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　　來源：科技導報

　　撰文：李成智（北京航空航天大學教授）

　　2020年11月24日凌晨4時30分，在海南省文昌衛星發射中心，「長征五號」運載火箭搭載「嫦娥五號」發射升空，火箭飛行約2200秒后，探測器順利進入預定軌道，開啟登月之旅。

　　在此次任務中，嫦娥五號將完成「繞、落、回」三步走的無人月球探測規劃的最後一步——採集約2kg月球岩石、土壤樣本並返回地球。

　　而人類上一次在月球取樣，則要追溯到上世紀70年代。44年前蘇聯的發射月球24號，是最後一個送回月球表面樣本的探測器。

　　這場起源於美蘇爭霸的「太空競賽」中，蘇聯的月球採樣技術有何特點？取得了哪些成果呢？

　　20世紀50年代末至70年代初，蘇聯和美國展開了一場曠日持久的「太空競賽」，競賽的內容涉及航天領域的各個方面，包括髮射人造衛星、發射月球及行星探測器以及開展載人航天活動。

　　「太空競賽」客觀上推動了航天技術向縱深方向發展。其中，探月是兩國競賽的一個重要領域。

　　20世紀50年代末期

　　月球探測嘗試階段

　　最早嘗試月球探測的是美國空軍

　　1958年8月到12日，美國共發射了四個先驅者號探測器。

　　第一個探測器在發射到16千米高時，運載火箭發生爆炸，探測器也粉身碎骨。嘗試遭到徹底失敗。

　　後來發射的另外3個探測器都達到了相當的高度，例如10月11日發射的先驅者2號，已經達到距地球近11萬4千公里的高度。

　　但由於運載火箭的能力不足，未能將探測器加速到第二宇宙速度，因此最終這幾個探測器都落回了地面。

　　蘇聯的月球探測嘗試比美國成功得多

　　1959年1月2日，蘇聯發射了月球1號探測器，取得了很大成功。它到達了離月球只有5000千米的地方。

　　這個直徑1米的球形探測器測量了月球和地球的磁場、宇宙線的強度、太陽輻射、以及星際分子等數據。

　　9月26日，月球1號探測器進入日心軌道，成為第一顆人造行星。

　　9月26日，蘇聯發射的月球2號探測器取得了極大的成功。它是第一個擊中月球的人造物體，在撞到月面之前，向地球發回了有關月球磁場和輻射帶的重要資料。

　　1959年10月4日發射的月球3號探測器則第一次觀察到月球神秘的背面，並拍攝到月球背面約70%的面積。

　　雖然由於探測器的性能不理想而使得到的資料質量不高，但它畢竟第一次看到了月球的背面，其意義是十分重大的。這再一次大大提高了蘇聯航天技術的聲望。

　　美國開始時運氣一直不佳

　　1959年至1960年間，美國相繼發射了4個先進的先驅者號探測器。

　　它們裝有太陽能作動力的槳輪，配備了肼燃料小型火箭發動機，用以制動以便進入月球軌道。這些探測器採用推力更大的宇宙神/阿貝爾運載火箭。

　　但這種火箭表現欠佳，不是在試驗車時發生爆炸，就是在發射過程中出現各種故障，把這幾個造價昂貴的月球探測器全給報銷了。

　　20世紀60年代初期

　　實現探測器在月球表面軟著陸

　　20世紀60年代初，蘇美太空競賽的一個重要項目是實現探測器在月球表面軟著陸。

　　1961年到1962年，美國發射了5顆新的徘徊者號探測器

　　這種探測器是美國進行空間探測器標準性設計的初步嘗試。

　　5顆徘徊者號探測器只有徘徊者4號擊中月球，沒有發回任何有用的數據。其它的都因火箭問題而失敗。有一次是速度過大而錯過了進入月球的機會。

　　經過大量的改進，並進一步提高可靠性之後，1964年1月30日發射的徘徊者6號在開始階段取得了很大成功。

　　它成功地擊中月球並且在落月前一直工作正常，但後來沒有發回一張圖片。

　　事後分析表明，由於在發射過程中，它曾受到電弧的影響，損壞了電視攝像裝置，所以它雖然落在了月球上，卻不能對月球表面進行拍攝。

　　美國發射的徘徊者系列探測器中，徘徊者7號表現出色。它於1964年7月28日發射。

　　這個探測器幾乎進行了重新設計，每個零部件都進行了改進和可靠性審查。

　　它不但成功地到達了月球表面，而且在擊中月球之前，發回了4300張精細清晰的月面電視照片，它在離月面1600米處拍攝的最後一張照片的解析度高達0.4米。

　　爾後，美國又發射了徘徊者8號和9號探測器，也取得了高度成功，拍攝的照片為登月選擇預定點作出了出色貢獻。

　　在月面上軟著陸也是蘇美競賽的重要內容

　　從1963年開始，蘇聯嘗試發射了10個探測器，都沒有獲得成功。

　　1966年1月31日，蘇聯發射的月球9號終於首次在月面上實現軟著陸。

　　它的著陸方式很獨特：在火箭充分降低飛行速度后，月球9號開始登陸。當撞桿觸地時，儀器艙即分離開。為了保證它呈預定的姿態，以便攝像機等正常工作，它的底部很重，在滾動的過程中，這個儀器艙類似於一個不倒翁，可以使之呈直立姿態。

　　在4天的工作壽命期間，月球9號探測器發回大量關於月球的資料，包括著陸周圍的全景圖。

　　1966年3月31日發射的月球10號成為第一個人造月球衛星。它重1600千克，運行在350×1017公里的軌道上，對月球及周圍環境進行了長時間的觀測，獲得了大量寶貴的科學資料。

　　這兩個探測器為蘇聯的再一次領先立下了功勞。

　　20世紀60年代後期

　　開始研製自動月球採樣飛行器

　　20世紀60年代美國宇航局最主要的任務的實施阿波羅登月計劃。

　　蘇聯也曾經實施過登月計劃，但由於登月火箭N-1研製過程中遇到重重困難，難以趕上美國的步伐。因此，蘇聯計劃研製自動月球採樣飛行器，希望趕在美國阿波羅11號登月前自動取回月球樣品。

　　為此，蘇聯在月球系列探測器中，研製了第三代月球探測器。由於探測器質量較大，因此採用大型運載火箭質子-K號發射。

　　蘇聯發射衛星等航天器都有一個命名規則：航天發射成功后才有一個正式命名。

　　我們看到月球探測器1號、2號、3號以及9號等，實際上都是發射后才得到這些名稱的。如果發射失敗，一般就不正式命名了，而是以代號來稱呼或編入宇宙系列航天器之中。這一策略使人們感覺蘇聯發射航天器的成功率很高。

　　質子號火箭是20世紀60年代中期研製的大型運載火箭，曾廣泛用於空間站、大型月球探測器及火箭探測器的發射。

　　由於研製初期問題很多，因此發射的月球採樣探測器曾遭遇一系列失敗。

　　20世紀70年代

　　你追我趕的月球採樣計劃

　　1969年6月，由於美國正大張旗鼓地準備實施阿波羅11號登月任務，蘇聯為搶在美國之前先行取得月球土壤樣品，於1969年6月14日發射了第一顆自動月球採樣飛行器，內部編號E-8-5No.402。由於火箭上面級發動機未能點火，探測器未能離開地球。

　　1969年7月13日，蘇聯再次發射月球採樣飛行器——月球15號，同樣遭到失敗。探測器雖然到達了月球附近，但在下降月球過程中發生故障，直接撞上月面，採樣任務再次失敗。

　　1969年9月23日，蘇聯發射宇宙300，也是一顆月球採樣探測器。同樣由於運載火箭上面級問題，該探測器只進入了低地球軌道，未能飛向月球。

　　1969年10月22日，蘇聯發射宇宙305探測器，也只是進入了低地球軌道。

　　1970年2月6日，蘇聯第五次發射月球採樣探測器（內部編號E-8-5No.405），還是由於火箭發射故障，探測器連地球軌道都未能進入。

　　直到1970年9月12日，蘇聯第六次嘗試發射採樣探測器，才首次取得成功，月球16號終於到達月球並取回101克月球土壤樣品。

　　此時，美國已經兩次登月成功，取回的月球岩石和土壤樣品56千克，遠遠超過蘇聯月球16號取回的樣品。

　　月球16號取得的成就仍然值得稱讚，它是人類首個在月球上自動採樣並返回地球的探測器。

　　整個探測器高約4米，底部直徑約4米，發射質量約5800千克。探測器由下降級與上升級組成。

　　下降級重1880千克，位於探測器下部，負責採集月球樣品、與地球進行無線電聯絡、提供電能，同時也可作為上升級的發射平台。

　　下降級的最下方是制動發動機，負責減速和著陸；游標發動機負責飛行過程中修正軌道；4個對稱分佈的圓柱形推進劑貯箱為發動機提供燃料；無線電高度表用於測試水平速度、垂直速度及輻射；月球樣品採集裝置中裝有鑽臂與空心鑽管，鑽管內裝有探測器，可以感知月岩或月壤的阻力以確定鑽速，並且可以自動避開月球岩石。

　　其他分系統還有導航與控制系統、溫度控制系統、無線電接收與發射系統、化學電池和4個可伸縮的緩衝著陸支架等。

　　上升級位於探測器上部，負責把裝有月球樣品的返回艙送回地球。

　　上升級包括提供動力的發動機噴管、3個球形推進劑貯箱、裝有導航設備和化學電池的柱形儀器艙，以及位於儀器艙上方的球形返回艙。

　　球形返回艙直徑約50厘米，質量為36千克，其下部是電池和信號發射裝置，中部是裝有鑽管和月壤的樣品艙，頂部為降落傘和下降天線。

　　返回艙外表面有熱防護層，防護層的外層是石棉酚醛塑料，內層是玻璃纖維蜂窩填料，正面部分最厚達35毫米，背面只有幾毫米。

　　回收艙用金屬緊固帶與儀器艙頂部連接，它在再入大氣層前根據地面的指令與火箭分離。

　　月球16號到達月球軌道后，整個探測器全面下降到月面上。

　　由於探測器很重，利用火箭發動機反推減速下降需要消耗大量推進劑，上升級返回地球時也需要消耗很多推進劑，因此它能夠採樣並帶回地月球土壤樣品很少。

　　月球16號軟著陸和採樣返回過程如下：

　　①發射進入地球軌道：

　　月球16號於1970年9月12日由質子-K號火箭發射升空，首先進入遠地點241千米、近地點185千米、傾角51.5°的近地軌道。

　　②地月轉移飛行：

　　月球16號進入地球軌道70分鐘后，開始向月球方向加速並達到第二宇宙速度。慣性飛行1天后，探測器主發動機點火6.4秒，完成常規航向校正。

　　③進入月球軌道：

　　9月17日，月球16號啟動推進系統，進入高110千米、傾角70°的初始月球圓軌道。

　　9月18日和19日，探測器進行了2次軌道機動：首先，月球16號轉移到遠月點110千米、近月點15千米的橢圓軌道；然後，將探測器軌道調整到傾角61°、遠月點106千米的月球環繞軌道。

　　④月球軟著陸：

　　月球16號在9月20日接近近月點，制動發動機啟動6分鐘后關閉，下降級在高度2米時，以每秒2.4米的速度在月面實現軟著陸，著陸點位於月球南緯0°41『、東經56°18』的富海東北部區域。

　　⑤月面採樣操作：

　　月球16著陸后約1小時，自動鑽孔機開始鑽入月球表面提取月壤樣品，樣品質量為101克。7分鐘后，鑽孔機在距月表35厘米處停止。接著，儀器被收回，樣品被封裝於返回艙內。

　　⑥月面起飛：

　　在月面停留26小時25分后，9月21日07：43，月球16號上升級以下降級為平台從月面起飛，開始為期3天的返回地球的旅程。

　　⑦返回地球並降落：

　　9月24日05：25，月球16號採樣探測器返回艙在哈薩克傑茲卡茲甘東南80千米處打開降落傘，08：25返回艙安全著陸。

　　月球16號自動採樣取得成功，引起世界廣泛關注。採集的樣品也成為收藏者競相收藏的寶貝。1993年，月球16號採集的大約0.2克的月球樣品在蘇富比拍賣行拍出44.24萬美元的高價值。

　　1971年到1976年，蘇聯又發射了5顆月球號採樣探測器執行月球自動採樣任務，但只有2次取得成功。

　　1972年2月14日發射的月球20號探測器於2月21日成功地在月球福海地球軟著陸成功，降落地點是月球北緯4°、東經56°30』，距離月球16號著陸點160千米。

　　此次任務共採集月球樣品55克，主要是月球岩石顆粒。返回艙於2月25日成功返回地球並回收。落點位於哈薩克。

　　1976年8月9日，蘇聯發射月球24號成功完成了自動採樣任務，它降落在此前未曾涉足的月球危海區域，降落點為北緯12°15』、東經62°12』。

　　月球24號與月球16號和20號不同，它採集的是月球表面深度為2米的樣品，共計170克。

　　1976年8月22日，月球24的返回艙與上升級分離，進入地球大氣層。

　　在距地面15千米處，打開降落傘，伸展天線，返回艙降落在新西伯利亞蘇爾古特城東南200千米處。

　　總計蘇聯共發射了11顆月球自動採樣探測器，只有3顆取得了成功，共採集月球土壤樣品326克。

　　8次失敗中有5次是因為運載火箭故障，有2次是因為探測器故障未能實現在月面軟著陸，有1次是探測器（月球23號）到達月面后傾覆，無法執行採樣任務。

　　月球16號等3個自動採樣探測器取得的成功，是蘇聯深空探測活動的重要里程碑事件。

　　儘管取得的成就無法與美國的阿波羅載人登月計劃相比，但該計劃證明蘇聯完全具備了無人自動月球採樣的技術能力。

　　無人月球採樣可以少花錢，辦大事，而且不會危及人的安全。從這個意義上講，蘇聯的自動月球採樣計劃是成功的，為人類深入開展月球科學研究提供了新的方案。

　　參考文獻

　　[1] 計都。蘇聯無人採樣返回任務取得巨大成就。國際太空，2011（1）：20-22

　　[2] 顧誦芬，史超禮，李成智等。世界航天發展史。鄭州：河南科學技術出版社，2000。

　　[3] 吳偉仁主編。奔向月球。北京：中國宇航出版社，2007。

　　[4] 劉林宗等編著。探月的故事。北京：中國宇航出版社，2008。