文/ 張雪松

說起地外天體無人采樣，不能不提蘇聯(lián)的月球24 號探測器?；仡櫶K聯(lián)時(shí)代的月球探測計(jì)劃，1976年發(fā)射的“月球24 號”取樣返回最為成功，堪稱蘇聯(lián)探月最后的輝煌。

“月球24 號”的前世今生

蘇聯(lián)載人登月可以說是“起了個(gè)大早，趕了個(gè)晚集”：蘇聯(lián)載人登月計(jì)劃開始很早，但始終三心二意、舉棋不定，還有航天元?jiǎng)卓屏_廖夫手術(shù)身故帶來的打擊，面對美國大張旗鼓加緊實(shí)施的阿波羅登月計(jì)劃，蘇聯(lián)載人登月毫無意外地落后了。蘇聯(lián)不得不在繼續(xù)抓載人登月計(jì)劃的同時(shí)，大力推進(jìn)無人取樣返回探測器，試圖在航天競賽中扳回一局。蘇聯(lián)時(shí)代一共發(fā)射了11 個(gè)月球取樣返回探測器，“月球24 號”是其中最后，也是最成功的一個(gè)。

▲ 左圖為月球16 號探測器，右圖為“月球16 號”采回的一管月球鉆取樣品，編號21000

▲月球20 號探測器

蘇聯(lián)成功發(fā)射過月球飛掠探測器、月球環(huán)繞探測器和月球軟著陸探測器，步步為營為月球取樣返回探測器的成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。然而，月球取樣返回項(xiàng)目的技術(shù)跨度很大，比如從月面起飛返回地球，僅此一項(xiàng)就比軟著陸多了約2.7 千米/秒的速度增量要求，需要研制專門的上升器。月球24號探測器由著陸器和上升器兩部分組成，其中著陸器質(zhì)量近5.3 噸，而上升器只有約515 千克，總發(fā)射質(zhì)量約5.8 噸，蘇聯(lián)使用當(dāng)時(shí)運(yùn)載能力最強(qiáng)的質(zhì)子號火箭發(fā)射，而且使用了Block D上面級。月球24 號探測器發(fā)射后進(jìn)入近地軌道，由Block D 上面級送入地月轉(zhuǎn)移軌道，隨后由著陸器完成中段修正、月球軌道插入和月球軟著陸，而上升器負(fù)責(zé)將鉆取獲得的月壤月巖樣品送回地球?！霸虑?4 號”任務(wù)和蘇聯(lián)其他取樣返回任務(wù)一樣，采用直接上升返回方式，也就是月面起飛一次點(diǎn)火加速到月球逃逸速度，進(jìn)入返回地球的自由返回軌道。

蘇聯(lián)拉沃契金設(shè)計(jì)局負(fù)責(zé)月球取樣返回探測器的研制，蘇聯(lián)發(fā)射的11個(gè)取樣返回探測器都采用該局的Ye8-5系列平臺做著陸器，但月球取樣返回任務(wù)復(fù)雜、流程多難度也大，最終只有“月球16 號”“月球20 號”和“月球24 號”取樣返回任務(wù)獲得成功?！霸虑?6 號”任務(wù)取回101克月球樣本，“月球20號”只取回55 克，它們使用鉆取方式取樣，前者在高密實(shí)度月壤中鉆桿卡滯，后者遇到了斜長巖導(dǎo)致鉆頭過熱停機(jī)，鉆機(jī)的鉆進(jìn)深度分別為0.35 米和0.27 米，鉆探取土遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上圓滿成功。蘇聯(lián)科研人員吸取教訓(xùn)不斷改進(jìn)，“月球24號”使用改進(jìn)的Ye8-5M 平臺，尤其是使用了KBOM 設(shè)計(jì)局塔什干分部研制的名為LB-09 的新型鉆探取樣機(jī)構(gòu)，并采用傾斜式鉆取方式，鉆探取樣能力有了很大提高。

▲月球24 號探測器著陸器結(jié)構(gòu)圖

“月球24 號”的直接上升返回方案對上升返回器的速度增量要求更大，也要求更高的控制精度，還提高了月地轉(zhuǎn)移軌道和再入返回等后續(xù)飛行過程的設(shè)計(jì)難度，但直接上升返回方案簡化了任務(wù)流程，減少了出現(xiàn)錯(cuò)誤的可能性，考慮到蘇聯(lián)苦于航天探測器可靠性不足，這是權(quán)衡利弊后的必然選擇?！霸虑?4 號”的方案設(shè)計(jì)雖然簡潔，但遠(yuǎn)沒有美國阿波羅計(jì)劃月球軌道交會(huì)方案那么高效。

“月球24 號”的光榮旅程

1976年8月9日，蘇聯(lián)使用質(zhì)子號/Block D 火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射了月球24 號探測器，8月11日進(jìn)行探測器軌道修正后，又過了3 天進(jìn)入傾角120 度、高度115 千米的月球圓軌道，軌道周期1 小時(shí)59 分。8月16日和17日探測器進(jìn)行多次機(jī)動(dòng)減速后，進(jìn)入近月點(diǎn)12 千米的橢圓軌道，8月18日探測器開始月球軟著陸，莫斯科時(shí)間9 時(shí)36 分成功降落到月球危海東南部。蘇聯(lián)取樣返回任務(wù)受到發(fā)射場和運(yùn)載火箭運(yùn)力的限制，著陸區(qū)其實(shí)沒有太多選擇，基本都集中在月球可見一面的東部邊緣的赤道一帶，“月球24 號”不僅和“月球15 號”落在同一個(gè)區(qū)域，落點(diǎn)更是距離前輩月球23 號探測器只有數(shù)百米?！霸虑?4 號”任務(wù)是Ye8-5M 平臺的第三次嘗試，不同于落月失敗側(cè)面著陸的“月球23 號”，以及一年后Block D 上面級故障未能進(jìn)入停泊軌道的無名失敗任務(wù)，“月球24 號”總算成功落月了。

▲“月球16 號”采集的月球巖石標(biāo)本，總重0.2 克，在蘇富比拍賣行拍出44.25 萬美元的天價(jià)

▲月球系列中的首個(gè)探測器——月球1 號，首次飛掠月球

月球24 號探測器降落到月球表面后，位于克里米亞辛菲羅波爾市的KIP-10 地面控制站花了大約15 分鐘檢查探測器的狀態(tài)和落點(diǎn)，確認(rèn)探測器工作正常后發(fā)送指令開始鉆取月壤。月球24 號探測器的LB-09 鉆取機(jī)構(gòu)包括鉆頭、鉆軸和驅(qū)動(dòng)器、樣品傳輸機(jī)構(gòu)和樣品儲存容器等部分，它比早期鉆取采樣機(jī)構(gòu)有很大改進(jìn)，尤其是能根據(jù)月壤密度調(diào)整鉆機(jī)功率，這樣即使像月球16 號探測器那樣，鉆頭突然遇到高密實(shí)度月壤，也不至于就此止步。“月球24 號”以旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式工作到1.2 米深度，隨后切換到?jīng)_擊旋轉(zhuǎn)模式，進(jìn)一步進(jìn)行鉆取，傾斜30 度工作中鉆機(jī)鉆進(jìn)長度約2.25 米，相當(dāng)于月面下2 米深度。即使如此新的LB-09鉆機(jī)仍然在鉆取過程中多次停鉆，最后獲得的是質(zhì)量170 克的月壤樣品，固然比“月球16 號”和“月球20 號”有了巨大進(jìn)步，但鉆取深度和樣品質(zhì)量仍然不及預(yù)期。

▲月球9 號探測器，首次實(shí)現(xiàn)月球軟著陸

▲ 俄羅斯公布的“月球25 號”至“月球29 號”探測器的發(fā)射計(jì)劃，但目前整體計(jì)劃已推遲至2022年開始

經(jīng)過22 小時(shí)49 分的緊張采樣工作后，探測器上升器部分于莫斯科時(shí)間8月19日8 時(shí)25 分從月面升空，達(dá)到2.7 千米/秒的速度直接飛向地球，返回艙8月22日再入大氣層，15 千米和4 千米高度先后開啟引導(dǎo)傘和主傘后，成功降落到西西伯利亞的蘇爾古特附近。與此同時(shí)，月面的著陸器仍進(jìn)行了一些操作，比如操作鉆機(jī)繼續(xù)進(jìn)行了鉆取，為后續(xù)的火星取樣返回積累經(jīng)驗(yàn)，不過那就是另一個(gè)故事了。月球24 號探測器從月球危海區(qū)域取回了170.1 克的月壤月巖樣品，研究表明月壤為多層不同顏色和結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，反映出采樣區(qū)隨著時(shí)間推移有多次沉積物質(zhì)的復(fù)雜地質(zhì)歷史。蘇聯(lián)科學(xué)家研究認(rèn)為樣本的風(fēng)化層年齡約3億年，還發(fā)現(xiàn)樣品中含有0.1%的水，水含量高出檢測閾值約10 倍，顯然并非監(jiān)測儀器的誤差。遺憾的是，月球有水的消息沒能激起巨大反響，美蘇都停止了后續(xù)探月計(jì)劃，月球24 號探測器也成了蘇聯(lián)月球探測的絕唱。

不絕的尾聲

1976年2月，蘇聯(lián)秘密放棄了N1-L3 載人登月計(jì)劃，“月球24 號”任務(wù)后蘇聯(lián)也沒有后續(xù)的無人探月計(jì)劃，美蘇冷戰(zhàn)期間的登月競賽已經(jīng)隨著“阿波羅”登月決出勝負(fù)，都不約而同放棄了后續(xù)探測計(jì)劃。1976年蘇聯(lián)“月球24 號”成功登月37年后，月球才迎來一個(gè)新的探測器，即來自中國的嫦娥三號著陸器。

俄羅斯仍然有月球探測的雄心，1998年拉沃契金設(shè)計(jì)局就提出新的探測器方案，并和多個(gè)國家討論進(jìn)行國際合作，但都以分道揚(yáng)鑣告終，拉沃契金設(shè)計(jì)局最后重新獨(dú)立研制，并沿用蘇聯(lián)時(shí)代的月球系列編號，將其命名為“月球25 號”，然而它由于預(yù)算等問題反復(fù)推遲10年之久。俄羅斯的月球25 號探測器如獲成功，“月球24 號”總算是后繼有人了，俄羅斯還計(jì)劃發(fā)射月球26、27、28 號等一大批探測器，實(shí)施月球取樣返回計(jì)劃，并向月面部署大型月球車，為建造月球基地做好準(zhǔn)備。★

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蘇聯(lián)月球鉆探簡史

蘇聯(lián)一共進(jìn)行過11 次月球采樣返回的嘗試，其中只有第6 次、第8 次和第11 次取得了成功，其他都因?yàn)楦鞣N各樣的原因失敗。但很多失敗并不是探測器本身的問題。蘇聯(lián)解體至今，俄羅斯并沒有再進(jìn)行過任何形式的外星球采樣計(jì)劃。

1.月球E-8-5 No.402，美國宇航局把它叫做月球1969C。它是一個(gè)起飛質(zhì)量達(dá)到5600 千克的探測器，打算在月球上進(jìn)行軟著陸，收集月球土壤樣本，并返回地球。

1969年6月14日，月球E-8-5 No.402 在拜科努爾航天中心用質(zhì)子-K 8K78K 運(yùn)載火箭起飛，但是上面級火箭未能點(diǎn)火，探測器沒有進(jìn)入軌道。

2.“月球15號”是蘇聯(lián)試圖搶在“阿波羅11 號”前面登月并帶回樣品的一次嘗試。它在“阿波羅11 號”發(fā)射之前3 天發(fā)射，繞飛月球52 圈之后，嘗試著打開主發(fā)動(dòng)機(jī)降落。但是降軌開始后4 分鐘，信號就中斷了。預(yù)測當(dāng)時(shí)“月球15 號”距離月球表面還有3 千米，功敗垂成。

3.“宇宙300 號”是蘇聯(lián)第4 次嘗試無人月球采樣返回。它的設(shè)計(jì)與后來的“月球16 號”相似。1969年9月23日，“宇宙300 號”用質(zhì)子火箭發(fā)射。由于氧化劑泄漏，火箭上面級發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，“宇宙300 號”在地球大氣層中燒毀。

4.“宇宙305 號”是蘇聯(lián)第5 次嘗試無人月球采樣返回。1969年10月22日，它用質(zhì)子火箭發(fā)射升空，結(jié)果遭遇了和“宇宙300 號”一樣的命運(yùn)。因?yàn)樯厦婕壈l(fā)動(dòng)機(jī)失敗，“宇宙305 號”滯留在地球軌道上。

5.月球E-8-5 No.405 和1969年發(fā)射的月球E-8-5 No.402 基本相同。它于1970年發(fā)射，因?yàn)榛鸺。@臺5600 千克的探測器沒有抵達(dá)月球。

▲ 測試中的“月球15 號”

▲ 發(fā)射失敗的俄羅斯火星采樣探測器

▲ 失敗的蘇聯(lián)E-8-5月球采樣器

▲ 蘇聯(lián)取回的月壤

6.“月球16 號”是蘇聯(lián)、也是全世界第一個(gè)從月球上帶回樣品的無人探測器，也是人類第一個(gè)成功的外星球采樣器?！霸虑?6 號”于1970年9月17日進(jìn)入傾角為70°的月球軌道。在9月18日和19日進(jìn)行了兩次軌道調(diào)整之后，下降到距離月面15.1千米的高度。9月20日，“月球16號”主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，降落到月球表面。著陸后不到一個(gè)小時(shí)，“月球16 號”用自動(dòng)鉆機(jī)穿透月球表面，采集土壤樣本。鉆孔7 分鐘后，鉆孔機(jī)在35 厘米深處停止，然后取出樣本，存放在一個(gè)小球形返回艙中。9月21日，“月球16 號”的上升段起飛。9月24日，在沒有中途修正的情況下，載有101 克月球土壤的返回艙以每秒11 千米的速度重新進(jìn)入地球大氣層，降落在哈薩克斯坦境內(nèi)。分析表明，這些樣品與美國“阿波羅12 號”任務(wù)帶回的土壤非常相似。

7.“月球18 號”于1971年發(fā)射，9月7日進(jìn)入月球軌道。繞飛月球54圈后，“月球18 號”試圖著陸，但未能成功，墜毀在月球上。蘇聯(lián)官方宣布“在復(fù)雜的山區(qū)條件下登月是不利的”。

8.“月 球20 號”于1972年2月18日進(jìn)入月球軌道。1972年2月21日，“月球20號”軟著陸在距離“月球16號”著陸地點(diǎn)120 千米的沃海附近。經(jīng)過鉆探，“月球20 號”獲得了約55 克樣品，于1972年2月22日從月球表面起飛，1972年2月25日降落在蘇聯(lián)境內(nèi)，取得成功。這是蘇聯(lián)發(fā)射的第8 個(gè)月球采樣返回航天器，基本設(shè)計(jì)和“月球18 號”相同，改善了“月球18號”的一些不完善之處，終于取得成功?！霸虑?0號”采集的樣本和此前不同，主要是古代月球高地斜長巖，而不是早期樣本中的玄武巖。這與美國“阿波羅16 號”任務(wù)返回的樣品類似。

▲ “月球16 號”的采樣桿

9.“月球23 號”由質(zhì)子火箭發(fā)射升空，于1974年11月2日進(jìn)入繞月軌道，于11月6日降落到月球表面。由于著陸地形惡劣，鉆孔裝置遭到了損壞，主要任務(wù)無法完成，科學(xué)家們只好把它當(dāng)作一個(gè)著陸探測器來使用。2012年3月，美國宇航局的月球勘測軌道器發(fā)現(xiàn)，“月球23 號”側(cè)臥在月球表面，所以無法鉆探。

10.月球E-8-5M No.412 繼續(xù)了這個(gè)系列探測器此前的厄運(yùn)。它在1975年發(fā)射時(shí)，因?yàn)榛鸺厦婕壥《鴽]有進(jìn)入軌道，導(dǎo)致這臺5300千克的探測器報(bào)廢。

11.“月球24號”在距“月球23號”幾百米外著陸并成功帶回樣品?！霸虑?4 號”是蘇聯(lián)時(shí)代月球采樣返回計(jì)劃的絕唱，它于1976年8月22日將170.1 克的樣品送回地球。

從那以后，再也沒有任何人或者設(shè)備從月球上取回任何樣品，直到2020年12月，中國的“嫦娥五號”開啟了全新的時(shí)代。