4月份，中國航天顯得前所未有的忙碌：剛剛發(fā)射了神舟十八號，又迎接神舟十七號返回地球，還發(fā)布了一套月球高清地質(zhì)地圖集。到了5月，剛剛發(fā)射的嫦娥六號，要從月球背面“挖土”回來。
撰文 | 張志會（中國科學(xué)院自然科學(xué)史所研究員）
5月3日，嫦娥六號搭乘長征五號遙八運(yùn)載火箭在海南文昌發(fā)射場發(fā)射升空，并進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，發(fā)射任務(wù)圓滿成功。[1]由此開啟了預(yù)計(jì)為期53天的全球首次月球背面取樣返回之旅。這標(biāo)志著由嫦娥六號、七號和八號組成的中國探月工程四期正在穩(wěn)步推進(jìn)。值得一提的是，此次發(fā)射比之前官方預(yù)期還要提前一年。
嫦娥六號發(fā)射瞬間 | 來源：央視新聞
史上首次，從月球背面“挖土”回來
2020年底，嫦娥五號從月球正面采回1731克月壤。作為嫦娥五號的備份，嫦娥六號被賦予了新的使命：除開展月表勘測外，還要前往月球背面南極—艾特肯盆地的阿波羅環(huán)形山地區(qū)進(jìn)行樣品采集，爭取實(shí)現(xiàn)2公斤的目標(biāo)。
迄今為止，人類已進(jìn)行10次月球采樣返回，但這些采樣均位于月球正面。1970年９月12日至24日，蘇聯(lián)的月球16號探測器成功完成了人類首次月面自動采樣，攜帶101克月球樣品安全返回地球。至1976年8月，蘇聯(lián)共發(fā)射了５個自動采樣探測器，其中，月球16號、20號和24號共取回了321克。1969年7月16日至24日，美國完成了人類首次登月任務(wù)，２名航天員采集了21.7千克月球樣品后返回月球。美國總共6次載人登月從月球取回381千克月壤和月巖樣品。[2]
此前10次月球采樣的地理位置分布圖 | 來源：Nature
那么，嫦娥六號為什么非要去月球背面呢？嫦娥六號副總設(shè)計(jì)師王瓊指出，比起月球正面，背面基本是古老的月殼和高地，坑洞更多，可能隱藏著月球形成和演化的秘密，因此更具科研價值。計(jì)劃著陸的南極-艾特肯盆地是月球背面一處直徑約2400公里的撞擊坑，是月球上古老、大的撞擊坑，也是太陽系中已知的大撞擊坑之一。嫦娥六號將進(jìn)行形貌探測和地質(zhì)背景勘察等工作，在該坑內(nèi)獲取月球南極不同年齡、不同地域的樣品?？茖W(xué)家們將通過研究月背樣品來了解和分析月表淺層結(jié)構(gòu)、礦物組分、月面形貌等，有望在太陽系早期撞擊歷史、火山活動和月球地質(zhì)演化等重大科學(xué)議題上取得突破，進(jìn)一步拓展人類對月球乃至太陽系的認(rèn)知。
值得一提的是，嫦娥六號采集的樣品地質(zhì)年齡預(yù)期將達(dá)到40億年。此前，美國和蘇聯(lián)樣品年齡約為30億年，而嫦娥五號樣品年齡約為20億年。
南極-艾特肯盆地 | 來源：探月與航天工程中心
嫦娥六號將如何從月球背面“挖土”呢？此次會沿用嫦娥五號的“鉆取”和“表取”兩種方式，獲得不同深度的樣品。“表取”是通過機(jī)械臂和機(jī)械爪的配合，從月球表面抓取一部分月壤；“鉆取”是通過特殊的鉆頭鉆到月表以下兩米左右的位置，把月壤整體取出來，然后將其密封封裝，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等過程將樣品送回地球。
嫦娥六號探測器結(jié)構(gòu)示意圖 | 來源：探月和航天工程中心
此次任務(wù)涉及多項(xiàng)技術(shù)挑戰(zhàn)，是我國航天領(lǐng)域迄今為止復(fù)雜程度高、技術(shù)跨度大的航天系統(tǒng)工程。研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了一系列關(guān)鍵技術(shù)突破，包括月球逆行軌道設(shè)計(jì)與控制、著陸器的精準(zhǔn)軟著陸、月球樣本采集、月背上空精準(zhǔn)懸停降落、月背智能采樣和月背起飛上升，以及返回艙的發(fā)射與返回等等。探測器在月球背面無法和地面測控站直接進(jìn)行通信，需要中繼星提供中繼通信支持。2024年3月20日，我國發(fā)射鵲橋二號中繼星解決了這一問題。
鵲橋二號，圖像左側(cè)為天都試驗(yàn)星｜來源：深空探測實(shí)驗(yàn)室
嫦娥六號的地月軌道轉(zhuǎn)移也更復(fù)雜。工程團(tuán)隊(duì)綜合考慮地月位置關(guān)系等因素，應(yīng)用“窄窗口多軌道”發(fā)射技術(shù)，在連續(xù)兩天、每天50分鐘的窗口內(nèi)，設(shè)計(jì)了10條奔月軌道。此外，我國還將基于嫦娥六號，繼續(xù)深入討論和構(gòu)建環(huán)月球通信導(dǎo)航衛(wèi)星星座。這些任務(wù)將會為載人登月和月球科研站等更多復(fù)雜任務(wù)奠定基礎(chǔ)。
除了月背挖土，國際合作也是嫦娥六號的一大亮點(diǎn)，彰顯中國作為航天大國的自信和開放包容的心態(tài)。2019年中國國家航天局發(fā)布了國際合作機(jī)遇公告，計(jì)劃拿出20千克用于搭載國際科學(xué)載荷。終確定了來自巴基斯坦的ICUBE-Q立方星、法國的氡氣探測儀、歐空局/瑞典的負(fù)離子分析儀和意大利的激光角反射器。其中，巴基斯坦立方星搭載在嫦娥六號軌道器上，其余載荷均搭載在著陸器上。[3]
從錯失浪潮到全球領(lǐng)跑
迄今為止，人類一共進(jìn)行了一百多次月球探測。1959年1月2日，蘇聯(lián)發(fā)射了月球１號探測器，美蘇兩個超級大國之間的競爭引發(fā)第一輪探月高潮。從1959年至1976年，蘇聯(lián)共開展了40次探月發(fā)射任務(wù)，其中有18次取得成功。美國于20世紀(jì)六七十年代實(shí)施的“阿波羅工程”，大幅提升了其科技實(shí)力和綜合國力。各國開始意識到月球探測的戰(zhàn)略意義，紛紛提出月球探測計(jì)劃，全球進(jìn)入以發(fā)現(xiàn)月球水分子為熱點(diǎn)的第二輪探月高潮。
中國雖然錯失了全球第一次探月浪潮，但通過人造衛(wèi)星、載人航天工程實(shí)踐，順利趕上了第二次探月高潮。
早在20世紀(jì)80年代末，中國就開始論證探月工程。那時我們計(jì)劃將宇航員送入太空，這事關(guān)重大，需要多次試驗(yàn)驗(yàn)證。鑒于美蘇都曾經(jīng)發(fā)射了月球探測器，于是探月問題被提上議程。探月首先要面臨40萬公里之遙的測控通信問題，這需要巨額投入，但是當(dāng)時國家財(cái)力有限。中國工程院院士、中國探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁曾說：“主要是經(jīng)濟(jì)問題，不是技術(shù)問題，所以當(dāng)時這一論證就夭折了。”到了90年代末，又論證過一次，主要問題依然是缺錢，因?yàn)橐ㄔO(shè)全球布局的深空測控網(wǎng)，需要幾十個億投入，國家在經(jīng)濟(jì)上不能支持。所以這兩次論證后都不了了之。
2004年，中國航天人等來了機(jī)會，探月一期工程——繞月探測工程正式立項(xiàng)。自此，中國探月工程（又稱“嫦娥工程”）正式啟動，分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。2006年，《國家中長期科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006－2020）》將探月工程列為國家中長期科技發(fā)展的重大專項(xiàng)。20年來，中國探月人白手起家、攻堅(jiān)克難，我國探月工程八戰(zhàn)八捷，為人類對月球和太陽系的認(rèn)識提供了重要的數(shù)據(jù)和支持。[4]
表 探月工程“八戰(zhàn)八捷”
其中，嫦娥四號是一個里程碑式的節(jié)點(diǎn)——這是人類航天器首次在月球背面軟著陸，真正實(shí)現(xiàn)了世界領(lǐng)跑。
人類取得月球背面的圖片和數(shù)據(jù)資料，還要倒推到20世紀(jì)五六十年代。1959年10月４日，蘇聯(lián)月球３號探測器從月球背面的上空飛過，拍攝并向地球發(fā)回了約70％月背面積的圖片，使人類第一次看到月球背面的景象。1964年7月，美國徘徊者７號月球探測器在硬著陸之前，成功拍攝了4308張?jiān)旅嬲掌?，使人類獲得第一批近距離月面圖像。
不過，在嫦娥四號之前，人類探測器從來沒有真正降落在月球背面，主要困難在于月球背面和地球之間的通信問題。而地月間通訊中繼衛(wèi)星“鵲橋一號”率先解決了這一難題，讓嫦娥四號在月球背面留下了足跡。吳偉仁在采訪中表示，“中國的探月工程起步晚，起點(diǎn)高……”“之前我們一直在跟跑、并跑，直到嫦娥四號我們才實(shí)現(xiàn)了領(lǐng)跑，我們領(lǐng)跑得太少了，還得繼續(xù)努力。”
嫦娥五號帶回的粉末、巖屑和光片 | 探月與航天工程中心
繼嫦娥四號之后，嫦娥五號于2020年11月24日發(fā)射，之后著陸在月球正面的北半球。歷時23天，于2020年12月17日攜帶月球樣品返回地球，標(biāo)志著中國探月工程“繞、落、回”三步走戰(zhàn)略完美收官。嫦娥五號采集了重約1731克的樣本，雖然比起阿波羅計(jì)劃的上百公斤樣本要少很多，卻是我國實(shí)現(xiàn)“月壤自主”的重要一步，就連美國航空航天局都公開要求中國共享數(shù)據(jù)。2021年7月12日，月球樣品科學(xué)研究工作正式啟動，首批發(fā)放的月球科研樣品共17.4764克，被發(fā)放給13所科研機(jī)構(gòu)。
國際合作道阻且長
回顧過去，中國在航天領(lǐng)域的國際合作并不愉快。20世紀(jì)90年代，美國開始醞釀建設(shè)國際空間站（ISS）項(xiàng)目。在1986年哥倫比亞號航天飛機(jī)發(fā)射事故發(fā)生后，美國不得不借助蘇聯(lián)的火箭將宇航員送入空間站。為彰顯國際合作意義，ISS除了與日本、英國、俄羅斯等國開展關(guān)鍵技術(shù)合作外，還邀請了南非、巴西、馬來西亞等發(fā)展中國家參與，成為19個國家和機(jī)構(gòu)共同合作的國際太空項(xiàng)目。令人遺憾的是，中國在ISS項(xiàng)目之初和2003年神舟五號成功發(fā)射后，曾多次誠懇申請加入該項(xiàng)目。美國卻一直態(tài)度傲慢。1999年美國公布《考克斯法案》，誣告中國竊取美國衛(wèi)星制造技術(shù)，此后中美航天商業(yè)發(fā)射合作全面中止。
不僅如此，自2011年以來，美國國會頒布了《沃爾夫法案》，禁止NASA或白宮科技政策辦公室使用聯(lián)邦資金“開發(fā)、設(shè)計(jì)、規(guī)劃、頒布、實(shí)施或執(zhí)行任何形式的雙邊政策、計(jì)劃、命令或合同，以任何方式與中國或任何中資公司進(jìn)行雙邊參與、合作或協(xié)調(diào)”，目的是杜絕對華技術(shù)轉(zhuǎn)移的可能性。禁令實(shí)施以來，不僅中國官員與科學(xué)家無法與美國開展交流合作，甚至在美國機(jī)構(gòu)工作的中國籍研究人員、在美國學(xué)校學(xué)習(xí)的中國籍學(xué)生都受到殃及。
中國的國際合作還遭到了美國的各種阻撓。例如，阿聯(lián)酋的拉希德二號月球車原計(jì)劃搭乘我國嫦娥七號任務(wù)的“順風(fēng)車”，對月球巖相地質(zhì)學(xué)、月面等離子體、風(fēng)化層和月塵等開展研究。美國卻根據(jù)其科技法規(guī)的技術(shù)轉(zhuǎn)讓限制，令計(jì)劃擱淺。相比之下，歐洲國家航天科技實(shí)力較強(qiáng)，受美國影響較小。但歐洲航天局也在2023年4月宣布，由于預(yù)算緊張，暫時不會考慮送航天員登陸中國空間站。
嫦娥五號月球取樣返回后，美國曾經(jīng)要求中國共享數(shù)據(jù)，不過態(tài)度還有點(diǎn)“橫”。NASA曾發(fā)布消息說，希望中國與全球科學(xué)共同體共享數(shù)據(jù)，來增強(qiáng)我們對月球的理解，正如美國阿波羅計(jì)劃所做的那樣和美國阿爾忒彌斯計(jì)劃將做的那樣。NASA局長比爾·尼爾森（Bill Nelson）也頗具“鷹派”風(fēng)格，2021年6月他曾表示支持《沃爾夫法案》永久化，直接禁止中美之間的航天合作。馬斯克對此反駁說：“健康的競爭沒有問題，但（支持沃爾夫法案永久化）有點(diǎn)過分了！”2022年5月3日，尼爾森又反過來說，他與中國進(jìn)行了交談，建議中國與國際社會分享嫦娥五號登月任務(wù)的樣本；自那以后，“他們沒有表示任何意見”。
馬斯克回應(yīng)尼爾森觀點(diǎn)
戲劇性的是，當(dāng)?shù)貢r間4月17日，在美國國會眾議院針對NASA的新財(cái)年預(yù)算申請聽證會上，當(dāng)尼爾森被問及“中國人在月球背面做什么”時，竟滑稽地回復(fù)：“月球背面永遠(yuǎn)都是黑暗的，美國人不打算去那里，不知道中國人為什么要去。”
雖然困難重重，中國航天界卻能深刻意識到國際合作對探索太空的重要性。我國通過共享資源、技術(shù)和數(shù)據(jù)，幫助各國更高效地開展月球探索活動。嫦娥四號任務(wù)中的“玉兔二號”月球車曾與德國的“月球-17”探測器合作進(jìn)行過科學(xué)實(shí)驗(yàn)。嫦娥六號搭載了法國的氡氣探測儀、歐空局的負(fù)離子探測儀、意大利的激光角反射鏡、巴基斯坦的立方星4個國家和組織的載荷和衛(wèi)星項(xiàng)目。早在“鵲橋”號發(fā)射之前，美國就曾提出合作請求，中國也表示歡迎。
其實(shí)，美國科學(xué)家在探月工程方面也曾多次向我們提出合作請求。吳偉仁提到，美國科學(xué)家在鵲橋一號發(fā)射之前就多次請求合作。他們希望能將鵲橋一號的設(shè)計(jì)壽命從3年延長到5年，還希望嫦娥四號登陸月球背面時，能夠搭載一架美國信標(biāo)機(jī)獲取具體位置等信息。[4]
下一步：載人登月和月球科研站
深空探測愈來愈成為大國空間戰(zhàn)略博弈的主戰(zhàn)場，圍繞深空科技制高點(diǎn)的競爭空前激烈。未來月球探測涉及基地建設(shè)、科學(xué)研究和資源開發(fā)等多個方面，同時也將會更加國際化和商業(yè)化。我國制定了到2030年讓中國宇航員登陸月球，并于2035年在月球南極建成月球科研站基本型的目標(biāo)。
我國載人登月初步方案為：采用兩枚運(yùn)載火箭分別將月面著陸器和載人飛船送至地月轉(zhuǎn)移軌道，飛船和著陸器在環(huán)月軌道交會對接，航天員從飛船進(jìn)入月面著陸器。其后，月面著陸器將下降著陸于月面預(yù)定區(qū)域，航天員登上月球開展科學(xué)考察與樣品采集。[6]
國際月球科研站已經(jīng)列入國際大科學(xué)工程的國家戰(zhàn)略規(guī)劃。吳偉仁院士表示，中國將實(shí)施“五五五工程”，邀請不同國家和地區(qū)共同建設(shè)和實(shí)施、共同管理這一巨型科研站設(shè)施，共享科研成果。目前已有超過10個國家與中國簽署了合作協(xié)議。
我國主持的國際月球科研站將在2045年之前建成功能完善、相當(dāng)規(guī)模、穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備設(shè)施，開展月基綜合性科學(xué)研究和深度資源開發(fā)利用，為載人登陸火星和人類奔向更遠(yuǎn)的深空做好技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究[7]。
嫦娥七號的主要目的是在月球南極找到水冰。早在30年前美國就曾做過相應(yīng)努力。1994年1月21日，美國發(fā)射了克萊門汀號探測器對月球南極進(jìn)行探測，并首次發(fā)現(xiàn)月球南極可能存在水的直接證據(jù)。1998年1月7日，美國月球勘探者環(huán)月探測器的探測數(shù)據(jù)表明，月球南北兩極可能存在凝結(jié)的水冰，不過該探測器終沒有觀測到期待的水汽云。
嫦娥八號也將飛到月球南極，和嫦娥七號一起組成月球科研站在南極的基本型，兩個探測器可以聯(lián)合或單獨(dú)工作。目前已有超過10個國家與中國簽署了合作協(xié)議，協(xié)力建好并充分利用月球科研站。下一步將以月球軌道站為樞紐，在2045年之前建成功能完善、相當(dāng)規(guī)模、穩(wěn)定運(yùn)行的設(shè)備設(shè)施，打造一個在多點(diǎn)月球科考、資源開發(fā)利用和國際合作的大平臺，為以后人類奔向更遠(yuǎn)深空，做好技術(shù)、物資和智力上的儲備。
在月球探索和科學(xué)研究過程中，許多新的科學(xué)問題將不斷涌現(xiàn)。中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心主任王赤曾在《月球科研站的關(guān)鍵科學(xué)問題》一文中指出，“月球科研站的建設(shè),不僅大大提升我國月球科學(xué)的探測能力，也為長期、持續(xù)的月球探測提供重要的工程支撐和平臺支撐,從而實(shí)現(xiàn)我國在月球科學(xué)上的突破。”[8]
國際月球科研站作為一個開放的科學(xué)平臺，將吸引全球科研機(jī)構(gòu)和科學(xué)家的參與，并產(chǎn)生大量的科學(xué)數(shù)據(jù)和研究成果。持續(xù)產(chǎn)出科學(xué)成果需要穩(wěn)定投入。在我國航空航天總體經(jīng)費(fèi)投入中，“空間科學(xué)”相關(guān)實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)占比還不到10%，美國的數(shù)據(jù)則是30%。王赤院士曾表示，希望我國“空間科學(xué)”水平到2035年可以接近歐洲水平，到2049年可以接近美國水平；也期盼2035年國家在“空間科學(xué)”的投入比例可達(dá)到15%，2049年比例可達(dá)20%。[9]
國際月球科研站還是一個實(shí)現(xiàn)變革性技術(shù)和顛覆性創(chuàng)新的重要基地?？深A(yù)期的是，國際月球科研站可以孕育出包括月球資源的可持續(xù)開發(fā)和利用在內(nèi)的眾多新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，為經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展提供新的動力和支撐。過去探月是政府主導(dǎo)，現(xiàn)在開始轉(zhuǎn)向政府來牽引商業(yè)航天。未來可能會出現(xiàn)更多私營企業(yè)參與項(xiàng)目，推動月球探索活動向商業(yè)化和可持續(xù)方向發(fā)展。
除了月球在深空探測、科學(xué)研究和資源利用上的價值，載人登月和月球基地建設(shè)的軍事與國防價值也不言而喻。月球上的活動長期以來受到聯(lián)合國簽署并于1967年10月10日生效的《外空條約》的約束。該條約指出，“月球和天體上的所有駐地、設(shè)施、設(shè)備和宇宙飛行器，應(yīng)以互惠基礎(chǔ)對其他締約國代表開放。”不過實(shí)際上國際航天活動又同時秉承著“先到先得”的原則，并在執(zhí)行中受到地緣政治的強(qiáng)烈影響。
放眼國際，新一輪載人登月任務(wù)正在拉開大幕。美國主導(dǎo)的“阿爾忒彌斯計(jì)劃”已經(jīng)在緊鑼密鼓推進(jìn)中，俄羅斯、歐空局、日本、印度也都提出了載人登月計(jì)劃。吳偉仁院士在2024年4月24日舉辦的中國航天大會主論壇上透露，中國不僅將在2030年之前實(shí)現(xiàn)載人登月，還將在行星探測、小行星防御和太陽系邊際探測上有大動作，2030年前后將發(fā)射天問三號探測器。“縱觀世界各國目前進(jìn)展，我國有望成為第一個火星采樣返回的國家。”[10]
致謝：感謝中國空間科學(xué)學(xué)會科普工作委員會、空間科學(xué)傳播專家工作室的支持。中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心劉勇、周炳紅和孫志斌研究員，中國科學(xué)院國家天文臺鄭永春研究員提供了部分修改建議。本文只代表個人觀點(diǎn)。
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