第550期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《“嫦娥”奔月》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——“嫦娥”奔月
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主任设计师。
讲座时间：2024年4月8日～4月11日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——“嫦娥”奔月
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此前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。因为嫦娥五号不仅要飞到月球，还得在月球挖土采样，并且带着样品从月球返回地球，这是一次全新的挑战。在此之前，嫦娥系列探测器从未面对如此复杂的任务。那么，中国科学家将拿出哪些应对方案，才能让嫦娥五号顺利完成任务呢？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主任设计师黄昊。说到这个嫦娥五号，我知道在业界有一种说法，把它叫作“五姑娘”，这是为什么？为什么不是这“五小伙儿”，或者其他的叫法？
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。这样嫦娥工程实施以来，已经连续实施了五次任务，嫦娥五号是第六次。我是这么理解的，嫦娥是一个女性的形象，嫦娥五号肯定就是“五姑娘”了。你们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。这个绕跟我们解释一下什么概念？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，我们是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。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伍。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，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。通过对这次阅研和其他各类陨石的研究，中国逐步建立起相关实验室，培养了一批研究太空的科学队伍，为未来的探月工程铺垫下科学基础。2004年中国探月工程正式立项，被命名为“嫦娥工程”。其中嫦娥一号和嫦娥二号完成了绕月球飞行、探测等任务，嫦娥三号则实现了月球正面软着陆。2019年，嫦娥四号更是完成了人类历史上首次月球背面软着陆等多项重大使命。这一系列的探索不仅取得多个世界级创举，也让嫦娥工程积累下丰厚的探月经验。
当时我们为什么选择嫦娥四号落在月球的背面？刚才说到嫦娥三号和嫦娥四号都是按照着陆月球来设计的，嫦娥三号我们是第一次落月，选择在月球的正面着陆了。那么在研究嫦娥三号成功之后，嫦娥四号如何安排任务的时候，专家们提出来，月球背面尚没有其他国家去过，我们如果能够将嫦娥四号着陆在月球背面，将是人类首次在背面的着陆，于是大家下定决心把嫦娥四号的着陆点选在了月球背面。当时我们嫦娥四号落在月球的背面的时候，它的目的是什么？有这么几个考虑，首先是科学方面的考虑。因为背面，我们没有着陆探测过，那么着陆探测又不同于环绕探测，它着陆探测近距离地接触月球的表面和物质，它能够获得对这个区域更精细的探测结果。另外，背面的环境又不同于正面，地球的电磁波不能到达月球的背面，那么在背面开展一些天文观测，比如说低频射电的观测是非常有利的。再一个从工程的角度，如果我们再在月球正面落一次，那么它对这个工程技术的带动作用是有限的。我们通过落月球背面，使得我们首次在地月拉格朗日L2点，投了一个叫鹊桥中继星，解决了背面通讯的技术难题，增加了技术先进的带动作用。再一个就是影响，从来没去过的地方，既是我们工程技术人员的一种追求，你想也是这个世界上所有这个……好奇心的一种追求。好奇心的一种追求，所以它的国际影响就很大。
这对未来我们的探月的整个的空间布局，它的意义是什么呢？我们说要进行月球探测，就要有一个月球的到达能力，那么我们通过正面的着陆，背面的着陆，以及未来急需的探测，使得我们到达的能力就能得到比较全面的体现和实现，这是我们选择在背面着陆的另外一个考虑。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，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呢？
月球的形成有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，我们就可以把这段演化历史接起来了。月球，这颗离地球最近的天体，它对地球的影响远比人类想象的要更加重要。月球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。月球，无疑是我们了解外星球的最好开端。带着这样的目的，嫦娥五号不仅要去到月球，还得靠自己的能力挖土并带回地球，这是中国首次从地外天体采样返回，每一步都充满着风险。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，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，我们就可以去联合起来进行地月系的研究。再往后可以研究日、地、月的相互关系，进而再去研究太阳系，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。我们如果想进一步地了解月球的各种信息，我们还希望是通过采样返回的方式，将月球的土壤或者样本，然后采集返回地球，然后进一步开展更深入的一些科学探测工作。
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。第二个目的呢？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？这就是我们的一个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，包括月表以下是一个（块）坚硬的岩石，还是一（层）松软的土壤，我们都无法事先预知。所以我们进行得顺利吗？我担心的就是这个问题。进行得还是比较顺利，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。有些是能够可以直接通过钻机的驱动直接穿过去，然后就把这个岩石的土壤，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。两公斤。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。这个两公斤，虽然定得很少，应该说对于无人采样方式来说也还不少了。所以我们可以这样理解，这两公斤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来做的。
采集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。嫦娥五号配置了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，钻取装置则负责钻进月面之下大约两米的深度，从内部取土，这也是人类航天史上首次在地外星球同时使用两套采样装置取土。钻取采集到的月壤，直接进入到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，当土壤进入封装袋后，达到一定的重量，袋子就被自动向上提起，直到全部装满后，袋子被弹簧丝封死，进入整形装置，像卷香肠一样被盘绕起来，最后放入密封舱。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。还有一个问题呢？就是准时起飞问题？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（物）就没法交接，所以还有一个准时起飞的问题。一系列的问题。那么起飞之后，就要上升器携带样品容器要跟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吗？那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。这个时间成本要多久？
这个时间成本可能要，有可能一个月，就一个月球月。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。交会对接它这个难度，两位仔细地给我们讲一下。首先咱们的交会对接，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，更多的是通过有人去完成的。还有一个特点，就我们这个交会对接，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（被）约束（得）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。捕获、收拢、转移看似简单的过程，但在38万公里之外高速运行的飞行器上实现却没有那么简单。首先，航天器所面临的引力环境有很大不同，而且嫦娥五号上升器与轨返组合体的重量差异很大，一旦速度控制出现偏差，就会造成两器相撞，从而导致对接失败。不仅如此，嫦娥五号的无人交会对接在此之前没有过先例。针对这些难点，中国科学家们首先对两个飞行器进行远程导引控制，让它们在预定的时间到达预定的地点，实现轨道相交。根据交会对接敏感器测量信息，调整两器的位置和飞行姿态，直到它们交会，然后用抱爪式的对接机构将两器紧紧相连，这种方式有效避免了对接时的冲击力，最终将月球样品转移到轨返组合体中，完成了这一次完美的“拥抱”后，嫦娥五号的轨返组合体独自踏上了回到地球的归途。
我们的嫦娥五号怎么返回地球？这个细节是什么？轨道器携带返回器进行目地转移，在距地球5000公里左右，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，我们该怎么理解呢？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公里每秒。这是个什么概念？11公里每秒相当于子弹（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公里减到0，如果时间短了，那么冲击就会很大，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。最后轻松地回到地球表面，那回收的这个设计又是什么样的？
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他进行这个观测、保护、处置。九天揽月，谈笑凯歌还。2020年12月17日，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆。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，有一部分将发放给一些科研单位进行科学研究。这份珍贵的样品标志着中国航天史上迄今为止最复杂、难度最大的任务之一圆满成功。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（月）壤，到底我们要研究什么？应该说不同的科学家，他有不同的这个研究兴趣，你比如说研究这个宇宙演化的科学家，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。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。有没有生命。样品得到，生命目前认为是没有的，但我们也可以，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。
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，那就靠的导航卫星系统。那么你出门看天气就是靠着气象卫星，这些已经给我们的生活叫处处都在了。那么月球，当然它给我们的影响还稍微远一点，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，那么月球可能就是一二百年前的深海。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。未来我们对探月的发展会是怎样的？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。今天非常感谢两位来到我们《透视新科技》，那也感谢您收看我们今天的节目！如果您想了解我们更多的节目内容，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。
