嫦娥五号上月球薅月壤究竟有多难？

去年年底我们国家航天局由海南文昌发射中心发射的嫦娥五号成功从月球表面薅了约2kg的月壤，这是人类时隔四十多年再次登月成功，身在异国他乡的我十分激动。那么今天咱们来聊聊从月球上薅月壤究竟有多难。

纵观人类历史，目前只有美国和前苏联成功登月并在月球表面薅了月壤。而且两国当时是由于太空竞赛，烧了几百亿美金才强行实现人类登月，后来两国达成协议再也不烧钱，因此从1976年前苏联的月球24号返回地球以后，人类的探测器再也没有登上月球。

当年美国总共从月球上薅了383 kg的月壤及月岩，美国为了展现他们绝对的探月实力以及科技实力，就将样品分为多个小块作为外交礼物送给各国领导人。1978年，时任美国总统国家安全事务助理布热津斯基到访中国。为推动中美尽快建交并表诚意，布热津斯基随身携带了一份1克重的月岩标本作为礼物。为了研究这块标本，欧阳自远与其他专家用0.5克月岩标本做了大量的研究，弄清楚了这块月岩的来源与组成成分，剩下的0.5克月岩在北京天文馆展览。

图1. 北京天文台展览的0.5 g月岩

事实上，我国的探月工程早在2004年已经启动。

中国探月工程(英语：China Lunar ExplorationProject 或 ChineseLunar Exploration Program，缩写：CLEP)，是嫦娥工程的一部分，是中国国家航天局启动的第一个探月工程，于2004年1月23日由时任国务院总理温家宝批准正式立项。首先是发射绕月卫星，继而是发射无人探测装置，实现月面软着陆探测，最后为运输机器人上月球建立观测点，并且采取样本返回地球；整个计划将会历时20年，并为载人登月的长期目标作出准备。

图2. 中国探月工程标识“月亮之上”为月字的变形，中央为两个脚印

01我国探月工程规划

中国嫦娥工程整体可以分为“探”、“登”、“驻”三大步骤，概称“大三步”（“三部曲”），分别指无人探月、载人登月、长久驻月。其中探月部分便是目前实施的“中国探月工程”，分为“绕”、“落”、“回”三个期段，统称“小三步”（“三步走”）

无人探月

• 一期工程“绕”：（嫦娥一号、二号），2007年启动，发射月球轨道器/硬着陆器，在距离月球表面两千公里的高度绕月飞行，进行月球探测。

• 二期工程“落”：（嫦娥三号/玉兔号、四号/玉兔二号），2013年启动，发射月球软着陆器/巡视器，降落到月球表面，释放一个月球车，进行着陆区附近局部详细探测，着陆器还将携带天文望远镜，从月亮上观测星空。

• 三期工程“回”：（嫦娥五号探路星、嫦娥五号、嫦娥六号），2019年启动，发射月球自动采样返回器，降落到月球表面后，机械手将采集月球土壤和岩石样品（一次在月球南极）送上返回器，返回器再将月球样品带回地球，开展相关研究。

• 四期工程：（嫦娥七号、嫦娥八号）指“三步走”完成后，后续对月球的科研活动。对月球南极的一次综合探测，包括对月球的地形地貌、物质成分、空间环境等进行一次综合探测及验证部分技术，为以后各国共同建立月球科研基地，做一些前期探索。

02登月过程的物理问题

飞往月球的航天器称为月球探测器。月球探测器的运行环境有两个特点：一是处于地球引力和月球引力的共同作用下，通过天体力学的计算，要接近月球，航天器相对地球的初始速度必须大于10.848 km/s。二是地球引力的作用半径是93万km，而月地之间的距离仅为38万km，月球探测器还没有脱离地球的引力范围，飞往月球的过渡轨道可以是环绕地球的椭圆形轨道，发射月球探测器的初速不必超过第二宇宙速度。这两个特点是设计飞往月球轨道的基础。

03登月方式

根据上述特点，登月轨道可分为两个阶段：一个是以地球引力为主的阶段，另一个是以月球引力为主的阶段。相对于地球的引力，月球引力的作用半径为6.6万km。因此，以距月心6.6万km的球面为分界，与月球的距离大于6.6万km时，可以忽略月球引力，航天器受到的力主要是地球引力，近似认为航天器相对于地球的轨道是椭圆型轨道。当航天器进入月球引力作用面时，忽略地球的引力，航天器受到的力主要是月球引力。这时，航天器相对于月球的速度往往大于月球的逃逸速度(2.36km/s)，相对于月球的轨道为双曲线轨道。将这两段轨道连接起来，就是月球探测器的轨道。探测月球的轨道一般采用如下4种：直接登月轨道、环地登月轨道、环月登月轨道和飞越月球轨道。

（1）直接登月轨道

这是一种最简单的登月轨道。轨道形状可以是椭圆、抛物线或双曲线。只要航天器到达月球轨道时能与月球相遇，就能击中月球，实现硬着陆。这种轨道需要大推力的运载火箭，为保证航天器能与月球相遇，必须预先进行精确的计算。

图3. 直接登月轨道

（2） 环地登月轨道

首先将航天器发射到环绕地球的停泊轨道上，然后由地面测控站根据停泊轨道的实际参数确定飞向月球的航线，并选择最有利的时间和位置再次启动发动机，使航天器变轨进入与月球相遇的轨道。采用这种登月方式，探测器与月球相遇的速度大约为2.5km/s，所以也是硬着陆。如要求软着陆，可在着陆前用反推火箭使探测器减速。 早期的月球探测器多采用这种方式的登月轨道。它与直接登月轨道比较，在起飞时间、选择航线、修正轨道偏差方面都有较大的灵活性，同时对运载火箭总发射能量的要求也比较低。

（3） 环月登月轨道

这是目前常用的登月轨道。这种轨道经过3次变轨后实现在月面上软着陆。首先将探测器发射到环绕地球的停泊轨道上，根据停泊轨道的实际参数计算出最有利的航线，然后选择合适的时间和位置启动末级火箭发动机，将探测器送入远地点在月球轨道上的大椭圆转移轨道，探测器与火箭分离，实现第一次变轨。当探测器飞到距离月球6.6万km时，进入月球引力范围，由于此时探测器的速度超过月球的逃逸速度，如不加控制探测器将沿双曲线轨道飞越月球或与月球相撞。为了使探测器进入环月轨道，需要启动探测器上的制动发动机，使探测器减速，减到月球的环绕速度1.68 km/s，进入环月飞行轨道，实现第二次变轨，成为月球的卫星。探测器在环月轨道上运行，通过地面测控站或飞船的控制舱，选择着陆地点，计算离轨时间和位置，分离登月舱。在近月点启动登月舱上的制动发动机，离开环月轨道向月面降落，这是第三次变轨。登月舱进入下降着陆段后，利用制动发动机、小推力发动机和缓冲着陆装置实现软着陆。

图4. 环月登月轨道

（4） 飞越月球轨道

当月球探测器进入月球引力范围，由于速度超过月球的逃逸速度，如不加控制探测器将沿双曲线轨道飞越月球。可以利用这种轨道绕过月球，探测月球背面。当探测器绕过月球离开月球引力范围后，其相对于地球运动的速度大小和方向都发生了变化，结果可能使探测器加速到第二宇宙速度而脱离地球的引力作用。也就是说，尽管探测器离开地球时的速度小于第二宇宙速度，但可能借助于月球引力的加速成为人造行星。

图5. 飞越月球轨道

写在最后

从2004年开始立项，到2020年嫦娥五号薅月壤并圆满返回，这十多年间包含了多少科研人员的智慧，汗水甚至奉献了他们的青春年华。回想从笔者出生到如今的2021年，我们国家总是在不经意间刷新着一项又一项的记录，也不声不响的实现我国未曾实现的梦想，从2003年的载人航天到神舟系列飞船与天宫号空间站对接，以及“蛟龙号”实现了全球同类型潜水器的最大下潜深度，再到2020年年底嫦娥五号成功从月球薅样品，我想我们整个国家一直在被一群最伟大最勇敢的人保护着推动着前进，也正是这一群最伟大的人让我们中华民族能够屹立在世界民族之巅，进而实现伟大的中国梦！