2021年6月15日
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辛丑年五月初六
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「不積跬步,無以至千里」

嫦娥五號登月,成功採樣返回

作者 | 李宗隆
李宗隆:嘉義大學電子物理學系教授

〔如須轉載,請先徵求《遠望》同意,並於文首註明出處,全文刊載(不得隨意更動內容)。〕

北京時間2020年11月24日中國大陸國家航天局在海南省文昌航天發射場,以長征五號遙五運載火箭發射探月工程嫦娥五號探測器,將探測器送入預定軌道,開始地球外天體採樣旅程。返回器於12月17日順利降落在預定地點內蒙古四子王旗。前後23天的探月工程,成功完成我國首次地外天體採樣返航,帶回月球土壤1,731公克。目前月壤已轉移中國科學院進行後續科學分析研究,預計對太陽系天體形成及演化歷史的基本認識有重大貢獻。本文將回顧嫦娥五號月面採樣之旅及其科學技術意涵,並且探討此成就對我國國家發展和世界格局鋪陳的意義。

 

一、探月簡史

從1969到1976年美國的六次阿波羅任務和蘇聯的三次月球號任務已帶回月球表面九個區域,共計382公斤的月球岩石和土壤樣品。美國阿波羅任務以載人航天累計自月球運回381.7公斤樣品,蘇聯依靠無人航天共帶回301公克。美國和蘇聯在1970年代後由於各種原因,至今未再有月球採樣任務。嫦娥五號任務成功後,中國成為全球第三個自月球採樣返回的國家。這距離人類上次自月球採樣回地球已44年。

中國探月工程2004年正式立項,命名為「嫦娥工程」。嫦娥工程是無人月球探測計畫,分繞、落、回三步走。首先「繞」,目的是研製和發射月球探測衛星,實施繞月探測,由嫦娥一、二號分別於2007及2010年完成。其次「落」,在月球首次進行軟著陸和自動巡視勘測,由嫦娥三號、T1再入返回試驗T1是任務編號,如嫦娥五號中的五。可能因為T1是專為驗證跳躍再入發射的任務,所以未列入嫦娥號數。、嫦娥四號分別於2013、2014、2018年達成任務。最後「回」,進行首次月球樣品自動取樣返回探測,剛由去年的嫦娥五號完成任務。

 

二、嫦娥五號探測器

嫦娥五號探測器包含四個部件,由下而上包括軌道器(或稱環繞器)、返回器、著陸器、上升器等(見下頁圖一),總重達8.2公噸,高超過七米。因此須要仰賴我國迄今為止最大的運載火箭──長征五號遙五運載火箭(圖二),才能將探測器送入預定軌道。到了月球軌道之後,著陸器上升器組合體(簡稱著上組合體)將登月採集月球土壤樣本,而軌道器返回器組合體(簡稱軌返組合體)繼續環繞月軌道飛行待命。最後將只有返回器攜帶月壤樣品返回地球表面。

 

三、嫦娥五號探月過程

嫦娥五號是迄今為止中國大陸最複雜的探月任務。它從地球起飛,到月球採樣再返回。整個過程主要可以分解成八個步驟,每一個步驟又包括無數更細微的小步驟。任何一步都仰賴前一步的成功,最終才能達成探月採樣返回任務。任何一步的失誤都可能導致任務失敗。因此嫦娥五號探月採樣返回任務的成功是非常可貴、值得國人自豪的成就。

嫦娥五號探月採樣返回任務可以分解成八個子任務:發射火箭從地球升空、從地球上空飛到月球上空、著陸在月球表面、在月球表面採樣、從月球表面起飛、月軌無人自動交會對接和樣品轉移、從月球上空飛回地球上空、把樣品投遞回地球表面等。詳述如下。

1. 發射火箭從地球升空:

11月24日4時30分,長征五號遙五運載火箭在我國海南文昌航天發射場點火升空,將嫦娥五號探測器運送到地月轉移軌道。

2. 從地球上空飛到月球上空:

嫦娥五號探測器將依序進行兩次軌道修正,兩次近月制動。

24日22時左右,嫦娥五號探測器第一次修正軌道,彌補運載火箭發射入軌的誤差。同時也在該修正過程中驗證探測器上3000牛「牛」即「牛頓」之簡稱,為力的單位,1牛頓=0.101972公斤力。推力主發動機的性能。這個發動機將在後續近月制動,和返回地球軌道的過程中使用。它的性能達標否攸關此次任務的成敗,因此第一次軌道修正也是最重要的一次。

25日22時6分,嫦娥五號探測器兩台150牛發動機工作約6秒,順利完成第二次軌道修正。到第二次軌道修正為止,嫦娥五號探測器已在軌飛行約41小時,距離地球27萬公里。

28日20時58分,嫦娥五號探測器經過約112小時飛行,在距月面400公里處3000牛發動機再次點火,約17分鐘後正常關機。這是第一次近月制動。發動機幫嫦娥五號探測器「剎車」,減速後順利進入環月軌道。這次近月制動降低原本高速飛行的探測器的速度,使探測器速度低於月球逃逸速度天體的逃逸速度(escape velocity)是逃脫該天體引力束縛的最低速度。當探測器速度低於月球逃逸速度時,它「逃不出」月球引力場,因而「被補獲」。,從而可被月球引力場補獲。

29日20時23分,嫦娥五號探測器在近月點探測器橢圓軌道上最接近月球中心那個點,稱為近月點。在無動力的情況下,探測器在近月點時速度達到最快。實施第二次近月制動「剎車」,探測器從橢圓軌道進入圓形環月軌道。

3. 著陸在月球表面:

30日軌道器返回器組合體與著陸器上升器組合體受控分離。著上組合體稍後將在月面軟著陸,而軌返組合體繼續留在環月軌道等待上升器。

12月1日23時11分,在7500牛變推力發動機(圖三)減速制動下,著上組合體成功登陸月球正面風暴洋北部呂姆克山脈附近預設著陸區(月球西經51.8度,北緯43.1度)。著上組合體動力下降段從距離月面15公里高度開始,劃分為主減速段、快速調整段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段等六個下降運動階段(圖四)。

著上組合體動力下降過程中,將有約430公里的水平移動。在主減速段,著上組合體運動主要是依賴慣性導航測量器件的引導。為修正慣性導航測量器件隨開啟時間增加而累積的誤差,嫦娥五號著上組合體除了和嫦娥三、四號一樣配置了一系列敏感器:包含激光測距敏感器、微波測距敏感器、微波測速敏感器等。嫦娥五號還新增了激光測速敏感器。形成了「慣性+激光測距測速+微波測距測速」多波段導航系統,增加冗餘度工程師以額外備份設置保障儀器、設備或某項工作在非正常情况下也能正常運轉,即以增加系統冗餘度的代價提高系統可靠度。以提高月面著陸的可靠度和精確度。

當著上組合體降至離月面100至90米高時,組合體進入懸停段。此時我國具有全世界領先水平的「激光三維成像敏感器」開始工作。它採用多波束並行掃描方式完成對著陸區的高精度三維成像。三維分辨率達0.2米,距離精度優於0.15米,能在0.25秒內完成50米x50米區域的成像。依賴激光三維成像,著上組合體得以快速選定著陸點。(美國NASA在本世紀第一個10年提出這個技術,但至今未能投入實際應用。)

4. 在月球表面採樣:

2日22時,經過19小時的月面工作,著陸器順利完成月球表面土壤自動採樣。著陸器設計了兩種採樣方式:一種是鑽取採樣,計畫將鑽孔鑽到月面以下2米深的地方,採集岩芯樣本。鑽取採樣的優點是月岩月壤層區分布得以保留。另一種是機械臂採樣,用機械臂的頭部鏟取月球表面的土壤。著陸器成功完成這兩種方式的採樣。所有樣品真空密閉封裝保存在上升器攜帶的儲存裝置中,以保護樣品不受外界環境影響。

5. 從月球表面起飛:

3日23時10分,上升器月面點火,3000牛發動機工作約6分鐘後,順利將攜帶月壤的上升器送到預定環月軌道,成功實現我國首次地外天體起飛。

點火起飛前,著上組合體實現月面國旗展開。此次國旗展開是我國在月球表面首次實現國旗的「獨立展示」。上升器著陸器分離後,上升器上升,著陸器留在月面。上升器經歷垂直上升、姿態調整、軌道入射三個階段,進入預定環月飛行軌道。

上升器月球表面起飛面臨比地面火箭起飛更複雜的挑戰。一、上升器起飛是以著陸器為發射架。因為著陸區域的高低起伏,發射平台可能不是水平的。二、發射前準備時間不如地面發射充裕。三、噴射氣流導引比地面發射面臨更多變數。

6. 月軌無人自動交會對接和樣品轉移:

6日5時42分,上升器成功與軌返組合體自動交會對接,並於6時12分將月球土壤樣品容器安全轉移至返回器中。這是世界首次實現月球軌道無人自動對接和樣品轉移。

上升器和軌返組合體月球軌道對接和樣品轉移過程包括捕獲、收攏、轉移等步驟。在距離地球38萬公里外的月球軌道,地面控制訊號往返月面有時延時延是時間延遲的簡稱。地球的電磁訊號到月球來回約2.6秒,地月控制訊號時延不小於這個時間。,而月軌上的上升器和軌返組合體相對於月面而言,是處於高速運動的狀態,使得地面控制無人對接變得不可行。因此從啟動開始到完成交會對接,必須全部採自動控制,由上升器和軌返組合體自動完成。對接全步驟要在21秒內完成:1秒捕獲、10秒校正、10秒鎖緊。接著,樣品轉移和自動對接任務一氣呵成。

7. 從月球上空飛回地球上空:

嫦娥五號軌返組合體在返回地球前,依序將進行兩次月軌制動、兩次月地軌道修正。概念上是子任務二從地球上空飛到月球上空的反操作。

12日9時54分,嫦娥五號軌返組合體經歷了約6天的環月等待,實施第一次月球地球軌道轉移入射,軌返組合體加速,從近圓軌道變為近月點高度約200公里的橢圓軌道。

13日9時51分,軌返組合體實施第二次月地轉移入射,在距月面約230公里處成功實施四台150牛發動機點火,約22分鐘後正常關機。軌返組合體再次加速,成功進入月地轉移軌道。

14日11時13分,軌返組合體上的兩台25牛發動機點火工作約28秒,順利完成第一次月地軌道修正。

16日9時15分,軌返組合體上兩台25牛發動機再度點火,工作約8秒,順利完成第二次月地軌道修正。從此,軌返組合體就在直奔地球的路上了。

8. 把樣品投遞回地球表面:

17日凌晨1時許,北京航天飛行控制中心通過地面測控站,向嫦娥五號軌返組合體注入高精度導航參數。之後,軌道器與返回器在距南大西洋高約5,000公里處正常解鎖分離,軌道器按計畫完成規避機動,避免兩者分離後相撞。

凌晨1時33分,嫦娥五號返回器在距離地面120公里處,以接近第二宇宙速度即地面物體在不計空氣阻力的條件下,脫離地球引力所須的最小速度,約每秒11.2公里。高速進入地球大氣層,實施初次氣動減速。下降到預定高度後,返回器向上躍出大氣層,到達最高點後再開始滑行下降。返回器再次進入大氣層,實施第二次氣動減速。在降至距地面10公里高度時,返回器打開降落傘完成最後減速並保持返回器姿態穩定。

12月17日1時59分,探月工程嫦娥五號返回器在內蒙古四子王旗預定區域成功著陸,標誌我國首次地外天體採樣返回任務圓滿成功(圖五)。

 

四、返回器「半彈道跳躍式再入」

嫦娥五號返回器返回地球時,以接近第二宇宙速度的極高速度進入地球大氣層。上述返回器減速、跳躍出大氣層、再入大氣減速的返回方式稱為「半彈道跳躍式再入」,也有人暱稱它為「打水漂」。這種返回器再入方式值得進一步說明。

嫦娥五號返回器進入大氣層後,能利用調整自身重心位置的方式,調整飛行姿態,以增加在大氣層運動時的升力,達到某種程度上控制返回倉運動軌跡及「跳躍」的目的。相對於某些無調整控制機制的返回倉的「彈道」再入,嫦娥五號返回器的返回方式是「半彈道」再入。

倘若考慮其他應用,須要增加飛行體受控程度,可以在返回倉加上一對「小翅膀」。這樣的「返回倉」就有些貌似東風十七高超音速導彈(圖六)。但嫦娥五號返回器和東風十七導彈有一個重大差別,前者在後段飛行以降落傘減速,而後者配備了「衝壓發動機」進一步增加飛行速度。

「跳躍式再入」的返回倉可以在水平方向快速地移動巨大的距離。以嫦娥五號返回器為例,在半小時不到就飛過了近半的地球。東風十七導彈也許有類似返回器的「跳躍」能力,個頭不用太大就可以高速飛行長距離。

這種有力的軍事應用,必須牢牢地掌握在有理有節的仁義之師—中國人民解放軍的手上,人類和平穩定發展才有充分保障。

 

五、嫦娥五號探月科學意義

想像如果沒有直接來自月球的土壤樣本,科學家只能通過月球探測器遙感探測,或在地球上分析月球隕石等間接方法來瞭解月球。如果有直接來自月球確定區域的土壤樣本,科學家能夠全方位地研究月球物質,而更直接地瞭解月球和太陽系。因此,嫦娥五號採集回地球的月球土壤樣本非常珍貴。

現今科學家對太陽系歷史的理論較被接受是「晚期重轟炸」假說,也稱「月球災難」。約於38至41億年前,由於當時巨大新星(如太陽系的木星和土星等)的形成與遷移,宇宙混沌一片碎石亂飛,對類地星球(如地球、水星、金星、火星等)和月球形成大量撞擊坑。後來隨著太陽系的演化,行星運動趨於較穩定,因而撞擊事件減少。倘若這個天文假說正確,我們可以推論:太陽系類地星球及其衛星上局部撞擊坑的密度和該局部區域的地質年齡有一定的關係。

科學家對自月球取回的土壤樣本以碳放射性定年,再計算取樣區域的撞擊坑數目(除以該區域面積),就可以把這條關係曲線畫出來(如圖七的右圖,其中1Gyr即10億年)。得到這條曲線後,人類還未能登陸取樣的類地星球的區域地質年齡,就可以通過光學望遠鏡或其他手段,觀測區域撞擊坑密度,再對照關係曲線就可得知。因此,一點都不誇張地說,該關係曲線的正確性攸關人類對太陽系歷史的瞭解。

但是美國和蘇聯多次取回的樣品,大都集中在月球中低緯度的月海區域,其地質年齡集中在42至32億年前。目前撞擊坑密度與地質年齡的關係曲線就是由這些樣品「預測」的。可想而知,這個用以瞭解太陽系歷史的基本關係曲線,還缺乏較年輕月壤樣本的支持。這也顯然意味著,人類對月球的認識不論在空間還是在時間上,都是極其不全面的。

嫦娥五號探測器登陸在月球正面風暴洋北部的呂姆克山(Mons Rumker)附近,並在那裡採集月壤。這一帶遠離美國阿波羅和蘇聯月球號的採樣區,有豐富的火山活動遺蹟和可能與之前樣品不同的岩石類型。呂姆克山周圍有非常年輕的月海玄武岩覆蓋區域,因此嫦娥五號可能採集到形成於20至10億年前的年輕岩石土壤樣本。這將填補月球地質定年和年代劃分上的空白,對人類瞭解月球和太陽系有極大的貢獻。

嫦娥五號達成兩個科學目標。一、在探測器降落區域探測月球地質;二、攜帶探測區域的土壤樣本返地。 結合月面探測和地面實驗室研究分析同區域的月壤,科學家方能完整瞭解月球地質訊息。

 

六、「不積跬步,無以至千里」

嫦娥五號月球採樣返回計畫是迄今為止我國最複雜、最困難的空間任務。如前文所述,嫦娥五號探月過程可以分解成八個子任務。嫦娥五號探月任務雖然複雜,但其中很多步驟在我國其他類似航天任務也有過成功的經驗,是之前航天任務的集成。嫦娥五號任務也有幾個獨特的創舉:一、首次月面採樣;二、首次月面起飛;三、首次月軌無人交會對接;四、首次帶月壤以近第二宇宙速度返回。

這次長征五號火箭的發射非常精準,為軌道器省下可觀的燃料。因此,軌道器和返回器分離後,已在以近第二宇宙速度奔向額外任務的途中。此外,還有兩個亮點。一、有別於之前的嫦娥任務,這次探月轉播視頻有許多是即時的。這表示這段時間,我國除嫦娥工程的發展,深空測控能力及空間衛星配置也已更為完善了。二、嫦娥五號月球採樣返回任務,已具備許多阿波羅載人航天的任務步驟。因此,嫦娥五號的經驗也將有助於爾後我國的載人航天任務。

回顧《科學發展報》2005年7月新聞,當時報導了中國大陸2004年立項繞、落、回三步走的探月工程計畫,將在2020之前把月球樣品採回地球。同一天也報導了美國、俄羅斯、印度、日本等國家規劃的探月登月計畫。但15年過去了,只有中國大陸如期完成了預訂計畫。這之間還因為等待長征五號運載火箭以908天完善,而經歷了兩年的推遲。

中國大陸航天事業自始至終都是在外國技術封鎖的條件下獨立發展的。最近的一個事例就是,2019年10月在美國華盛頓特區舉行的第70屆國際宇航聯合大會,美國政府以未及時發放簽證的無恥手段,阻止中國大陸代表團參與。一個向全球公開的國際會議尚且如此,其他的訊息技術的封鎖就可想而知了。

我國探月工程的總體規劃有三大工程目標。一、突破月球採樣返回相關技術。二、實踐月球採樣返回。三、完善月球探測體系,為以後的探月任務鋪路。航天工程始終是高風險的工作。嫦娥五號的成功,確認技術方案的可行性,及其質量的穩定性。因此,嫦娥五號不僅是今天一個成功,也是未來的開始。

「不積跬步,無以至千里」。嫦娥五號探月所以能刷新人類無人月球採樣返回任務新記錄,是因為經歷15年的人才培育及關鍵技術累積。我國航天事業持續成長壯大,才能破除帝國霸權的圖謀,對全人類知識與和平發展起根本的貢獻。

 

七、結語

中國大陸探月工程雖然起步較晚,但能長期按部就班穩健地前進,實踐新一代航天人的鍛鍊培育和關鍵技術的積累。我國航天事業何以可以獨立行遠自邇,是個值得探討的問題。

首先,大型的科學技術發展要有成果,必須是經歷長期的累積。而長期累積必須有持續的高階人才和資金的投入,人才和資金得力於教育和經濟的良好鋪墊,最終須要穩定的政治環境。因此,政治的穩定是科學技術得以發展積累的必要條件。脫離了穩定的政治,大型的科學技術計畫相當於離開了發展的土壤。

對照於以兩黨選舉決定最高領導人的國家,這個道理就更明白了。近年來,這類體制的主要國家的國家政策,因為政黨更替而搖擺不定,因而大型的科學技術計畫無法持續。其中,美、俄、印、日等國15年前的探月登月計畫,只見宣傳而不見任何執行就是一例。反觀中國大陸的一黨政治,國家政策反而持續穩定,這是大型科學技術計畫得以持續並且開花結果的必要條件。

中外政治思想的差別極大,中西方認定「政黨」的意義也有根本的差異。西方的政黨政治,在現實的實踐中常淪為各政黨為「一黨之私」而你爭我奪,無視人民的共同利益。中國人的政黨概念則須遠溯自儒家思想。《論語‧衛靈公》:「君子矜而不爭,群而不黨」,中國人長久以來有「君子群而不黨,小人黨而不群」的優良傳統。中國大陸現今的一黨政治,就是朝這個理想前進,這個黨是以「民本」為核心思想的「全民政黨」。

其次,中國大陸航天人和其他科研工作者,普遍有必須獨立自主的深刻體驗。這當然是中國人經歷殘酷的歷史教訓,以無以倫比巨大的代價學來的。毛主席建國時「對獨立自主的強大精神追求」,不只表現在政治上,也傳承給一代代有擔當的科技人。科技人有這個追求獨立自主的基因,必能奮鬥不懈不忘使命。因此,追求獨立自主也是我國大型科學技術計畫成果,得以累積發展的必要條件之一。

最後,大型科學技術計畫目標的正確制定也是成功的關鍵。錯誤的目標不只難以達成,也是國力不必要的耗散。科學技術計畫目標的制定必須客觀並且合乎科學和經濟規律,更重要的是其最終目的要「以民為本」。

回顧美俄的探月、登月史更可以瞭解,民本思想對大型科學技術計畫目標制定的重要。不論起始的動機為何,美俄探月登月最終淪為冷戰時期,爭奪世界霸權的手段。因此,只要霸權格局走勢大致確定,想要持續探索宇宙的動力和企圖就分散減弱了。這可以解釋美俄探月計畫在高峰之後,就停頓了近半世紀。目標格局短淺的科學技術計畫畢竟只能服務於特定圖謀,無以致遠。

由這次中國大陸在嫦娥五號探月工程的成功,我們學習到的不只科學技術知識,也略見我國國家發展和世界格局鋪陳的關聯。

中國大陸以「民本」為理想的一黨政治,給有擔當的科學技術工作者,提供一個可以持續獨立自主發展並積累成果的穩定平台,最終目的不在追求霸權,而是為謀求「以全體人類為本」的大同和諧世界而努力。雖然我們以全人類為胸懷,但必須立足於民族,否則無實踐的施力點。從這裡出發,就可以瞭解我國現今「人類命運共同體」意識和「一帶一路」倡議的意涵。西方可能一時無法理解中國的胸襟與思想,但只要如嫦娥五號這樣的成果一再發生,最終中國人的行動是可以改變西方人思想的。