从“嫦娥三号”的落月,
“嫦娥四号”月球背面的着陆，
以及“嫦娥五号”把东西带回地球，
我们一步一步地
把月球探测引向了一个人类从未深入的领域。
舒嵘 · 中国科学院上海技术物理研究所副所长、研究员
格致论道第63期 | 2020年11月29日 北京
最近，大家应该都看到网上关于“嫦娥五号”的故事，我们最主要的目的是要到月球上去采“土特产”回来。那么，在没有采回之前，我们的科学家如何来研究深空的发展史？ 陨石就是一个很好的手段。
▲右：疑似火星细菌化石
陨石是穿过大气层后，没有完全破碎的一种石头，它带来了很多深空的宇宙的要素或密码。火星上有没有生命，一直是科学界大家比较争论的话题，大家非常有兴趣去寻找地外生命。
在这块陨石里面，我发现了一种疑似细菌的化石，引起了我们很多遐思。
从地球寻石到太空采样
地球上的陨石其实是很多的。以月球陨石为例，它在地球上大概要达到几百公斤的量级。
但是，人类最想的还是直接到月球上采集陨石，比如美国的“阿波罗计划”，以及前苏联的“月球号”带回的样品。
▲左：阿波罗月岩
中：斜长岩质月球陨石 （ALH 81005）
右：Yamato 791197/793274/793169
实际上，从月球上带回的陨石样品还是有限的。中国第一次去月球，带回了两公斤左右。从上个世纪六十年代的“阿波罗计划”，一直到最近，像美国和前苏联，都开展了一系列的探月活动。
中国从2000年以后也进入了月球。在“嫦娥一号”、“嫦娥三号”成功发射的时候，我自己也觉得登月是挺容易的一件事。但是在2019年，以色列和印度都在落月的最后的一个关头失败了，我觉得这件事情其实不是那么容易的。
我们国家的探月工程，围绕着绕、落、回三部曲。
“嫦娥一号”实际上是要到达月球上的。我记得，当时“嫦娥一号”在进入绕月轨道的时候，栾恩杰主任满怀热情地说，“我们绕起来了，绕起来了！”中国人能够到月球轨道拍回一张照片，实际上已经是最大的成功了。
后来，我们通过“嫦娥”二号、三号、四号这三颗卫星，实现了对月球着陆区的详细勘探。从“嫦娥三号”的落月，“嫦娥四号”月球背面的着陆，以及“嫦娥五号”把东西带回地球，我们一步一步地把月球探测引向了一个人类从未深入的领域。
“嫦娥四号”是人类历史上第一次在月球背面进行软着陆，在国际上，国际宇航联合会、英国航空协会以及日本，纷纷给予了最高的奖项。
到月球背面进行软着陆和现场勘探是人类第一次，所以说，科学探索的精神就在于做从来没有人干过的事情。那么到月球的背面去，我们要用哪些手段？
▲嫦娥四号巡视器“玉兔二号”上的红外成像光谱仪
我们带了一个红外成像光谱仪，就在月球车红旗的下方。成像光谱看似深奥，但生活中的彩色照相机就是一个RGB的多光谱相机，如果把光谱波段用棱镜分光的方法，可以分得更精细，得到一个连续的谱。
教科书，大家都比较熟悉。如果书里的每一页纸都是同一个景象，但是每一页代表不同的波长，实际上这就是一个成像光谱仪可以提供的数据。我们可以看到几何特征，同时还能看到每一个点的光谱特征，就可以知道它是什么样子，还能知道它属于哪一类。
在“玉兔二号”上的光谱仪，带有短波红外的成像功能，波段到短波红外。
我们在月球的第二个昼夜，开机确认了月壤的一种成分，这也成了深度撞击坑的一个支撑证据。
在第三个月昼，我们探测到了一块非常有趣的白色石头。我们科学家对这块石头非常感兴趣，为它进行了多次的光谱采样。通过对它光谱的特征采集和遥感数据的比对，我们觉得这块石头是右边两块撞击坑的溅射物，在历史上的一次冲击中被撞到这个地方。实际上，它也间接证明了这块石头的来源。
“嫦娥四号”在月球上做了这么多次勘探以后，大家对样品的取回非常感兴趣。从2020年11月24日凌晨在文昌卫星发射中心发射，到2020年12月17日，我们的返回器携带着月球的“土特产”在四子王旗着陆场降落。
这个过程是非常艰辛的。因为“嫦娥五号”等待发射的时刻已经有整整五年。我们在2015年底就已经完成了“嫦娥五号”载荷的各项研制工作，由于“胖五”（“长征五号”）前两次的失利，发射的时间一推再推。
在延迟的过程中，我们非常担心的是，有的设备存储时间长了会不会仪器失效？寿命会不会有影响？在这个过程中，科研人员继续围绕着寿命、故障预案日以继夜地做了大量的工作。
“嫦娥五号”发射非常顺利，背后有科研人员非常艰辛的付出。航天事业是非常具有风险和挑战的，所以任何一个大的动作都要做成熟性的验证。
以“嫦娥五号”入轨的整个过程来看，在地球起飞到月球绕月的过程，通过了“嫦娥一号”和“嫦娥二号”的验证。
从月球返回地球轨道目前是非常成熟的。我们在前几年（2014年）做了一次“嫦娥五号”5T的任务，验证了重返地球大气层把样品取回的过程。
所以，这次“嫦娥五号”最大的看点，就是月面的起飞和月面在轨的对接。“嫦娥三号”和“嫦娥四号”，已经把落月的过程进行了丰富的验证，“嫦娥五号”应该是中国航天史上系统最复杂、难度最大的一次。
为什么呢？因为探测器的复杂性非常高，是由上升器、着陆器、返回器和轨道器这“四器”组成，像变形金刚一样的组合体。探测器与火箭分离后，完成地月转移、近月制动，进入环月轨道。在环月轨道，着陆器-上升器组合体（“着上组合体”）与轨道器-返回器组合体（“轨返组合体”）分离。
图片说明了分离的过程。分离后，轨返组合体在轨道上进行绕轨运行，等待着着上组合体的返回，与上升器进行对接，然后带着上升器回到地球轨道。
在地外行星的降落风险是非常大的。据不完全统计，深空探测器落到行星上的成功概率是50%。
这是降落相机拍到的落月，我们在15公里的高度进行了正式降落，在2.5公里处进行了转向，垂直对准月面。在100米进入悬停段，然后有一个平移的过程，再进行下降。
所以，动作是非常连贯的，但是在最后的800秒中风险是非常大的，地面控制是没有办法干预的，完全是靠在轨的设备自动进行控制的。
落月过程中，除了发动机以外，最核心的是要知道离月球有多远。所以激光测距敏感器起到了“眼睛”的作用，它像一把标尺，时刻告诉计算机我们的着陆器离月球表面的距离。
右图显示了整个落月的飘浮过程，整个弹道是先下降，然后上升，实际上是为了能更好的垂直向下而进行的轨道设计。
在2.5公里处，激光测速敏感器就开机了，进行速度测量。因为“嫦娥五号”非常重，只有速度测得越准，着陆器降落才能越准、越稳，为后续起飞也能创造非常好的条件。
▲右：着陆区域地形三维成像
激光测速敏感器采用相干多普勒的测量方法，目前也是国际上第一次在地外天体采用该方法实现速度的测量，精度达到了0.1米/秒。
前面说过，印度在落月的过程中，在最后一刻失败了。为什么会失败呢？里面有很多原因。
其中有一点，因为他们在上面也搭载了激光测速敏感器，但是在落月之前，在地面测试的时候，敏感器的性能不太好，所以它在落月的过程中没有使用，在最后一刻砸向了月球，所以速度的控制是一件非常重要的事。
有了这两样法宝后，到了100米的高度，我们能够精准又平稳地落到月球的近月面。最后降落器是用四条腿支撑的方式进行降落。
在火星上面，美国人用了几种新的方法，比如用气囊的弹跳式，还有像直升飞机一样悬挂到火星表面，然后用根绳子把火星车放下来。但是在月球上面，这么重的一个设备，我们用的是四条腿，那么对月表平整度的要求就非常高。
激光三维慧眼是怎样炼成的？
已完成：40% //////////
如何来解决这么一个实时性的问题？我们需要在1秒钟拍完数据，然后在10秒之内进行判断。7500牛的发动机要维持10秒的月球引力，然后再缓慢下降。所以，我们是用了中国的方案解决中国的问题。
因为我们计算机的速度不如美国那么好，姿态测量精度也不如美国的传感器那么高。所以我们要用这个传感器解决月球表面的三维地形测量。
测量精度要达到什么要求呢？要在100米的高度，对一个50米×50米的区域，达到把0.2米的坑和石头区别出来的程度。另外，还要寻找坡度要小于8度的安全着陆区。
在这样的约束下，我们采用了一种新的方法。平台在7500牛的发动机推动下会晃动，如果用一个波束去扫这个面的话，时间会非常长，这个平面也会不平整。
但是如果用16个激光点，相当于用16把扫帚同时去扫一个房间的话，效率会提高16倍，相当于把照相机按快门的速度提高了16倍，就能一下子进行精准的成像。
这就是我们的法宝。当时做这个项目的时候非常早，现在在车载激光雷达里面见的是比较多的。现在在无人驾驶车里面，也用多波数激光雷达来实现障碍物的选择和避让。但是在十年前，我们在做这个项目的时候，这个概念还是最新的。
但是16个激光点，它的距离信息有很大差异，如何来演练非常的难。首先我们要在模型上面建立算法，模型要精准，还要进行简化，才能变成一个内嵌入式的DSP进行计算。
第二点，16个波束是不一致的，那么怎么来检校这16个波束？我们在上海同济大学建了八块这样的板。在这个图的后方，这八块板每块是2米×8米，模拟了不同的距离。
这个距离是80-120米的宽度，坡度实现了正负10度这么一个范围，这也是模拟降月过程中的悬停高度。我们标称高度是100米，80-100米都能够适应。
它的反射率是不一样的，颜色也是不一样的，表面反射率从6%-20%都能够适应，所以对这几块板要求是非常高的。另外，这几块板还要非常平，因为我们是拿它做基准的。这几块板一定要达到厘米级，小于一公分的平整度，实际上我们做到了毫米量级。
在靠近咱们的这个地方是一个经纬仪。我们要用这个经纬仪，建立一个标准的目标靶的靶场，然后再用我们的激光三维成像敏感器，也拍一个一样的数据，两个解算出一组方程。
这个是在仪器做好了以后，为测试避障能力做了一些模拟的月坑。把我们的敏感器用吊车吊起来，实时拍下照片，然后进行数据的检校。
左边在检校之前，条带明显，只能识别出6个坑。但是，我们检校以后，能够识别出67个障碍物，真实度达到了百分百。
这个设备在北京还模拟了月球低重力情况下的100米塔吊的实验，7500牛发动机也进行了实时的工作。有一个比较有趣的现象就是，当风吹的时候，我们的羽流会影响激光数据，但由于真空下羽流扩散的时间非常长，所以数据是非常好的。
“嫦娥五号”落到了月球，其实在之前实验中的激光测距、测速加三维成像模拟了降落，那天在落月的过程中也做到了这一步。
样品取回的考验
已完成：80% //////////
我们的各位总师觉得这件事已经做了第三次了，成功是应该的，不成功是不应该的，真正的考验就开始了。
首先第一个是采样，因为这次最主要的任务就是要带样品返回地球。在采样的过程中，首先干的第一件事就是“钻取”，预计是两米的深度。在钻取之前，有一个探地雷达进行了实时的地形勘探。
我们发现在探地雷达里面，在一米的区域底下有石头，有不同的反射率差异，所以这一次的钻取深度在0.9米就停了。前面钻得非常快，在0.9米处停下来以后，我们就进行了样品的取回。
样品取回风险还是比较大的，美国在火星上进行取样也有风险，我们样品取回的时候，在前两次也不是特别成功。第三次是成功把样品从钻头里取到了容器里，做完钻取以后，就要进行铲取。
进行铲取的话，肯定想挑最有价值的带回地球，这时月球矿物光谱分析就发挥了作用。我们在“嫦娥四号”里面，用光谱仪去鉴别了月壤的类型。
我们在铲取的一个面上，装了一台短波-中波红外的月球矿物光谱分析仪，波长能覆盖到三微米，波段的延伸是想看看着陆区有没有可能有水，目前应该是没有看到这个信号。
落到月球上以后，首先要知道到底采哪一块石头是有意义的，我们用环视相机、全景相机进行了着陆区的环拍。
这张图就是表取采样前，全景相机环拍的图像，非常清晰。
然后地面的科研人员把根据图像迅速做成了左图，扇形区是铲子能够到的地方。中间的梯形区是成像光谱议拍到的地方，如右图所示。最后选择了四个点，我们在四个点一共铲了11下，把样品装到了容器里面。
光谱仪在铲之前、铲的过程中和铲之后都进行了光谱的测量。由于样品采样点是有限的，所以光谱议把现场的很多数据都进行了采集。
“嫦娥五号”落月着陆点的选择，科学家还是花了很大功夫的。
因为美国跟苏联已经去过很多次月球了，我们选择了一个偏远的地方，也远离我们“嫦娥四号”和美苏的落点。
“嫦娥五号”带回的样品年龄是比较年轻的，正好是这条曲线的中间部分，填补了全世界月球样品年龄段的空白区。这对于月海火山岩浆喷发的方式和历史的研究具有很好的意义。
刚才说，“嫦娥五号”的难点就在于起飞，这也是第一次干，我觉得起飞里最核心的就是降落。因为降的地方一定要平，这次降落是用三维成像找的区域，平坦区域小于两度，对起飞创造了一个非常良好的条件。
起飞以后，轨跟轨道器进行对接，交汇对接在地球轨道也做过很多次。我们的载人航天飞船做过交汇对接，这是我们第一次在月球轨道做交汇对接，里面的手段也跟在地球轨道大致相当。
但是大家看到右边，我们要把样品从上升器移到返回器里面，运动部件是非常难的。在地面做一个动作是非常容易，在太空里面做一个机械动作非常难。
为什么“嫦娥三号”月球车跑了一个月昼，最后醒来以后它就动不了？那就是运动机构出了问题，所以搞航天的都知道运动机构风险巨大，复杂的转移机构的过程也非常的重要。
▲左：隼鸟二号返回舱
右：隼鸟二号小行星采样一触即走
在轨对接的那一天，日本也发布了一个新闻，它的“隼鸟2号”已经到达了地球。“隼鸟2号”去小行星采样比我们月球厉害还是差呢？
我想只谈一点，我们降落月球要用到7500牛的发动机，发动机的推力要非常大。日本早期一直说要到达月球，但是日本由于发动机水平没有达到这个高度，所以只能去做小行星的探测。
小行星探测在动力方面肯定是不如我们“嫦娥五号”的。另外我们“嫦娥五号”有一个敏感器，覆盖了小行星探测的一些需求。
2020年12月19日早上，月壤已经从航天研制单位转到了我们科学家团队，重量是1731克。“隼鸟2号”花了这么大的代价，取回来都是毫克量级，所以我们这一次取得的样品数量是非常好的，中国人也实现了早期提的“探月三步走”的承诺，我们在2020年前实现样品返回。
月岩取回来以后，有很多科学家对此的研究成果，也可以进行大众科普。
▲左：目前存放在北京天文馆
右：仅靠0.5g左右月岩取得一批科研成果
另外，也可以开展很多国际合作，欧阳自远院士就拿0.5克月岩得到了一批科研成果。
▲美国“阿耳忒弥斯”登月计划有望实现“第一个女性宇航员登月”
美国看到中国“嫦娥五号”的成功，其实在咱们落月的过程中，美国就宣布要重返月球。所以在未来的十年，月球是非常热闹的。
我们国家在未来十年，将在“嫦娥”登月、建立国际合作科考站以及在火星和小行星探测中开展一系列的科研工作。
最后，登月成功了，我想我们还在“奔火”的过程中，希望在2021年的春节能够到达火星。我们要有“追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢”的探月精神，实现我们国家迈向深空宇宙的脚步。
谢谢大家！
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