李斯洋

2020年11月24日，長征五號遙五運(yùn)載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空。12月17日，返回器攜帶月球樣品著陸地球，為我國探月工程重大科技專項(xiàng)“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略畫上一個(gè)圓滿的句號。

九天攬?jiān)滦呛娱?，十六春秋繞落回。肖龍是中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)研究所教授，嫦娥五號鉆取子系統(tǒng)飛控專家組成員，負(fù)責(zé)探月三期關(guān)鍵技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目月面采樣試驗(yàn)用模擬月壤的研制。他為嫦娥系列任務(wù)研制模擬月壤近10年，總共為工程單位提供了100多噸的模擬月壤。近期他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)還研制了用于材料加工（如3D打?。┑哪M月壤，以及模擬火星土壤等，為月球基地建設(shè)、火星探測、地外資源利用等提供支撐。

月球探測器發(fā)射升空成功之后，本刊特約記者專訪了肖龍教授。

月面取樣如何克服重重挑戰(zhàn)

南風(fēng)窗：嫦娥五號的采樣點(diǎn)選擇在風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近的位置，是考慮到了哪些因素？

肖龍：在選定采樣點(diǎn)位置的時(shí)候確實(shí)經(jīng)歷了很長時(shí)間斟酌，主要是基于兩大方面的原因。

一是從工程技術(shù)上來講，與前幾次嫦娥探月項(xiàng)目不同，嫦娥五號新增了采樣和返回的任務(wù)，工程難度大大增加，需要綜合考察制約工程的一系列條件。具體包括月面的平整度，如地形、地貌、坡度等，以及光照條件和地月之間直接的通訊條件等等。因?yàn)樵谠旅婀ぷ饕柚柲馨l(fā)電供電，采樣點(diǎn)必須保證良好的光照；而此次指揮月面工作的信號沒有中繼衛(wèi)星進(jìn)行協(xié)同，采樣點(diǎn)還需要選擇在通訊條件良好的地方。

另一個(gè)原因側(cè)重科學(xué)認(rèn)識層面，此次采樣任務(wù)帶回的月球樣品須要不同于以前美蘇兩國已返回樣品。此前，美國阿波羅號共計(jì)帶回381.7公斤樣品，蘇聯(lián)也帶回300多克樣品，這些樣品大都取自月球正面的暗色區(qū)域（稱為“月?！保?，并且都是形成于30億年以前的古老火山巖等。為了與美蘇兩國的樣品有所區(qū)別，我國選擇了風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近這樣一個(gè)區(qū)域，據(jù)分析這里的火山巖應(yīng)該更年輕一些。

南風(fēng)窗：月面采樣過程中將遇到哪些困難？

肖龍：此次采樣任務(wù)需要通過鉆探的方式獲得表面以下一定深度的巖石，在月球打鉆和在地球打鉆相比難度大大增加。例如在地球打鉆需要添加各種冷卻劑，但在月面打鉆是沒有冷卻劑的，這就需要考慮散熱的問題，否則鉆頭很容易被燒毀。并且在月球工作的用電功率是有限制的，鉆頭也需要盡量做小，這對于鉆取系統(tǒng)的性能提出了嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

月球表面物質(zhì)的性質(zhì)也有諸多不確定性。根據(jù)美國阿波羅號采樣的先例來看，因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)在年老的火山巖地區(qū)，風(fēng)化程度高，月壤整體比較細(xì)粒。但此次任務(wù)在年輕火山巖區(qū)域取樣，風(fēng)化程度相對低，月壤中也可能分布一些顆粒較大的石塊，我們的鉆頭一旦打到這些大顆粒物質(zhì)，鉆探失敗的概率也將大大增加。

南風(fēng)窗：針對這些難題，你在參與鉆取系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，采用了哪些工程創(chuàng)新克服這些困難？

肖龍：需要做大量的實(shí)驗(yàn)，唯一可行的方案是在地球上模擬月面鉆探的場景。地球表面的巖石土壤跟月球表面是不一樣的，我們要研制出一些與月壤差不多的物質(zhì)用于鉆探取樣試驗(yàn)。

首先是對阿波羅號返回的樣品進(jìn)行調(diào)研，研究阿波羅號取樣獲得的月壤剖面和巖性；還需要結(jié)合月球遙感探測數(shù)據(jù)，如月球表面的光譜、粗糙度以及熱物理性質(zhì)等一系列特征，對嫦娥五號著陸區(qū)月壤的物理化學(xué)性質(zhì)作出大致判斷。再利用地球上的自然巖石和礦物，加工配出一些與月壤相近的物質(zhì)，稱為模擬月壤，提供給工程部門做試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過程中，會(huì)設(shè)置各種各樣的工況，比如分別使用比較均勻的細(xì)粒模擬月壤，或在細(xì)粒月壤里摻入大顆粒的石塊，研究鉆頭在里面鉆進(jìn)的速度、功率、發(fā)熱情況。類似的模擬試驗(yàn)已經(jīng)做了上千次，基本把各種可能出現(xiàn)的情況都摸底清楚了，這樣就可以針對不同的情況來設(shè)定鉆探的工藝參數(shù)，設(shè)計(jì)更多備選方案確保任務(wù)順利完成。

南風(fēng)窗：此次帶回的月球樣品將被怎樣處置？

肖龍：處置的流程應(yīng)該跟阿波羅號差不多，樣品落地以后將交由專門的部門負(fù)責(zé)處理和保管，我們國家已經(jīng)建立了一個(gè)專門的實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)集中處理，待飛行器落地后，月壤樣品將在非常嚴(yán)格的操作環(huán)境里解封，進(jìn)行一系列測量、分類、編錄、歸檔等工作。

未來這些月球樣品將有多個(gè)用途，其中一部分樣品將會(huì)被長期或永久保存，一部分樣品將用于科學(xué)研究，一部分將存放于科技館博物館用于科普教育，還有一部分將作為國家禮物用于國際交流，等等。

月球樣品能夠回答哪些科學(xué)問題

南風(fēng)窗：與美國和蘇聯(lián)早年帶回的月球樣品不同，嫦娥五號這次帶回樣品對認(rèn)識月球有怎樣的科學(xué)意義？

肖龍：此前美國阿波羅號和蘇聯(lián)的月球樣品是從月海中采集而來的，主要為火山噴發(fā)形成的玄武巖和高地斜長巖。通過年齡測算發(fā)現(xiàn)這些樣品形成于 30億年之前，這意味著月球火山活動(dòng)在那個(gè)時(shí)期基本結(jié)束，此后月球成為一個(gè)死氣沉沉的“死星球”。

地球早期的巖石和礦物已經(jīng)被后期改造得面目全非，而在月球上被保留得很完好，某種程度上來講，如果我們把月球形成模型建立完整了以后，對于理解早期地球的演化非常有幫助。

但是隨著后續(xù)各國探月工作的開展，月球表面的遙感影像數(shù)據(jù)越來越清晰，發(fā)現(xiàn)月面有些地區(qū)的火山巖可能比阿波羅采樣點(diǎn)年輕得多，可能在15億年左右，都分布于風(fēng)暴洋地區(qū)。但目前，這些疑似年輕的火山巖僅僅依靠“撞擊坑統(tǒng)計(jì)定年”這種間接方法給出時(shí)間信息，必須要有真正的實(shí)物樣品的測年數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證。

如果一旦被證實(shí)，科學(xué)意義就非常明顯，說明月球的火山活動(dòng)持續(xù)時(shí)間將被大大延長，將顛覆過去對月球演化的認(rèn)識，月球可能比我們想象中“活躍”得多。

南風(fēng)窗：人類對月球的研究，對認(rèn)識地球有怎樣的啟示？

肖龍：地球和月球的物質(zhì)有一定同源性，并且在形成初期的演化環(huán)境較為接近，地球早期的巖石和礦物已經(jīng)被后期改造得面目全非，而在月球上被保留得很完好，某種程度上來講，如果我們把月球形成模型建立完整了以后，對于理解早期地球的演化非常有幫助。

不過，月球初期的演化還是和地球有一些差異，地球的早期是不是和月球一樣也經(jīng)歷了“巖漿洋事件”尚屬未知。如果地球也有“巖漿洋事件”，那為什么還沒找到跟月球一樣的斜長巖質(zhì)古老地殼？同時(shí)，地球最古老的地殼是怎么形成的至今都是地質(zhì)學(xué)的研究前沿。

由于月球幾十億年來“死氣沉沉”缺乏活動(dòng)，那么太陽風(fēng)作用于月面的信息就可以被連續(xù)不斷地保存在月壤里面，通過分析月壤剖面的痕量物質(zhì)變化，就可以反演出40億年來的太陽活動(dòng)變化。這樣一來，和月球處在相同位置的地球，受太陽活動(dòng)的影響也會(huì)被更好地認(rèn)識，對解釋地球表面古氣候、古環(huán)境、古生物演化起到一定啟示。

另外還有研究認(rèn)為，月球不僅受到太陽風(fēng)的作用，還受到地球風(fēng)的作用，當(dāng)月球位于地球外側(cè)（相對于太陽）的時(shí)候，太陽風(fēng)會(huì)將地球的一些物質(zhì)吹落到月球上。另外，早期的撞擊作用還可能使地球巖石落到月球上，如果在月球表面找到來自地球的隕石，就可以還原一些地球早期的信息。

月球資源將如何利用

南風(fēng)窗：中國探月工程下一步圍繞月球物質(zhì)資源和空間開發(fā)這些領(lǐng)域，還有哪些布局？

肖龍：嫦娥五號已經(jīng)順利結(jié)束任務(wù)返回地球，但繞、落、回只是我國探月任務(wù)的第一階段，后續(xù)將會(huì)布局一系列月球物質(zhì)和空間資源評價(jià)和工作。

下一階段，中國的探月任務(wù)將可能圍繞月球極地地區(qū)展開。嫦娥六號是嫦娥五號的備份，它的任務(wù)也是一次采樣返回，這一次采樣可能會(huì)是月球南極，重點(diǎn)回答月球南極的水冰問題，采集一些可能含冰的土壤。后續(xù)的嫦娥七號、嫦娥八號也可能繼續(xù)規(guī)劃為極區(qū)探測任務(wù)，與之相關(guān)的我們國家倡導(dǎo)的國際月球科研站，也有可能布局在南極。

將國際月球科研站布局在南極，一個(gè)最主要的原因就是極區(qū)可能有水冰，這也是月球上目前公認(rèn)的最有可能被開發(fā)利用起來的一個(gè)資源。

國際月球科研站以無人的科研站為主，將采用國際合作的形式，充分利用月球的特殊環(huán)境展開科學(xué)研究、工程技術(shù)、農(nóng)業(yè)、新材料等月面研究工作。雖然科研站還沒有正式立項(xiàng)，但作為一個(gè)重大科學(xué)工程的預(yù)研已經(jīng)開始了。

南風(fēng)窗：嫦娥五號的月球樣品引發(fā)了大家對氦-3這種可控核聚變原料的關(guān)注，一些觀點(diǎn)認(rèn)為，未來如果將月壤的氦-3加以利用，將解決地球的能源供應(yīng)問題。目前全世界對月壤氦-3的研究處于怎樣的水平，此次嫦娥5號取樣是否為開發(fā)氦-3提供指導(dǎo)？

中國人參與阿波羅樣品研究也不是絕對沒有途徑，可以通過第三方合作的方式如跨國的科研團(tuán)隊(duì)來參與部分研究工作，我們嫦娥五號的樣品未來也可能是類似的。

肖龍：氦-3主要跟太陽風(fēng)的注入有關(guān)系，并不是月球自生，在月面上，時(shí)間越老的地方氦-3可能積累得越多。此外氦-3的分布與月壤中的特定成分也有關(guān)系，富鈦的月壤氦-3成分會(huì)更高一些。顯然，嫦娥五號此次選擇年輕地帶的月壤采樣，并不是為了氦-3而去。

理論上氦-3確實(shí)有很多的潛在的價(jià)值，可以作為可控核聚變的原料。但是氦-3的提取是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，它的豐度要達(dá)到一定含量才能會(huì)有提取利用的可能，目前人類技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到開發(fā)、運(yùn)輸、利用的程度，從實(shí)際應(yīng)用的角度來講現(xiàn)在還為時(shí)尚早。

南風(fēng)窗：在月球空間開發(fā)利用方面，你建議中國未來的月球基地可以建設(shè)在熔巖管中，其利用前景如何？

肖龍：由于月球表面晝夜溫差巨大，宇宙輻射強(qiáng)烈、微隕石撞擊密集，月球基地的建設(shè)需要相對穩(wěn)定的內(nèi)部環(huán)境，可以充分利用月面的熔巖管中的空間進(jìn)行月球基地建設(shè)。

所謂熔巖管，是在熔巖流內(nèi)部自然形成的管道，當(dāng)液態(tài)的熔巖流流動(dòng)時(shí)，由于表面冷卻較快，形成固體硬殼，在表層硬殼的保溫作用下，其內(nèi)部溫度高、流速快，從而形成中空的管道。根據(jù)月球遙感探測信息，在月球表面發(fā)現(xiàn)了很多疑似熔巖管出口的構(gòu)造，考慮到月球的重力環(huán)境和月球玄武巖的噴發(fā)的速度，它的地下空間要比我們地球熔巖管空間還大。

熔巖管內(nèi)的溫度基本是恒定的，能夠阻擋太陽風(fēng)、宇宙射線和微隕石撞擊，是建立長期的月球基地的理想環(huán)境。

南風(fēng)窗：中國和美國的月球探測在未來是否會(huì)出現(xiàn)競爭的態(tài)勢？中國應(yīng)該持以什么樣的態(tài)度？

肖龍：中國對月球科學(xué)研究的態(tài)度是開放的，但是現(xiàn)在美國政府禁止 NASA等機(jī)構(gòu)與中國的雙邊直接合作，目前還不知道禁令會(huì)不會(huì)妨礙到具體科學(xué)家的參與。不過，美國阿波羅號的樣品對歐洲及一些國家是可以開放申請的，中國人參與阿波羅樣品研究也不是絕對沒有途徑，可以通過第三方合作的方式如跨國的科研團(tuán)隊(duì)來參與部分研究工作，我們嫦娥五號的樣品未來也可能是類似的。