如何進行月球採樣返回探測？

1609年，著名科學家伽利略藉助自製的44厘米望遠鏡首次對月亮進行了科學觀測，並繪製了人類歷史上第一張月球表面的素描圖。這張素描圖標誌著人類開始正式對月球這個除地球之外最為熟悉的星體進行科學探索。1958年8月17日，美國發射了人類歷史上第一顆月球探測器「先驅者」0號，拉開了月球探測航天發射的序幕。

從1959年開始，人類共進行了近130次月球探測行動，在冷戰背景下，美蘇曾在月球探測領域展開競賽。1976年前前蘇聯發射了47顆無人探測器，美國發射了23顆無人探測器。在月球探索初期，美蘇主要採取航天器擊中月球（通常所謂的硬著陸）、飛躍月球和繞月拍攝月球表面照片的方式。隨著人類航天技術的發展，航天器開始進行繞月飛行、月面軟著陸、自動取樣並返回大氣層甚至載人航天的方式探索月球。通過分析月球探測獲取的豐富數據，人力逐漸了解了月球的形狀、近地環境、地表特點等信息。這這一時期，美國的「阿波羅」11號飛船首次實現了載人登月，前蘇聯的「月球」16號等進行了無人登月取樣，共獲得了382千克月壤、月岩樣本。因此我們可以說，「摘月亮下來」，並不是不可能完成的任務。

1989年7月20日時任美國總統的老布希宣布：「在新的世紀里，我們要重返月球，重返未來，而且這一次要待下去！」進入新世紀以來，中國、歐空局、日本、印度、烏克蘭、奧地利、英國、德國、巴西等先後開始制定並開始執行自己的月球探測計劃，但這其中大部分國家和組織暫時只停留在對月觀測階段，並沒有進一步啟動「登月探測」計劃。而在登月探測任務中，又以登月並採樣返回任務對航天工程技術水平要求最最高，技術難度最大。

登月的基礎，是掌握動力軟著陸技術，也可以簡單稱為「落月」。落月過程一般被分成主減速段、快速調整階段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和著陸段。當探測器接近到距離月球表面約15千米時，開始減速。前三階段由於月球表面沒有大氣，無法依賴減速傘和其他空氣動力學控制手段，因此主要依靠火箭發動機進行減速制動並調整姿態，懸停與避障段依賴著陸器圖象探測器對預定著陸區域進行成像分析，選擇較為安全的著陸點。最後階段探測器速度得到控制，在距離月球表面4米左右關閉發動機以自由落體方式著陸，這樣也可以有效防止發動機噴射的氣流導致月壤濺射。整個過程將會在12分鐘左右完成。與控制速度相比，落月過程中最大的挑戰在於使著陸器垂直降落，據當時新聞報道，中國的「嫦娥三號」軟著陸後傾角僅有1~2度。而只有保證著陸傾角才能使未來上升器從月球表面成功升空。

而在月球表面進行採樣和封裝則需要考慮收集樣品的類型和著陸器搭載設備的情況。科學界一般將月球表面樣品分為月壤（直徑<1厘米）和月岩。此前美蘇在探月任務中，主要採取了機械臂取樣和鑽取法兩種方式。前蘇聯的「月球」無人月球採樣返回任務中僅採用了鑽取法，而美國的「阿波羅」則同時採用了兩套方法。雖然這兩種方式與地球上地質人員取樣採取的方式接近，但考慮到月壤熱傳導性差，月面真空和低重力環境對轉進壓力等方面的不利影響，整套系統的研製難度並不算小。而美蘇為月球探測研製的鑽孔技術和專用設備後來也被用於其他領域，獲得了相當出色的效果。據中國探月工程三期總設計師胡浩向媒體披露，「嫦娥五號」將同時搭載兩套取樣設備，機械臂與鑽取器取樣比例將控制在3：1。

在獲取月球表面樣品後，為了防止宇宙射線等影響樣品，確保樣品始終處於原始形態下。考慮到月球富含鐵、鈦、鈾等礦物資源，還有著名的氦-3氣體能源，月球表面樣品的價值可以稱得上是價值連城。據媒體披露「嫦娥五號」計劃帶回地球的2公斤月球樣品已經早早被國內各科研機構和相關單位預訂一空。

在完成樣品封裝和其他探測任務後，探測器將開始從月面起飛，這一過程大體可分為垂直上升段、姿態調整段和軌道射出段。為了保證探測器上升器準確入軌，必須預先進行大量計算，設計多套方案和上升軌道，並根據上升器狀態等數據隨時對飛行軌跡進行調整。如果起飛順利，上升器將會回到月球軌道與預先「等」在那裡的軌道器、返回器進行交會對接。此時航天器距地球的距離將超過38萬千米，因此月球探測器的交會對接比一般載人航天器在300千米的地球軌道進行交會對接要複雜得多。

如果以上各階段都順利完成，那麼我們基本可以確認月球採樣返回探測任務順利完成了。考慮到目前僅有美國和前蘇聯完成過月球採樣返回任務，我們有理由相信，「摘月亮下來」的難度確實稱得上人類航天技術之冠。

作者：白孟宸

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