去月球挖土有多难？从50年前的苏联月球采样活动说起......

　　来源：科技导报
　　撰文：李成智（北京航空航天大学教授）
　　2020年11月24日凌晨4时30分，在海南省文昌卫星发射中心，“长征五号”运载火箭搭载“嫦娥五号”发射升空，火箭飞行约2200秒后，探测器顺利进入预定轨道，开启登月之旅。
　　在此次任务中，嫦娥五号将完成“绕、落、回”三步走的无人月球探测规划的最后一步——采集约2kg月球岩石、土壤样本并返回地球。
　　而人类上一次在月球取样，则要追溯到上世纪70年代。44年前苏联的发射月球24号，是最后一个送回月球表面样本的探测器。
　　这场起源于美苏争霸的“太空竞赛”中，苏联的月球采样技术有何特点？取得了哪些成果呢？
　　20世纪50年代末至70年代初，苏联和美国展开了一场旷日持久的“太空竞赛”，竞赛的内容涉及航天领域的各个方面，包括发射人造卫星、发射月球及行星探测器以及开展载人航天活动。
　　“太空竞赛”客观上推动了航天技术向纵深方向发展。其中，探月是两国竞赛的一个重要领域。
　　20世纪50年代末期
　　月球探测尝试阶段
　　最早尝试月球探测的是美国空军
　　1958年8月到12日，美国共发射了四个先驱者号探测器。
　　第一个探测器在发射到16千米高时，运载火箭发生爆炸，探测器也粉身碎骨。尝试遭到彻底失败。
　　后来发射的另外3个探测器都达到了相当的高度，例如10月11日发射的先驱者2号，已经达到距地球近11万4千公里的高度。

先驱者2号月球探测器

　　但由于运载火箭的能力不足，未能将探测器加速到第二宇宙速度，因此最终这几个探测器都落回了地面。
　　苏联的月球探测尝试比美国成功得多
　　1959年1月2日，苏联发射了月球1号探测器，取得了很大成功。它到达了离月球只有5000千米的地方。
　　这个直径1米的球形探测器测量了月球和地球的磁场、宇宙线的强度、太阳辐射、以及星际分子等数据。
　　9月26日，月球1号探测器进入日心轨道，成为第一颗人造行星。

月球1号探测器

　　9月26日，苏联发射的月球2号探测器取得了极大的成功。它是第一个击中月球的人造物体，在撞到月面之前，向地球发回了有关月球磁场和辐射带的重要资料。
　　1959年10月4日发射的月球3号探测器则第一次观察到月球神秘的背面，并拍摄到月球背面约70%的面积。

月球3号探测器

　　虽然由于探测器的性能不理想而使得到的资料质量不高，但它毕竟第一次看到了月球的背面，其意义是十分重大的。这再一次大大提高了苏联航天技术的声望。

月球3号拍摄的月球背面照片

　　美国开始时运气一直不佳
　　1959年至1960年间，美国相继发射了4个先进的先驱者号探测器。
　　它们装有太阳能作动力的桨轮，配备了肼燃料小型火箭发动机，用以制动以便进入月球轨道。这些探测器采用推力更大的宇宙神/阿贝尔运载火箭。
　　但这种火箭表现欠佳，不是在试验车时发生爆炸，就是在发射过程中出现各种故障，把这几个造价昂贵的月球探测器全给报销了。
　　20世纪60年代初期
　　实现探测器在月球表面软着陆
　　20世纪60年代初，苏美太空竞赛的一个重要项目是实现探测器在月球表面软着陆。
　　1961年到1962年，美国发射了5颗新的徘徊者号探测器
　　这种探测器是美国进行空间探测器标准性设计的初步尝试。
　　5颗徘徊者号探测器只有徘徊者4号击中月球，没有发回任何有用的数据。其它的都因火箭问题而失败。有一次是速度过大而错过了进入月球的机会。
　　经过大量的改进，并进一步提高可靠性之后，1964年1月30日发射的徘徊者6号在开始阶段取得了很大成功。
　　它成功地击中月球并且在落月前一直工作正常，但后来没有发回一张图片。
　　事后分析表明，由于在发射过程中，它曾受到电弧的影响，损坏了电视摄像装置，所以它虽然落在了月球上，却不能对月球表面进行拍摄。
　　美国发射的徘徊者系列探测器中，徘徊者7号表现出色。它于1964年7月28日发射。
　　这个探测器几乎进行了重新设计，每个零部件都进行了改进和可靠性审查。
　　它不但成功地到达了月球表面，而且在击中月球之前，发回了4300张精细清晰的月面电视照片，它在离月面1600米处拍摄的最后一张照片的分辨率高达0.4米。

徘徊者7号及拍摄的月面照片

　　尔后，美国又发射了徘徊者8号和9号探测器，也取得了高度成功，拍摄的照片为登月选择预定点作出了出色贡献。
　　在月面上软着陆也是苏美竞赛的重要内容
　　从1963年开始，苏联尝试发射了10个探测器，都没有获得成功。
　　1966年1月31日，苏联发射的月球9号终于首次在月面上实现软着陆。

月球9号探测器

　　它的着陆方式很独特：在火箭充分降低飞行速度后，月球9号开始登陆。当撞杆触地时，仪器舱即分离开。为了保证它呈预定的姿态，以便摄像机等正常工作，它的底部很重，在滚动的过程中，这个仪器舱类似于一个不倒翁，可以使之呈直立姿态。

月球9号着陆器

　　在4天的工作寿命期间，月球9号探测器发回大量关于月球的资料，包括着陆周围的全景图。

月球9号拍摄的月面照片

　　1966年3月31日发射的月球10号成为第一个人造月球卫星。它重1600千克，运行在350×1017公里的轨道上，对月球及周围环境进行了长时间的观测，获得了大量宝贵的科学资料。
　　这两个探测器为苏联的再一次领先立下了功劳。
　　20世纪60年代后期
　　开始研制自动月球采样飞行器
　　20世纪60年代美国宇航局最主要的任务的实施阿波罗登月计划。
　　苏联也曾经实施过登月计划，但由于登月火箭N-1研制过程中遇到重重困难，难以赶上美国的步伐。因此，苏联计划研制自动月球采样飞行器，希望赶在美国阿波罗11号登月前自动取回月球样品。
　　为此，苏联在月球系列探测器中，研制了第三代月球探测器。由于探测器质量较大，因此采用大型运载火箭质子-K号发射。

质子-K运载火箭

　　苏联发射卫星等航天器都有一个命名规则：航天发射成功后才有一个正式命名。
　　我们看到月球探测器1号、2号、3号以及9号等，实际上都是发射后才得到这些名称的。如果发射失败，一般就不正式命名了，而是以代号来称呼或编入宇宙系列航天器之中。这一策略使人们感觉苏联发射航天器的成功率很高。
　　质子号火箭是20世纪60年代中期研制的大型运载火箭，曾广泛用于空间站、大型月球探测器及火箭探测器的发射。
　　由于研制初期问题很多，因此发射的月球采样探测器曾遭遇一系列失败。
　　20世纪70年代
　　你追我赶的月球采样计划
　　1969年6月，由于美国正大张旗鼓地准备实施阿波罗11号登月任务，苏联为抢在美国之前先行取得月球土壤样品，于1969年6月14日发射了第一颗自动月球采样飞行器，内部编号E-8-5No.402。由于火箭上面级发动机未能点火，探测器未能离开地球。
　　1969年7月13日，苏联再次发射月球采样飞行器——月球15号，同样遭到失败。探测器虽然到达了月球附近，但在下降月球过程中发生故障，直接撞上月面，采样任务再次失败。

月球15号探测器

　　1969年9月23日，苏联发射宇宙300，也是一颗月球采样探测器。同样由于运载火箭上面级问题，该探测器只进入了低地球轨道，未能飞向月球。
　　1969年10月22日，苏联发射宇宙305探测器，也只是进入了低地球轨道。
　　1970年2月6日，苏联第五次发射月球采样探测器（内部编号E-8-5No.405），还是由于火箭发射故障，探测器连地球轨道都未能进入。
　　直到1970年9月12日，苏联第六次尝试发射采样探测器，才首次取得成功，月球16号终于到达月球并取回101克月球土壤样品。

月球16号采样探测器

　　此时，美国已经两次登月成功，取回的月球岩石和土壤样品56千克，远远超过苏联月球16号取回的样品。
　　月球16号取得的成就仍然值得称赞，它是人类首个在月球上自动采样并返回地球的探测器。
　　整个探测器高约4米，底部直径约4米，发射质量约5800千克。探测器由下降级与上升级组成。
　　下降级重1880千克，位于探测器下部，负责采集月球样品、与地球进行无线电联络、提供电能，同时也可作为上升级的发射平台。
　　下降级的最下方是制动发动机，负责减速和着陆；游标发动机负责飞行过程中修正轨道；4个对称分布的圆柱形推进剂贮箱为发动机提供燃料；无线电高度表用于测试水平速度、垂直速度及辐射；月球样品采集装置中装有钻臂与空心钻管，钻管内装有探测器，可以感知月岩或月壤的阻力以确定钻速，并且可以自动避开月球岩石。
　　其他分系统还有导航与控制系统、温度控制系统、无线电接收与发射系统、化学电池和4个可伸缩的缓冲着陆支架等。
　　上升级位于探测器上部，负责把装有月球样品的返回舱送回地球。
　　上升级包括提供动力的发动机喷管、3个球形推进剂贮箱、装有导航设备和化学电池的柱形仪器舱，以及位于仪器舱上方的球形返回舱。
　　球形返回舱直径约50厘米，质量为36千克，其下部是电池和信号发射装置，中部是装有钻管和月壤的样品舱，顶部为降落伞和下降天线。
　　返回舱外表面有热防护层，防护层的外层是石棉酚醛塑料，内层是玻璃纤维蜂窝填料，正面部分最厚达35毫米，背面只有几毫米。
　　回收舱用金属紧固带与仪器舱顶部连接，它在再入大气层前根据地面的指令与火箭分离。
　　月球16号到达月球轨道后，整个探测器全面下降到月面上。
　　由于探测器很重，利用火箭发动机反推减速下降需要消耗大量推进剂，上升级返回地球时也需要消耗很多推进剂，因此它能够采样并带回地月球土壤样品很少。
　　月球16号软着陆和采样返回过程如下：
　　①发射进入地球轨道：
　　月球16号于1970年9月12日由质子-K号火箭发射升空，首先进入远地点241千米、近地点185千米、倾角51.5°的近地轨道。
　　②地月转移飞行：
　　月球16号进入地球轨道70分钟后，开始向月球方向加速并达到第二宇宙速度。惯性飞行1天后，探测器主发动机点火6.4秒，完成常规航向校正。
　　③进入月球轨道：
　　9月17日，月球16号启动推进系统，进入高110千米、倾角70°的初始月球圆轨道。
　　9月18日和19日，探测器进行了2次轨道机动：首先，月球16号转移到远月点110千米、近月点15千米的椭圆轨道；然后，将探测器轨道调整到倾角61°、远月点106千米的月球环绕轨道。
　　④月球软着陆：
　　月球16号在9月20日接近近月点，制动发动机启动6分钟后关闭，下降级在高度2米时，以每秒2.4米的速度在月面实现软着陆，着陆点位于月球南纬0°41‘、东经56°18’的富海东北部区域。
　　⑤月面采样操作：
　　月球16着陆后约1小时，自动钻孔机开始钻入月球表面提取月壤样品，样品质量为101克。7分钟后，钻孔机在距月表35厘米处停止。接着，仪器被收回，样品被封装于返回舱内。

月球16号采样示意图

　　⑥月面起飞：
　　在月面停留26小时25分后，9月21日07：43，月球16号上升级以下降级为平台从月面起飞，开始为期3天的返回地球的旅程。
　　⑦返回地球并降落：
　　9月24日05：25，月球16号采样探测器返回舱在哈萨克斯坦杰兹卡兹甘东南80千米处打开降落伞，08：25返回舱安全着陆。

月球16号返回舱示意图

　　月球16号自动采样取得成功，引起世界广泛关注。采集的样品也成为收藏者竞相收藏的宝贝。1993年，月球16号采集的大约0.2克的月球样品在苏富比拍卖行拍出44.24万美元的高价值。
　　1971年到1976年，苏联又发射了5颗月球号采样探测器执行月球自动采样任务，但只有2次取得成功。
　　1972年2月14日发射的月球20号探测器于2月21日成功地在月球福海地球软着陆成功，降落地点是月球北纬4°、东经56°30’，距离月球16号着陆点160千米。
　　此次任务共采集月球样品55克，主要是月球岩石颗粒。返回舱于2月25日成功返回地球并回收。落点位于哈萨克斯坦。
　　1976年8月9日，苏联发射月球24号成功完成了自动采样任务，它降落在此前未曾涉足的月球危海区域，降落点为北纬12°15’、东经62°12’。

月球24号模型

　　月球24号与月球16号和20号不同，它采集的是月球表面深度为2米的样品，共计170克。

月球24号采样探测器

　　1976年8月22日，月球24的返回舱与上升级分离，进入地球大气层。

月球24号上升级月球起飞示意图

　　在距地面15千米处，打开降落伞，伸展天线，返回舱降落在新西伯利亚苏尔古特城东南200千米处。

月球24号返回舱再入大气层

　　总计苏联共发射了11颗月球自动采样探测器，只有3颗取得了成功，共采集月球土壤样品326克。

月球24号返回舱

　　8次失败中有5次是因为运载火箭故障，有2次是因为探测器故障未能实现在月面软着陆，有1次是探测器（月球23号）到达月面后倾覆，无法执行采样任务。

月球24号取回的月壤样品

　　月球16号等3个自动采样探测器取得的成功，是苏联深空探测活动的重要里程碑事件。
　　尽管取得的成就无法与美国的阿波罗载人登月计划相比，但该计划证明苏联完全具备了无人自动月球采样的技术能力。
　　无人月球采样可以少花钱，办大事，而且不会危及人的安全。从这个意义上讲，苏联的自动月球采样计划是成功的，为人类深入开展月球科学研究提供了新的方案。

月球24号取回的月壤样品

　　参考文献
　　[1] 计都。苏联无人采样返回任务取得巨大成就。国际太空，2011（1）：20-22
　　[2] 顾诵芬，史超礼，李成智等。世界航天发展史。郑州：河南科学技术出版社，2000。
　　[3] 吴伟仁主编。奔向月球。北京：中国宇航出版社，2007。
　　[4] 刘林宗等编著。探月的故事。北京：中国宇航出版社，2008。

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