第464期【齐悦读—线上共读—透视新科技】“齐悦读”[线上共读] 《嫦娥五号》
讲座题目：透视新科技——嫦娥五号
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：裴照宇，国家航天局探月与航天工程中心副主任。
黄 昊，中国航天科技集团五院嫦娥五号探测器总体设计师。
讲座时间：2023年6月12日～6月18日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——嫦娥五号
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》，我是主持人胜春。前不久，在我国的科技界又发生了一件大事，那就是嫦娥五号成功登月，并且要在月球表面采样，也就是我们俗称的挖土，再顺利地返回地球。这个时候您可能会问，我们为什么要在月球挖土呢？我们首先通过一段短片开始我们今天的节目。2020年12月1日23时11分，嫦娥五号在月球正面成功着陆，这是中国无人航天器第三次降落月球。如果说嫦娥五号这次成功着陆，是因为我国已有两次成功登月的经验，但它此后的任务却可谓是风险重重，月面采样，起飞上升，交货对接，这些操作全无经验可言，每一步对中国航天人都意味着一次全新的挑战。嫦娥五号为什么奔赴月球，又是怎样顺利完成任务的？在嫦娥五号飞向月球又重返地球的20多天里，它的命运牵动着国人的心。首先，我们给大家介绍一下，我们今天请来的两位嘉宾，第一位是国家航天局探月与航天工程中心的副主任裴照宇。接下来一位，是中国航天科技集团五院，嫦娥五号探测器总体设计师黄昊。说到这个嫦娥五号，我知道在业界有一种说法，把它叫做“五姑娘”，为什么不是这“五小伙儿”，或者其他的叫法，给我们解释一下。
我们航天的很多命名，都源自于中国的传统文化或者天文学知识，我们实施探月工程之后，大家提出了要给它命个名，经过网络征集和专家们研究，还是认为嫦娥和工程这个命名最贴合这项工程，也能够得到广大老百姓的认可。我是这么理解的，嫦娥是一个女性的形象，那嫦娥五号肯定就是“五姑娘”了。你们的心理上把它也更人性化了一点儿。因为嫦娥这是一个美丽的形象，这个“五姑娘”就像自己的小孩一样，所以说大家都亲切地称嫦娥五号叫“五姑娘”。实际上这也是你们孩子一样的作品，说到嫦娥五号，那可能我们就不得不提到之前的嫦娥一（号）二（号）三（号）四（号），这几个能不能给我们来介绍一下，它们的任务都有什么不同，归宿有什么不同？我们探月工程，已经规划的绕、落、回，是分三期来实施的，每一期安排了两次任务，一号二号是一期，三号四号是二期，五号六号是三期，每一期的任务是不同。那么一号二号作为绕的项目，绕就是能够进入月球影响范围，环绕月球飞行，落就是要落在月球的表面，回就是要从月球表面采集样品返回地球。从工程的角度来看，绕和落都只是说能去，我们通过采样返回表示我们能回，这样我们就具备了地月往返飞行的能力。说到这个话题，我们一块儿来看一下相关的短片。
中国探月工程于2004年1月23日全面启动，但在此之前，中国早已经默默地筹备了45年。从1958年，中国便开始构建和充实探月的科学队，然而直到20年后，中国科学家才有机会研究来自月球的石头。这是1978年5月，美国向中国赠送的一块，重量仅为1克的月球岩石，其中的0.5克被陈列在北京天文馆中，而另外的0.5克则供科学家们进行研究。仅凭这半粒黄豆大小的岩石，中国科学家发表出14篇高质量的科研论文。通过对这次月岩和其他各类陨石的研究，中国逐步建立起相关实验室，并培养了一批研究太空的科学队伍，为未来的嫦娥工程铺垫下科学基础。从2004年到2019年四代嫦娥系列探月探测器，已经分别完成了绕月球航行，对月球表面进行探测和拍摄，以及降落月球和人类历史上首次月球背面软着陆等多项重大使命。而嫦娥五号要挑战的则是回到地球，它要将月球上的珍贵科研信息带回地球，这是中国首次地外天体采样返回任务，每一步都充满了未知的风险。我们这次要去月球上挖土，为什么要挖土？月球上的土到底跟地球上的土有什么不一样呢？
作为采样返回任务，大家老百姓简单地说是挖土，但是我们从科学的角度来看，月球样品、土壤，它反映了这一区域的地形、地貌、地质的历史信息，那么研究这些区域的历史信息，进而可以增加对整个月球相关的成因、演化过程的认识，认识了月球的形成，我们就可以去（了解）太阳系，乃至于整个宇宙的形成和演化过程。别看这是简单的一抔土，它代表了宇宙形成的一个侧面，一个缩影。这次（嫦娥）五号的着陆点，一定跟（嫦娥）三号（嫦娥）四号是不同的，到底它的着陆点在哪里呢？它的着陆点在月球的正面有一个区域叫风暴洋，它是处在月球正面的西北方向，风暴洋这个区域过去没有其他国家去着陆过、采样过。再一个我们从采样返回的角度，在那个地方我们工程上是能够实现的，能够达到的，所以最后研究确定将那里作为我们的首选着陆区域。这个着陆点，它的地理信息和特点是什么？在选择着陆点时候，论证的情况，这个地方，应该说科学家认为是地质形成年代较晚的一个区域，地质年代较短，对于我们后期的科研研究和信息的提供有什么帮助？大家知道月球的形成了41亿年了，在前几次人类的采样活动中，他们拿到了38亿年至40亿年间的样品，那么38亿（年）再往后的样品还没有拿到，那么我们如果有更年轻的样品，我们就可以把这段野化历史接起来。
嫦娥五号降落在月球表面的时候，它怎么能够站得稳呢？我们在中学时候看到卫星拍回来的月球表面的图片，都是凸凹不平的，那这个问题怎么解决？我们（嫦娥）三号（嫦娥）四号、（嫦娥）五号三次（降落），不管是正面也好，背面也好，每次都是稳稳地着陆在月球。应该说我们的着陆技术是过关的，它从环绕月球飞行，启动动力下降，一直到着陆月球表面，它是一系列的一套组合动作。从最初的减速为主，然后调整姿态，然后测量障碍，然后避开障碍，然后缓冲着陆，这一套组合技术才完成的安全平稳着陆。我们具体降落之后，到底怎么挖这个土？我们采用了钻取和表取两种方式，为什么会安排这样的两种方式，有两个目的。一个目的是提高采样的可靠性，因为采样还是有风险的，万一有一种方式不能取到，我们还有另外一种方式来取，采到样品的可靠性就大大提高了。第二个目的，就是增加样品的多样性，我们不仅仅有表面样品的获取方式，我们还有这个钻取样品的获取方式。那么钻取的样品，就可能会保存有地层结构的一些信息，这些信息科学研究的价值就会大大地增大。在我们钻取土壤的过程当中，会不会也碰到坚硬的岩石等等，我们该怎么解决？
这就是我们的最大的一个难度的问题。首先，月球对我们来说是一个不确知的一些内容，包括就是月表以下的内容，是一个坚硬的岩石，还是一（层）松软的土壤，这我们都无法事先知道。预知的。所以我们进行顺利吗，我担心的就是这个问题。进行的还比较顺利，首先整个钻取过程，实际上是在我们地面实验的过程当中，针对各种各样的那种月球的土壤特性，实际上都进行了一个模拟，然后做了相应的实验。在不同的硬度，有些是能够可以直接通过钻机的这个驱动，然后直接穿过去，然后就把岩石的土壤，然后直接带回地面。我们到底要带回多少土壤？我们给嫦娥五号任务设了一个指标，两公斤（千克）。这个指标为什么这么少？这个指标很早我们就定了，在论证的时候就定了，因为它是一个叫工程设计的原始指标。怎么说呢？月球样品的多少，直接影响到样品容器的大小、重量、体积，容器的大小进而又会影响到整个上升器的大小、重量。采样量的多少，还会影响到采样机构的设计，采样功率的多少，所以最后，它是一个对整个探测器都有影响的一个指标，我们当时也想多采一点，但是我们选择了两种采样机构，最后大家核算下来，以现在的运载能力，以现在我们的探测器的飞行方式就是两公斤（千克）。这个两公斤（千克）虽然定得很少，应该说对于无人采样方式来说也还不少了。
这两公斤（千克）的月球表面的土壤，是最具性价比的采样。可以这么说，两公斤（千克）是一个设计指标，在采样的过程中可能会遇到各种各样的情况。我们对于嫦娥五号首次采样任务来说，我们并没有把两公斤（千克）作为一个硬指标，我们是把采得到样品，能够带着样品返回地球作为硬指标的。当然有了两公斤（千克）这样的一个指标，我们在工程研制过程中是严格去按照实现两公斤（千克）来做的。说到这个话题，我们一块儿来看一下相关的短片。月壤是嫦娥五号奔赴月球的核心任务，着陆器登陆月球后开始启动挖掘装置。嫦娥五号配置的表取与钻取两套月壤采集系统，采样机械臂负责采集月球表面的土壤，钻探机则负责钻进月面之下，从内部取土。钻取采集到的月壤，直接进入安装在钻杆里的一个封装袋中，这个封装袋有一个巧妙的设计，它被套在钻杆上，随着钻头往下深入，土壤不断进入软袋。当钻进停止后，向上提起软袋，袋子被弹簧丝封死，进入整形装置，软袋像卷香肠一样被盘绕起来，最后放入密封仓。但其实接下来，嫦娥五号才面临着更大的难题，那就是如何回到地球。之前我们从嫦娥一号到嫦娥四号，那我们最好的完成目标就是我们到了月球就不用再回来了，而嫦娥五号是实现了之前的所有的突破，我们到了之后还要回来，我们怎么回来？
回程，过去是没有经验的。我们现在回程的主要环节，有这样几个，一个是月面起飞，一个是交会对接和样品转移。一个是月地入射，最后一个是再入返回，高速再入返回。对于月面起飞来说，我想有两个大家比较关注的问题，一个问题，就是在月面的起飞，相当于地表的发射。着陆姿态什么样，起飞姿态就是什么样。但是我们又要要求它，在这样的姿态下，按照预定的轨迹进入到叫绕月的轨道，所以，这就是一个在不确定姿态下的起飞问题。还有一个问题，就是准时起飞问题，因为我们起飞之后，后面的交会是要瞄着后面的交会对接，和样品转移来考虑进入月球的轨道，那就要求我们在预定的时刻起飞。不是还有轨道器和返回器，在轨道上等着接货吗？就是说你赶不上这班车了，相当于这个道理。对，如果你这个不在预定的时间起飞，你跟它就不在一条道上，所以你们这个货就没法交接，所以这个还有一个准时起飞的问题。一系列的问题，那么起飞之后，就上升器携带这个样品容器，要跟这个轨道器和返回器的组合体，进行交会对接样品转移。
交会是指上升之后的轨道，要跟轨道器的轨道有相交的地方，只有相交了，你们才能够进行对接，只有见面了你们才能握手。假如说它真的就错失了对接的机会，还有下一次轮回的对接的机会。我们就要重新来进行后续的轨道重构，把后面整个过程的轨道，再做一次设计，按照预案去组织第二次的交会对接。这个时间成本有多久？这个时间成本可能要，有可能一个月就是一个月球月。要等到相同的这个，地月日月关系。所以首先要交会，交会就是我们俩见面，然后要对接。对接是我们俩握手，然后样品转移，我们再把东西传递过去。接下来，我们来聊聊交会对接它的难度，两位仔细地给我们讲一下。首先咱们交会对接，实际上是国内甚至是国际上首次在月球轨道做一个无人交会对接，国外有做更多是通过有人去完成的。还有一个特点，我们这个交互对接，因为受上升器，它起飞重量的一个约束。它整个交会对接的设备敏感器，它（的）重量都约束都非常强，要求特别轻特别小，这也是限制我们交会对接任务设计的一个难点。有一个交会对接的时候，采用抱爪式对接机构，这有什么特点？
首先交会对接过程，实际上是一个包含多个阶段。首先实际上是一个从远程导引，将上升器导引至这个轨道器的一个前方，大概是100公里（千米）左右，之后是轨道器，通过它的这个敏感器，然后去捕获上升器，然后采用一个自主的一个过程，然后逐渐缩短，轨道器规范组合体与上升器的这样的一个距离，最终实现了这一个靠拢，这就是一个整个的对接过程。完成靠拢之后，最后会通过这个抱爪式机构，然后让轨返组合体，它抓住这个上升器，然后形成一个联合的一个联合体。完成联合体之后，然后实现这个样品的一个转移工作。我们的嫦娥五号怎么返回地球？轨道器携带返回器进行月地转移，在距地球5000公里（千米）左右，这个轨道器就会把返回器释放出来。根据事先设置好的姿态，再入的角度，进入到大气层之中，我们叫做半弹道跳跃式再入返回。这听起来很复杂，我们该怎么理解？我们先来说跳跃式，因为从月球转移到地球，它接近地球的时候，这个时候的速度将近11公里（千米）每秒。这是个什么概念？11公里（千米）每秒相当于子弹（速度）的十几倍。子弹速度的十几倍。对，我们子弹的速度大概是七八百米每秒，而11公里（千米）每秒应该是十几倍的子弹速度。相当于声音速度340米每秒的三十几倍，所以这是一个非常高的速度。以11公里（千米）每秒这样的再入速度，要在相同的时间内着陆到地面，也就是要（将）速度从11公里（千米）减到零。如果时间短了，那么冲击就很大，力的影响就会很大，就跟我们踩急刹车一样。那么热的影响也会很大，而如果我们将这个刹车进行时间延长，让它变成缓慢地减速，那么它的力的影响和热的影响就会改善，所以我们通过打水漂来增长减速的这个路径，来增加减速的时间，这样我们就让它着陆的更加舒服一些。
火箭升空是不停脱节的，然后保证自己前进的速度，和推进的力量。当嫦娥五号返回的时候，也是这样要边飞边扔东西的吗？嫦娥五号从文昌发射起飞的时候，是8.2吨的一个重量。到了月球之后，我们这个轨返组合体跟着上组合体分离了。着陆器，就是着上组合体，就是落在了月球表面，然后上升起飞。这时候着陆器不就丢掉了，丢了之后，然后上升器跟轨返组合体进行了一个交会对接。交会对接完成之后，对接的一些设备跟上升器，然后又跟轨返组合体进行了一分离。这时候上升器和相应的一个对接支架的内容的一个重量又抛弃了，我就剩下了一个轨返组合体带的样品。然后规范左体带的样品，然后又踏上了一个征程，然后踏上了这个回程。在最后5000公里(千米)高度，然后轨道器和返回器分离，然后最后返回器，总共有300多公斤（千克），然后就回到了一个地面，只有边飞边扔，才能够减轻负担。减轻负担。最后轻松地回到地球表面，回收的设计又是什么样的？我们在返回器上，设置了一些无线电信标，它可以向外发送无线电信号，那么我们的搜索设备，可以在收到这个信号之后对它进行定位，然后发现返回器之后，就可以对它进行观测、保护、处置。
说到这个话题，我们一块儿来看一下相关的短片。2020年12月19日，嫦娥五号任务月球样品接收活动，在中国科学院国家天文台举行，从月球带回的两千克月壤中，有一部分将由国家天文台进行科学研究。月球，是离地球最近的一颗卫星，它的引力为地球带来潮汐变化，影响着海洋中的一切。它的微光为夜行动物和植物提供能量，它让地球自转的速度放缓，为生命的出现带来适宜的环境。当我们仰望浩瀚的宇宙，那里有着难以计数的星球，而地球只是其中的沧海一粟。有人说人类或许是宇宙中孤独的存在，那么为什么宇宙中会有人类这个孤独的族群，我们到底从哪儿来？好奇心和创造的本能一直驱使着我们在探究这些未知。月球，这个距离地球38万千米的卫星，无疑是我们了解外星球的最好开端，而月壤中所暗藏的答案，中国将与国际科学家共同去寻找。带回来的土（目）壤，到底我们要研究什么？应该说不同的科学家，他有不同的研究兴趣。你比如说研究宇宙演化的科学家，他就特别关心这个地质历史问题。研究这个生物的科学家，他就特别关注这个里边有没有生物信息问题。就可以设想一下，有些发现月球上有没有水，我可以通过分析这个人家样品得到，生命目前是认为，是没有的。但我们也就可以证实这件事情，不同地点的月球样品，反映的这一区域不同的地质历史的信息，科学家们能够用它来研究什么？我跟你一样，我也是期待之中，我们相信这个样品回来之后的科学研究过程中，科学家们会提出很好的创意，开展有价值的研究，当然我们也欢迎观众朋友也来出出主意。
您这个想法非常好，随着我们对月球的了解，还会给普通人带来哪些好处呢？大家已经很清晰地感受到了，航天技术对我们生活带来的各个方面的影响。比如说导航，你现在出门导航就是靠的导航卫星系统，那么你出门看天气就是靠的气象卫星，这些已经给我们的生活叫处处都在了。那么月球当然它的给我们的影响，还稍微远一点。这样就有一个问题，我们怎么看待月球？我个人认为，人们对月球的认知，就跟一二百年以前，人们对深海的认知差不多。那个时候我们对深海知之甚少，不知道它里面有什么，没有想到人们现在需要通过利用深海来服务于我们的生活。月球可能就是一二百年的深海，当我们对月球有了越来越多的认知之后，我们对于如何让月球探测技术为人类服务，也就会有更加清晰的这个概念了。未来我们对探月的发展，会是怎样的？在后续的月球探测活动中，我们能不能在月球上也建立一个科考站，为科学探测活动，为未来的技术的验证提供更好的支撑，这一条应该说得到了很多科学家、工程技术专家的赞成，也得到了一些国际上开展月球探测国家的认可。那今天非常感谢两位来到我们《透视新科技》，跟我们共同探讨嫦娥五号这样一个话题。那也感谢您收看我们今天的《透视新科技》节目，如果你想了解我更多的节目内容，可以下载央视频去分享其他的节目。好，我是胜春，今天的节目就到这了，我们下期节目再见。
（通讯员 邓辉）
