4月份,中国航天显得前所未有的忙碌:刚刚发射了神舟十八号,又迎接神舟十七号返回地球,还发布了一套月球高清地质地图集。到了5月,刚刚发射的嫦娥六号,要从月球背面“挖土”回来。
5月3日,嫦娥六号搭乘长征五号遥五运载火箭在海南文昌发射场发射升空,并进入地月转移轨道,发射任务圆满成功。由此开启了预计为期53天的全球首次月球背面取样返回之旅。这标志着由嫦娥六号、七号和八号组成的中国探月工程四期正在稳步推进。值得提及的是,此次发射比之前官方预期还要提前一年。
2020年底,嫦娥五号从月球正面采回1731克月壤。作为嫦娥五号的备份,嫦娥六号被赋予了新的使命:除开展月表勘测外,还要前往月球背面南极-艾特肯盆地的阿波罗环形山地区进行样品采集,争取实现2千克的目标。迄今为止,人类已进行10次月球采样返回,但这些采样均位于月球正面。
嫦娥六号为什么非要去月球背面呢?
嫦娥六号副总设计师王琼指出,比起月球正面,背面基本是古老的月壳和高地,坑洞更多,可能隐藏着月球形成和演化的秘密,因此更具科研价值。计划着陆的南极-艾特肯盆地是月球背面一处直径约2400公里的撞击坑,是月球上最古老、最大的撞击坑,也是太阳系中已知最大的撞击坑之一。嫦娥六号将进行形貌探测和地质背景勘察等工作,在该坑内获取月球南极不同年龄、不同地域的样品。
科学家们将通过研究月背样品来了解和分析月表浅层结构、矿物组分、月面形貌等,有望在太阳系早期撞击历史、火山活动和月球地质演化等重大科学议题上取得突破,进一步拓展人类对月球乃至太阳系的认知。
嫦娥六号将如何从月球背面“挖土”呢?此次会沿用嫦娥五号的“钻取”和“表取”两种方式,获得不同深度的样品。“表取”是通过机械臂和机械爪的配合,从月球表面抓取一部分月壤;“钻取”是通过特殊的钻头钻到月表以下两米左右的位置,把月壤整体取出来,然后将其密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将样品送回地球。
此次任务涉及多项技术挑战,是我国航天领域迄今为止复杂程度最高、技术跨度最大的航天系统工程。研究团队实现了一系列关键技术突破,包括月球逆行轨道设计与控制、着陆器的精准软着陆、月球样本采集、月背上空精准悬停降落、月背智能采样和月背起飞上升,以及返回舱的发射与返回等等。探测器在月球背面无法和地面测控站直接进行通信,需要中继星提供中继通信支持。2024年3月20日,我国发射鹊桥二号中继星解决了这一问题。
除了月球背面“挖土”,国际合作也是嫦娥六号的一大亮点,彰显中国作为航天大国的自信和开放包容的心态。2019年中国国家航天局发布了国际合作机遇公告,计划拿出20千克用于搭载国际科学载荷。最终确定了来自巴基斯坦的ICUBE-Q立方星、法国的氡气探测仪、欧空局/瑞典的负离子分析仪和意大利的激光角反射器。其中,巴基斯坦立方星搭载在嫦娥六号轨道器上,其余载荷均搭载在着陆器上。
迄今为止,人类一共进行了100多次月球探测。1959年1月2日,苏联发射了月球1号探测器,美苏两个超级大国之间的竞争引发第一轮探月高潮。中国虽然错失了全球第一次探月浪潮,但通过人造卫星、载人航天工程实践,顺利赶上了第二次探月高潮。
2004年,中国航天人等来了机会,探月一期工程——绕月探测工程正式立项。自此,中国探月工程(又称“嫦娥工程”)正式启动,分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。20年来,中国探月人白手起家、攻坚克难,我国探月工程八战八捷,为人类对月球和太阳系的认识提供了重要的数据和支持。
嫦娥四号是一个里程碑式的节点——这是人类航天器首次在月球背面软着陆,真正实现了世界领跑。嫦娥五号于2020年11月24日发射,之后着陆在月球正面的北半球。历时23天,于2020年12月17日携带月球样品返回地球,标志着中国探月工程“绕、落、回”三步走战略完美收官。
国际合作道阻且长。回顾过去,中国在航天领域的国际合作并不愉快。20世纪90年代,美国开始酝酿建设国际空间站(ISS)项目。
在1986年哥伦比亚号航天飞机发射事故发生后,美国不得不借助苏联的火箭将宇航员送入空间站。ISS除了与日本、英国、俄罗斯等国开展关键技术合作外,还邀请了南非、巴西、马来西亚等发展中国家参与,成为19个国家和机构共同合作的国际太空项目。令人遗憾的是,中国在ISS项目之初和2003年神舟五号成功发射后,曾多次诚恳申请加入该项目。美国却一直态度傲慢。
未来,月球探测涉及基地建设、科学研究和资源开发等多个方面,同时也将会更加国际化和商业化。我国制定了到2030年让中国宇航员登陆月球,并于2035年在月球南极建成月球科研站基本型的目标。我国载人登月初步方案为:采用两枚运载火箭分别将月面着陆器和载人飞船送至地月转移轨道,飞船和着陆器在环月轨道交会对接,航天员从飞船进入月面着陆器。
其后,月面着陆器将下降着陆于月面预定区域,航天员登上月球开展科学考察与样品采集。
国际月球科研站已经列入国际大科学工程的国家战略规划。吴伟仁院士表示,中国将实施“五五五工程”,邀请不同国家和地区共同建设和实施、共同管理这一巨型科研站设施,共享科研成果。目前已有超过10个国家与中国签署了合作协议。
嫦娥七号的主要目的是在月球南极找到水冰。嫦娥八号也将飞到月球南极,和嫦娥七号一起组成月球科研站在南极的基本型,两个探测器可以联合或单独工作。目前已有超过10个国家与中国签署了合作协议,协力建好并充分利用月球科研站。
在月球探索和科学研究过程中,许多新的科学问题将不断涌现。中国科学院院士、中国科学院国家空间科学中心主任王赤曾在《月球科研站的关键科学问题》一文中指出,“月球科研站的建设,不仅大大提升我国月球科学的探测能力,也为长期、持续的月球探测提供最重要的工程支撑和平台支撑,从而实现我国在月球科学上的突破。”
国际月球科研站还是一个实现变革性技术和颠覆性创新的重要基地。可预期的是,国际月球科研站可以孕育出包括月球资源的可持续开发和利用在内的众多新技术和产业,为经济社会的可持续发展提供新的动力和支撑。过去探月是政府主导,现在开始转向政府来牵引商业航天。未来可能会出现更多私营企业参与项目,推动月球探索活动向商业化和可持续方向发展。