史上首次!中国嫦娥六号要从月球背面“挖土”回来(图)
2024-05-05 05:27:25 · chineseheadlinenews.com · 来源: 返朴
撰文?|?张志会（中国科学院自然科学史所研究员）
5月3日，嫦娥六号搭乘长征五号遥五运载火箭在海南文昌发射场发射升空，并进入地月转移轨道，发射任务圆满成功。[1]由此开启了预计为期53天的全球首次月球背面取样返回之旅。这标志着由嫦娥六号、七号和八号组成的中国探月工程四期正在稳步推进。值得一提的是，此次发射比之前官方预期还要提前一年。
嫦娥六号发射瞬间 | 来源：央视新闻
史上首次，从月球背面“挖土”回来
2020年底，嫦娥五号从月球正面采回1731克月壤。作为嫦娥五号的备份，嫦娥六号被赋予了新的使命：除开展月表勘测外，还要前往月球背面南极—艾特肯盆地的阿波罗环形山地区进行样品采集，争取实现2千克的目标。
迄今为止，人类已进行10次月球采样返回，但这些采样均位于月球正面。1970年９月12日至24日，苏联的月球16号探测器成功完成了人类首次月面自动采样，携带101克月球样品安全返回地球。至1976年8月，苏联共发射了５个自动采样探测器，其中，月球16号、20号和24号共取回了326克月壤。1969年7月16日至24日，美国完成了人类首次登月任务，２名航天员采集了21.7千克月球样品后返回月球。美国总共6次载人登月从月球取回381千克月壤和月岩样品。[2]
此前10次月球采样的地理位置分布图 | 来源：Nature那么，嫦娥六号为什么非要去月球背面呢？嫦娥六号副总设计师王琼指出，比起月球正面，背面基本是古老的月壳和高地，坑洞更多，可能隐藏着月球形成和演化的秘密，因此更具科研价值。计划着陆的南极-艾特肯盆地是月球背面一处直径约2400公里的撞击坑，是月球上最古老、最大的撞击坑，也是太阳系中已知的最大撞击坑之一。嫦娥六号将进行形貌探测和地质背景勘察等工作，在该坑内获取月球南极不同年龄、不同地域的样品。科学家们将通过研究月背样品来了解和分析月表浅层结构、矿物组分、月面形貌等，有望在太阳系早期撞击历史、火山活动和月球地质演化等重大科学议题上取得突破，进一步拓展人类对月球乃至太阳系的认知。
值得一提的是，嫦娥六号采集的样品地质年龄预期将达到40亿年。此前，美国和苏联样品年龄约为30亿年，而嫦娥五号样品年龄约为20亿年。
南极-艾特肯盆地 | 来源：探月与航天工程中心嫦娥六号将如何从月球背面“挖土”呢？此次会沿用嫦娥五号的“钻取”和“表取”两种方式，获得不同深度的样品。“表取”是通过机械臂和机械爪的配合，从月球表面抓取一部分月壤；“钻取”是通过特殊的钻头钻到月表以下两米左右的位置，把月壤整体取出来，然后将其密封封装，经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将样品送回地球。
嫦娥六号探测器结构示意图 | 来源：探月和航天工程中心此次任务涉及多项技术挑战，是我国航天领域迄今为止复杂程度最高、技术跨度最大的航天系统工程。研究团队实现了一系列关键技术突破，包括月球逆行轨道设计与控制、着陆器的精准软着陆、月球样本采集、月背上空精准悬停降落、月背智能采样和月背起飞上升，以及返回舱的发射与返回等等。探测器在月球背面无法和地面测控站直接进行通信，需要中继星提供中继通信支持。2024年3月20日，我国发射鹊桥二号中继星解决了这一问题。
鹊桥二号，图像左侧为天都试验星｜来源：深空探测实验室嫦娥六号的地月轨道转移也更复杂。工程团队综合考虑地月位置关系等因素，应用“窄窗口多轨道”发射技术，在连续两天、每天50分钟的窗口内，设计了10条奔月轨道。此外，我国还将基于嫦娥六号，继续深入讨论和构建环月球通信导航卫星星座。这些任务将会为载人登月和月球科研站等更多复杂任务奠定基础。
除了月背挖土，国际合作也是嫦娥六号的一大亮点，彰显中国作为航天大国的自信和开放包容的心态。2019年中国国家航天局发布了国际合作机遇公告，计划拿出20千克用于搭载国际科学载荷。最终确定了来自巴基斯坦的ICUBE-Q立方星、法国的氡气探测仪、欧空局/瑞典的负离子分析仪和意大利的激光角反射器。其中，巴基斯坦立方星搭载在嫦娥六号轨道器上，其余载荷均搭载在着陆器上。[3]
从错失浪潮到全球领跑
迄今为止，人类一共进行了一百多次月球探测。1959年1月2日，苏联发射了月球１号探测器，美苏两个超级大国之间的竞争引发第一轮探月高潮。从1959年至1976年，苏联共开展了40次探月发射任务，其中有18次取得成功。美国于20世纪六七十年代实施的“阿波罗工程”，大幅提升了其科技实力和综合国力。各国开始意识到月球探测的战略意义，纷纷提出月球探测计划，全球进入以发现月球水分子为热点的第二轮探月高潮。
中国虽然错失了全球第一次探月浪潮，但通过人造卫星、载人航天工程实践，顺利赶上了第二次探月高潮。
早在20世纪80年代末，中国就开始论证探月工程。那时我们计划将宇航员送入太空，这事关重大，需要多次试验验证。鉴于美苏都曾经发射了月球探测器，于是探月问题被提上议程。探月首先要面临40万公里之遥的测控通信问题，这需要巨额投入，但是当时国家财力有限。中国工程院院士、中国探月工程总设计师吴伟仁曾说：“主要是经济问题，不是技术问题，所以当时这一论证就夭折了。”到了90年代末，又论证过一次，主要问题依然是缺钱，因为要建设全球布局的深空测控网，需要几十个亿投入，国家在经济上不能支持。所以这两次论证最后都不了了之。
2004年，中国航天人等来了机会，探月一期工程——绕月探测工程正式立项。自此，中国探月工程（又称“嫦娥工程”）正式启动，分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。2006年，《国家中长期科学技术发展规划纲要（2006－2020）》将探月工程列为国家中长期科技发展的重大专项。20年来，中国探月人白手起家、攻坚克难，我国探月工程八战八捷，为人类对月球和太阳系的认识提供了重要的数据和支持。[4]
表??探月工程“八战八捷”
其中，嫦娥四号是一个里程碑式的节点——这是人类航天器首次在月球背面软着陆，真正实现了世界领跑。
人类取得月球背面的图片和数据资料，还要倒推到20世纪五六十年代。1959年10月４日，苏联月球３号探测器从月球背面的上空飞过，拍摄并向地球发回了约70％月背面积的图片，使人类第一次看到月球背面的景象。1964年7月，美国徘徊者７号月球探测器在硬着陆之前，成功拍摄了4308张月面照片，使人类获得第一批近距离月面图像。
嫦娥四号拍摄的首张月球背面图片 | 来源：中国探月与航天工程中心不过，在嫦娥四号之前，人类探测器从来没有真正降落在月球背面，主要困难在于月球背面和地球之间的通信问题。而地月间通讯中继卫星“鹊桥一号”率先解决了这一难题，让嫦娥四号在月球背面留下了足迹。吴伟仁在采访中表示，“中国的探月工程起步晚，起点高……”“之前我们一直在跟跑、并跑，直到嫦娥四号我们才实现了领跑，我们领跑得太少了，还得继续努力。”
嫦娥五号带回的粉末、岩屑和光片 | 探月与航天工程中心继嫦娥四号之后，嫦娥五号于2020年11月24日发射，之后着陆在月球正面的北半球。历时23天，于2020年12月17日携带月球样品返回地球，标志着中国探月工程“绕、落、回”三步走战略完美收官。嫦娥五号采集了重约1731克的样本，虽然比起阿波罗计划的上百公斤样本要少很多，却是我国实现“月壤自主”的重要一步，就连美国航空航天局都公开要求中国共享数据。2021年7月12日，月球样品科学研究工作正式启动，首批发放的月球科研样品共17.4764克，被发放给13所科研机构。
NASA官方希望中国将探月数据拿出来共享 | 来源：NASA国际合作道阻且长
回顾过去，中国在航天领域的国际合作并不愉快。20世纪90年代，美国开始酝酿建设国际空间站（ISS）项目。在1986年哥伦比亚号航天飞机发射事故发生后，美国不得不借助苏联的火箭将宇航员送入空间站。为彰显国际合作意义，ISS除了与日本、英国、俄罗斯等国开展关键技术合作外，还邀请了南非、巴西、马来西亚等发展中国家参与，成为19个国家和机构共同合作的国际太空项目。令人遗憾的是，中国在ISS项目之初和2003年神舟五号成功发射后，曾多次诚恳申请加入该项目。美国却一直态度傲慢。1999年美国公布《考克斯法案》，诬告中国窃取美国卫星制造技术，此后中美航天商业发射合作全面中止。
不仅如此，自2011年以来，美国国会颁布了《沃尔夫法案》，禁止NASA或白宫科技政策办公室使用联邦资金“开发、设计、规划、颁布、实施或执行任何形式的双边政策、计划、命令或合同，以任何方式与中国或任何中资公司进行双边参与、合作或协调”，目的是杜绝对华技术转移的可能性。禁令实施以来，不仅中国官员与科学家无法与美国开展交流合作，甚至在美国机构工作的中国籍研究人员、在美国学校学习的中国籍学生都受到殃及。
中国的国际合作还遭到了美国的各种阻挠。例如，阿联酋的拉希德二号月球车原计划搭乘我国嫦娥七号任务的“顺风车”，对月球岩相地质学、月面等离子体、风化层和月尘等开展研究。美国却根据其科技法规的技术转让限制，令计划搁浅。相比之下，欧洲国家航天科技实力较强，受美国影响较小。但欧洲航天局也在2023年4月宣布，由于预算紧张，暂时不会考虑送航天员登陆中国空间站。
虽然困难重重，中国航天界却能深刻意识到国际合作对探索太空的重要性。我国通过共享资源、技术和数据，帮助各国更高效地开展月球探索活动。嫦娥四号任务中的“玉兔二号”月球车曾与德国的“月球-17”探测器合作进行过科学实验。嫦娥六号搭载了法国的氡气探测仪、欧空局的负离子探测仪、意大利的激光角反射镜、巴基斯坦的立方星4个国家和组织的载荷和卫星项目。早在“鹊桥”号发射之前，美国就曾提出合作请求，中国也表示欢迎。
其实，美国科学家在探月工程方面也曾多次向我们提出合作请求。吴伟仁提到，美国科学家在鹊桥一号发射之前就多次请求合作。他们希望能将鹊桥一号的设计寿命从3年延长到5年，还希望嫦娥四号登陆月球背面时，能够搭载一架美国信标机获取具体位置等信息。[4]
下一步：载人登月和月球科研站
深空探测愈来愈成为大国空间战略博弈的主战场，围绕深空科技制高点的竞争空前激烈。未来月球探测涉及基地建设、科学研究和资源开发等多个方面，同时也将会更加国际化和商业化。我国制定了到2030年让中国宇航员登陆月球，并于2035年在月球南极建成月球科研站基本型的目标。
我国载人登月初步方案为：采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至地月转移轨道，飞船和着陆器在环月轨道交会对接，航天员从飞船进入月面着陆器。其后，月面着陆器将下降着陆于月面预定区域，航天员登上月球开展科学考察与样品采集。[6]
国际月球科研站已经列入国际大科学工程的国家战略规划。吴伟仁院士表示，中国将实施“五五五工程”，邀请不同国家和地区共同建设和实施、共同管理这一巨型科研站设施，共享科研成果。目前已有超过10个国家与中国签署了合作协议。
我国主持的国际月球科研站将在2045年之前建成功能完善、相当规模、稳定运行的设备设施，开展月基综合性科学研究和深度资源开发利用，为载人登陆火星和人类奔向更远的深空做好技术验证和科学实验研究[7]。
嫦娥七号的主要目的是在月球南极找到水冰。早在30年前美国就曾做过相应努力。1994年1月21日，美国发射了克莱门汀号探测器对月球南极进行探测，并首次发现月球南极可能存在水的直接证据。1998年1月7日，美国月球勘探者环月探测器的探测数据表明，月球南北两极可能存在凝结的水冰，不过该探测器最终没有观测到期待的水汽云。
嫦娥八号也将飞到月球南极，和嫦娥七号一起组成月球科研站在南极的基本型，两个探测器可以联合或单独工作。目前已有超过10个国家与中国签署了合作协议，协力建好并充分利用月球科研站。下一步将以月球轨道站为枢纽，在2045年之前建成功能完善、相当规模、稳定运行的设备设施，打造一个在多点月球科考、资源开发利用和国际合作的大平台，为以后人类奔向更远深空，做好技术、物资和智力上的储备。
在月球探索和科学研究过程中，许多新的科学问题将不断涌现。中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤曾在《月球科研站的关键科学问题》一文中指出，“月球科研站的建设,不仅大大提升我国月球科学的探测能力，也为长期、持续的月球探测提供最重要的工程支撑和平台支撑,从而实现我国在月球科学上的突破。”[8]
国际月球科研站作为一个开放的科学平台，将吸引全球科研机构和科学家的参与，并产生大量的科学数据和研究成果。持续产出科学成果需要稳定投入。在我国航空航天总体经费投入中，“空间科学”相关实验经费占比还不到10%，美国的数据则是30%。王赤院士曾表示，希望我国“空间科学”水平到2035年可以接近欧洲水平，到2049年可以接近美国水平；也期盼2035年国家在“空间科学”的投入比例可达到15%，2049年比例可达20%。[9]
国际月球科研站还是一个实现变革性技术和颠覆性创新的重要基地。可预期的是，国际月球科研站可以孕育出包括月球资源的可持续开发和利用在内的众多新技术和产业，为经济社会的可持续发展提供新的动力和支撑。过去探月是政府主导，现在开始转向政府来牵引商业航天。未来可能会出现更多私营企业参与项目，推动月球探索活动向商业化和可持续方向发展。
除了月球在深空探测、科学研究和资源利用上的价值，载人登月和月球基地建设的军事与国防价值也不言而喻。月球上的活动长期以来受到联合国签署并于1967年10月10日生效的《外空条约》的约束。该条约指出，“月球和天体上的所有驻地、设施、设备和宇宙飞行器，应以互惠基础对其他缔约国代表开放。”不过实际上国际航天活动又同时秉承着“先到先得”的原则，并在执行中受到地缘政治的强烈影响。
放眼国际，新一轮载人登月任务正在拉开大幕。美国主导的“阿尔忒弥斯计划”已经在紧锣密鼓推进中，俄罗斯、欧空局、日本、印度也都提出了载人登月计划。吴伟仁院士在2024年4月24日举办的中国航天大会主论坛上透露，中国不仅将在2030年之前实现载人登月，还将在行星探测、小行星防御和太阳系边际探测上有大动作，2030年前后将发射天问三号探测器。“纵观世界各国目前进展，我国有望成为第一个火星采样返回的国家。”[10]
致谢：感谢中国空间科学学会科普工作委员会、空间科学传播专家工作室的支持。中国科学院国家空间科学中心刘勇、周炳红和孙志斌研究员，中国科学院国家天文台郑永春研究员提供了部分修改建议。本文只代表个人观点。
