透了。撑死了到25亿年前就已经没什么活动。但是现在大家发现，到20亿年前，月球仍然有火山喷发。因为科学家们从嫦娥5号带回来的样本之中，发现了年龄仅仅20亿岁的月球玄武岩。说白了，月球比我们想象的更有活力，即便是到了晚年，它还是没有彻底歇着。你以为它七老八十了，不能动弹了，结果现在发现，它好像活到90来岁还能瞎折腾。

好了，那么问题来了。根据月球的热演化模型，它明明应该在30亿年前就已经凉透了，那么它火山爆发的能量到底从哪来呢？过去大家认为，月幔岩石之中含有比较多的克里普物质，这种克里普物质富含钾稀土和磷等等主要元素，把这些元素的化学符号拼在一起，就是“克里普”。

阿波罗12号带回的月球克里普矿物

根据月球的演化理论，月球形成的初期曾经被深达好几百公里的岩浆洋覆盖着。所谓的克里普物质就是这个岩浆海洋冷却到了最后阶段剩下的残余体。这种叫做克里普的岩石特别容易富集很多放射性元素，比如说铀元素和钍元素。这些放射性物质是会发热的。虽然发出的热量不是那么太多，但是起码可以让月幔进入保温状态，就会使得火山爆发期延长。

还有一种理论认为，月幔之中的岩石是富含水分的。这些水分会导致岩石的熔点降低，哪怕温度不够高，不太热，它照样能变成岩浆。那么有岩浆就有可能喷出来，就会造成火山喷发。但是这两个设想都被嫦娥5号的样品打了脸。根据嫦娥5号采集回来的样本，大家发现，月幔之中的物质既没有那么多放射性，也没有那么多水分，这两个解释都不对。

那么为啥月球到20亿年前还有火山爆发呢。那是因为月幔里面有一种特殊的矿物堆晶，这东西叫做“单斜辉石 - 钛铁矿堆晶”。这个东西也可以使得岩石的熔点降低80℃左右。也就是说即便地下的温度没有那么高，它也可以产生岩浆，毕竟熔点降低了。

嫦娥5号月壤中的玄武岩颗粒

嫦娥5号的月壤还是比较纯粹的，主要是月球本地的低钛玄武岩。这就和后来的嫦娥6号不太一样。因为嫦娥6号采样的地方是月球上最大的撞击坑，有很多物质是外来的，它不是月球本地的土特产。所以嫦娥5号带回来的样本更能反映月球本身的变化。嫦娥6号带回来的样本就更能反映月球是如何受到外来因素影响。这二者侧重点还是不太一样的。

当然了，之前人类带回的月球样品，年龄大多在30亿年以上，中间缺了一大段 “时间档案”。嫦娥5号20亿年的年轻样品，正好补上了这个缺口，让科学家能完整梳理月球从形成到 “晚年” 的火山活动史、内部冷却史。

当然了，月球还有一个非常明显的特征，就是正反面长得实在不太对称，正面长得比较平，因为火山爆发特别多，背面就长得坑坑洼洼的。那这种不对称到底是怎么造成的呢？就得依靠嫦娥6号取样返回才能回答。