嫦娥五号回家,中美竞跑太空
2020-12-17 13:11

嫦娥五号回家,中美竞跑太空

本文来自公众号:醋话集(ID:cuhuaji),作者: 醋醋,题图来自:视觉中国


1978年5月20日中午,晚春的北京开完最后一丛洋槐树花,午气中还残留着一丝花香。


美国副总统专机“空军二号”降落在北京机场,机上布热津斯基透过舷窗看见黄华,不禁暗自高兴。


黄华是时任中国外交部长,他亲自接机表明这次访问级别很高,两国关系很有可能更进一步。


作为前美国总统卡特的国家安全事务助理,布热津斯基此行目的只有一个:重启尼克松下台后停滞不前的中美关系,尽快推动中美建交。


为表诚意,布热津斯基还带来两件特殊的礼物——一面中国国旗与一颗岩石,它们都来自月球。


当时的中央领导认为,旗帜有没有上过月球无从考证,岩石可以交给专业人士验明正身。


中办先是找到高教部,问大学里面有没有哪位教授能“鉴宝”,回答是没有。然后又找到中国科学院,答案同样是没有。


不过后者补了一句,有个人专门研究天上的东西,也许他能试一试。


此人远在贵阳,被中办一个电话喊到北京,他打开装着月球石的玻璃盒愣住了,样品不到一粒黄豆大。


原来美国人用凸透镜做玻璃盒,放大了形状,看上去拇指大小的岩石其实只有一克。


他小心地把月球石剖成两半,半克拿来做研究,半克送给了北京天文馆珍藏。


通过四个月的分析,他带领团队写出了14篇论文,矿物成分、结构构造、化学成分、微量元素、物理性质、产出环境……岩石的真身一一浮现出来。


他甚至推断出这是由阿波罗17 号飞船采集来的样品,在参考美国公布的数据后,他告诉美国人,你们这块岩石的编号是70017-291。


美国人吓了一跳,哎哟你们全知道了。


阿波罗17号采回的70017样品,重2957克,美国将其中1克赠送给中国 | 月球与行星研究所(LPI)


他就是“嫦娥之父”欧阳自远,“嫦娥”探月工程首席科学家。他当时一定不会想到,42年后的嫦娥五号,一次挖回来2公斤月球样品。


一扫当年的窘迫。


12月17日凌晨2点,嫦娥五号的返回器降落在蒙古四子王旗草原,里面2公斤月样将向欧阳自远敞开更多的秘密。


两公斤月亮土特产回来了 | 新华社


对于中国这次探月行动,美国国家航空航天局(NASA)发了一条推特,期待中透露些许担心被拒的幽怨:“你们到月球挖土,找到好东西要分享哦,别忘了人家当年的好处哦。”


月亮活着吗?


从1969年到1972年,美国6次将12人送上月球挖土,“一镐一镐”挖回来361.7公斤月球样品。


1971年“阿波罗15号”降落在月球上的亚平宁山,戴维·斯科特从月球车下来没走几步,就踢到一块水晶,在白色与灰色之间轮转,非常美丽。


同伴詹姆斯·欧文当时心有所感,仿佛这块水晶正在那儿等待他们的到来。


他们认为这是原始月壳的一块,至少有45亿年历史,并将其命名为“起源石”,这是阿波罗计划带回来最著名的月球样品。


起源石,N1表示1英寸 | 月球与行星研究所(LPI)


后来经纽约州立大学石溪分校的科学家精准测定,“起源石”的准确年龄大约在41.5亿岁,比预估的年轻了好几亿年。


阿波罗16号任务中获得的一块钙长石拥有44.6亿年的历史,才是迄今地球上原生与天外最古老的石头。


不过这块石头其貌不扬,也没个好名字,仅被称为“月球样品” 67215,名气比“起源石”差远了。


地球上最古老的石头 | 月球与行星研究所(LPI)


“阿波罗12号”指令长阿兰·比恩是第4个登上月球的人,他曾在上面发誓:“如果我能回到地球,我将做自己喜欢做的事。”


比恩喜欢做的事是绘画,他用混合了月尘的油彩绘画,画的全是他看过的月球景色,其中一幅“阿波罗精神”在其个人官网上售价高达433700美元。


醋醋更喜欢这幅“有人在那儿吗?”原版不卖,Giclées画廊出售签名印刷版1100美元 | Giclées画廊


当比恩毫不吝惜挥毫泼墨之际,欧阳自远领衔的中科院地球化学研究所正围着0.5克月球石忙碌,慎之又慎。


这后面还排着一串长队等着做研究,中科院原子能研究所、中科院原子核研究所、中科院长春应用化学研究所、中科院高能物理研究所、冶金工业部昆明冶金研究所、石油工业部上海石油化工厂……


就算这次我们带回来2公斤月球样品,相比美国361.7公斤依然是小巫见大巫,美国人到底图啥呢,难道真的是别人家的更香?


还得从当年美苏太空争霸说起,放卫星上天,加加林从太空看地球,苏联人赢得两轮头彩,让美国急得不行。


1961年肯尼迪放下狠话,10年内美国必须抢在苏联人前面登月,“阿波罗”登月计划从此正式开始。


这个任务过程很复杂,结果很简单,只要送人到月球上走一走就算赢,至于落在月球哪里根本不重要。


月球正面低纬度地区离地球近,为降低任务难度,美苏航天器着陆点都在这个范围内。


美国6次成功载人登月,着陆点位于南纬10°到北纬30°之间。苏联有三次无人探测器带回样品,着陆点在北纬0°到北纬12°之间。


1969年7月20日世界时20:17,阿波罗11号登月舱降落在月球上,着陆点约在北纬0°东经23°,阿姆斯特朗爬出舱门的时候,苏联月球15号刚好从他头上掠过。


苏联月球15号飞过美国阿波罗11号登月舱上空


所以说,美国登月真假苏联人最清楚,世界各国都在38万公里远的地球看电视直播,苏联人却是在月球上空眼巴巴望着。


月球15号是嫦娥五号的先驱,它在阿波罗11号发射前三天升空,希望抢先美国人登陆月球采样返回,好让苏联人挽回一点颜面。为了避免与阿波罗11号相撞,苏联还把月球15号的轨道参数透露给了美国。


然而天不遂人愿,月球15号坠毁失事。苏联选的着陆点有问题,那片地方表面极其平坦,但是有重力增强,导致传感器出现偏差,地面指挥月球15号下降,以为还在空中的时候,下一刻就撞在了地上。


它的遗愿只能等到一年后的月球16号完成,其着陆点约在北纬0°东经56°,与阿波罗11号着陆点都在赤道上,东西相差23°,差不多697公里远。


阿波罗11号落地区域叫“静海”,月球15号落地区域叫“危海”,月球16号落地区域叫“丰富海”,它们都是意大利神学家乔万尼·里乔利在1651年一拍脑袋取的名字。


“危海”重力增强,说明地下有高密度物质,形成了质量瘤,至于是什么物质,只有留待以后深度钻探才知道。


右边那处洼地即是危海 | 摄影:鲍国全,《天文爱好者》2018年第11期


美国人将首次登月地点选在“静海”而非“危海”,倒不是趋吉避凶,而是因为1968年美国五艘月球探测器在“危海”中心探测到了月球上最大的质量瘤,美国人感觉惹不起就闪了。


战斗民族的脾气是不服就干,月球16号、20号在“丰富海”采样返回成功后,苏联卯上了“危海”,誓要告慰月球15号的在天之灵。


1974年11月,月球23号在“危海”东南(北纬12.43°东经 62.12°)降落时因发生侧翻而失败;


1976年8月18日,月球24号在距上次躺倒的地方2.3公里处成功着陆,并带回地球170克月表下方2米深处的月样。


苏联人出了这口恶气后,人类再无探测器登陆月球采样,直到2020年嫦娥五号翩然而至。


美苏月球采样统计


美苏月球采样一共382KG,可都是无价之宝。2018年,纽约苏富比拍卖行拍卖了3粒小型月球岩石,总重量为0.2克,最终以85.5万美元成交。


以此计算,每克月球岩石的价格应该为427.5万美元。以今天的人民币对美元的汇率,兑换成人民币大概为2796.7万元。


当然月样的价值不是金钱可以衡量的,美国对嫦娥五号采样感兴趣,主要还在于它的着陆点与众不同,那里远离阿波罗和月球号采样区,极可能存在与之前的样品不同的岩石类型。


嫦娥五号着陆地区吕姆克山 | NASA


国家天文台研究员郑永春介绍说:“每一个着陆点的选择,其实是工程上的安全性、技术上的可行性,以及科学上的丰富性,以这三点共同考量。”


2018年中国地质大学(武汉)教授肖龙研究组发表了一篇论文,强烈建议嫦娥五号在吕姆克山东部的Em4地质区着陆,这里约形成于12亿年前,是吕姆克山及整个月球最年轻的区域。


醋醋看了新华社的报道,嫦娥五号着陆点在北纬43.1°西经51.8°,正好位于Em4地质区。




月球火山运动到32亿年前就基本上结束了,美苏着陆地区采集的月样,年龄集中在44亿至31亿年前。嫦娥五号带回来的将是距今最近一次的月球岩浆活动的样品。


通过对这些样品的研究,科学家可以试图解释月球,作为一个相对较小的天体,内部为何能够存在如此长久的岩浆活动,从而可能提出新的月球内部演化模型,并为其他行星的演化过程提供参考。


2014年7月27日,《自然:地球科学》杂志一篇论文声称月球仍然“活着”,其内部依旧存在熔融状态,而非冷却变硬。


论文来自一个由中国地质大学(武汉)、武汉大学、中科院国家天文台、日本国立天文台等机构的科研人员组成的国际研究小组,其研究结果和其他一些发生在月球上的活动,如深部月震和月球自转不均匀变化等,都是观点的有力支持。


嫦娥五号带回来的月样可能进一步支持或否定这个观点,为人类提供完整的月球历史,这将彻底改变我们对月球和太阳系的理解。


你说美国人能不眼馋吗?


月亮湿了


在月样研究上,美国曾经吃过一次大亏,付出的代价可能是在重返月球的赛道上当了兔子,漫无目的跑跑停停。


今年10月26日,NASA宣布“首次”在有阳光照射的月球表面发现水,全世界媒体蜂拥报道,只有俄媒泼来一盆冷水:“这事儿我们40多年前就晓得了。”


研究1976年月球24号从危海带回的月球样品,三位苏联科学家发现月球土壤大约包含0.1%的水,而更多的水出现在月球表面以下。


危海样品采集于北纬12.43°,相当于地球的热带地区,常年被阳光照耀。


1978年苏联科学杂志《地球化学》(Geokhimiia)发布了这项研究成果,论文署名为M.V.阿卡曼诺夫、B.V.迪米特夫和M.N.马科夫。


由于样本有限,外界难以重复实验,再加上冷战期间苏联与西方几乎互不往来,导致这项重大发现几十年内无人问津。


更让美国人想哭的是,1976年美苏为了缓和关系互换了1克月球岩石,苏联这1克就来自于170克危海样品。坐拥361.7公斤月球样品的美国人八成没把这当一回事,随手扔到了一边没有好好研究,否则何至于到现在才发现月球有水。


此次NASA在月球南半球的克拉维乌斯火山口发现了水分子,它们困在岩石晶体中无法逃逸,浓度为百万分之100至412,相当于1立方米的土壤中,含有355毫升的水。这比危海样品0.1%(百万分之1000)的水少了一半多。


在月球找水的路上,170克 VS 361.7公斤,危海赢,果然危险的地方都藏有大机遇。


1998年与2009年,美国先后发射探测器,通过中子探测仪与3微米红外波段探测,发现月球有水的间接证据氢,并绘制了月球南北两极的水冰分布。


上图显示了月球南极(左)和北极(右)的表面冰的分布,由NASA的月球矿物学测绘仪绘制。图像中蓝色表示冰位置,灰度对应于表面温度(较暗表示较冷区域,较浅表示较暖区域)


不过氢既可能是水也可能是羟基的组成,所以月球上的水还有争议,此次NASA动用搭载波音747客机上的SOFIA望远镜,用6微米红外波段终于看到了不同于羟基的水分子特征,月球上有水才铁板钉钉。


下一步,找出月岩、月壤中的水有哪些成因和赋存状态,这是嫦娥五号带回来的两公斤月样要解答的科学问题之一。


建设月球基地,水资源无比珍贵。人类的工作生活离不开水,水分解成氢氧,氧气和水供人呼吸饮用、使植物生长,氢和氧还可作为火箭燃料,供飞船返回地球或前往火星或更远的星际探险。


我们现在从地球向月球发射一升瓶装水的成本为3.5万美元,这个成本非常大。无法在当地取水,月球基地就很难维持下去,这也是为何在阿波罗计划完成之后,美国喊了半个世纪重返月球建基地却至今没见到影子的重要原因。


现在好了,月球终于湿了,月球基地还会远吗?


事实上,2019年嫦娥四号在月球背面南极——艾特肯盆地内的冯·卡门撞击坑内着陆,就是给未来的月球南极基地打前站。


月球两极有些地方是永久性阴影区,温度一般都在-163.15摄氏度,彗星陨石带来的水分,或者它们撞击羟基转化的水分都被极低温禁锢在陨石坑中,形成一个个深井冰,叫做“冷阱”。


在这里,水不仅是结冰那么简单,还会硬得像一块石头,并且在长达10亿年的时间内都被冰封在这里。


这些冷阱超过一半(60%)位于月球的南半球,且大多数位于纬度超过80度的地区。科学家估计月球表面的冷阱加起来有超过40000平方公里的水冰,相当于安大略湖的两倍。


月球上有很多深井冰


月球南极沙克尔顿环形山附近,有一个区域80%的时间处于阳光的照射之下,10公里外还有两个区域,总共有98%的时间处于阳光的照射之下。而在不远处就有一些冷阱,人类可以很方便地利用太阳能获取月球储存的冰资源。


这里是建立第一个月球基地的理想区域。水资源保证了基地的长期运作,为进军火星铺路,还有利于开采月球上的“石油”氦-3,这是一种理想的核聚变原料,整个地球的储量只有20吨,月球总储量大约为100万吨,可以满足全球人类一万年的能源需求。


虽然联合国在1984年通过了《关于各国在月球和其他天体上活动的协定》,简称《月球协定》,规定月球及其自然资源是人类共同的财产,但几个航天大国根本就没把《月球协定》当一回事儿,签约国都是些无望登月的小国。


基于“先来先得”放之四海皆准的规矩,对月球资源与空间的利用取决于谁更能建基地。


本来美国在这方面遥遥领先,阿波罗计划完成后,下一步就是建设月球基地,但一来当时不确定月球有水,花费太大实际回报太小;二来苏联人跑不动已经下场休息,美国干脆也拍拍屁股走人,玩航天飞机与空间站去了。


50年后,美国突然发现,这条赛道多了一名中国选手。


星辰大海


1994年1月25日,美国发射“克莱门汀”探测器再探月球,一大任务就是找水,奏响了人类重返月球的序曲。


眼看老司机有新动作,欧洲日本闹着也要上车,当年5月31日~6月3日拉上美、俄在瑞士贝阿滕贝召开征服月球研讨会,计划2015~2020年人类再次登上月球并在那里建立月球基地。


月球似乎垂手可得,第二年这些国家又在德国汉堡召开了有关月球资源的会议,协调各方利益制定瓜分策略。


虽然中国没有参加上述会议,但也有一个人在1994年开始深入规划中国的探月工程,他提交了《我国开展月球探测的必要性与可行性》报告并获得通过。


这个人就是欧阳自远,自1978年研究了美国那半克月球石之后,登月的种子就在他的心中发芽。


欧阳自远本来是学地质的,他在1952年考入北京地质学院(现中国地质大学),当时是为了响应新中国要成为一个工业国的召唤:年轻的学子们,你们应该唤醒沉睡的高山,让它们献出无尽的宝藏。


1957年苏联发射第一个人造地球卫星,欧阳自远意识到通过卫星可以逐步把整个地球看清楚,以后找矿更容易,一下把他的视野从地下拉到了天上。


当时的中国没有条件发射卫星,登月更是遥不可及,研究天上的东西只能从掉下来的陨石入手,欧阳自远从此与这些黑乎乎的天外来客打上了交道。


1960年,欧阳自远在地质所建立了天体化学与核子地球化学研究组,开启了我国陨石系统研究,1976年吉林陨石雨给了千载难逢的研究场景,从此中科院都知道了有一个人专门做天上的东西,也就有了后来研究月球石的机会。


机会都是留给有准备的人。


在欧阳自远看来,月球、火星等星球其实都是天上的地球,同样需要人类的唤醒。


通过他的发起推动,从1994年到2003年,我国的登月计划经历了10年的预研准备,同时运载火箭、航天测控网、地面发射场都具备了发射探月卫星的条件。


2004年我国宣布正式启动探月工程,采用家喻户晓的“嫦娥”命名,分为绕、落、回三个阶段,制定了2020年以前在月球采样返回的目标,为以后的载人登月、建设月球基地打下基础。


16年来,中国基本上按照原定计划一步一步地完成了所有的阶段目标。加上预研,中国的登月计划走过了26年春秋。


嚷着要瓜分月球的欧美日,这些年来都在干什么呢?


首先他们都制定了宏伟的目标,欧洲航天局计划在2020年将宇航员送上月球,日本计划在2020年前在月球上建造进行科学研究的基地。


美国在2004年由小布什政府宣布“太空探索新构想”,并在此基础上于2005年推出“星座计划”,力争在2015年让美国宇航员重返月球,在月球建立基地。


甚至印度都计划在2015年让宇航员登上月球。


只有中国把目标定得很低,2020年实现无人探测器登月采样返回就好。


他们开局也不错,就在我国宣布探月工程的前一年,2003年欧洲第一个月球探测器“smart-1号”顺利升空,日本第一颗绕月探测卫星“月亮女神”号于东京时间2007年9月14日发射,比嫦娥一号早40天。


然而结果现在大家也知道了,只有中国实现了在美俄之后从月球采样返回,具备了下一步载人登月以及建设月球基地的基础条件。欧洲日本印度吹过的牛全都泡了汤。


而美国重返月球也是几经波折,先是民主党奥巴马把共和党小布什的星座计划砍掉,然后是共和党特朗普上台发起“阿尔忒弥斯”计划,要在2024年将美国宇航员送上月球并建立月球基地。


由于俄国财力有限,实际上在登月建立基地这条赛道上,只有中国与美国站在了一起。


那么问题来了,嫦娥与阿尔忒弥斯这两个东西月亮女神谁领风骚?


2024年刚好在特朗普的连任任期内,具有政治意义。然而特朗普已经下台,民主党拜登更加关心气候问题,“阿尔忒弥斯”计划的前途也打上了一个大大的问号。


嫦娥五号之后,嫦娥六号计划在月球南极进行采样返回;嫦娥七号计划执行月球南极综合探测,包括地形地貌、物质成分等;嫦娥八号验证能否采用3D打印技术,利用月壤建科研基地……中国马不停蹄。


中国的探月工程也并非一帆风顺,比如2017年就计划送嫦娥五号上天,因为长征五号发动机爆炸,在确保万无一失之后才于今年实现月球挖土。


嫦娥五姑娘能够行云流水地完成任务胜利返回,在于很多步骤之前已经由她的姐姐们试验过了,只有几个步骤是完全的“新题型”。


步步为营,稳扎稳打,坚定不移,慢就是快。


制作:haibaraemily  出品:科普中国


中国的航天工程主要体现了两大原则:一是在能力不具备时要优先发展能力;二是在具备能力时要优先发展空间应用,让太空的高度资源与星球的土地资源为我所用。前者比如北斗导航系统,后者体现为欧阳自远从地质学的角度主导了嫦娥工程。


当然美国的航天能力依然是一头猛虎不可小视,如果SLS能够在2021年成功首飞,这种运载能力达到165吨超越土星五号的火箭,将大大推进美国重返月球的目标。


民间航天也是美国一大亮点,SpaceX正在研发的星舰,有效载荷最高可达150吨,飞船载人能力超过100人,远超当前上限7人,目标是可重复使用返回,前往月球火星等外星着陆。虽然最近一次实验SN8爆炸了,不过一旦成功就会改变人类航天规则。


甚至亚马逊这样的电商巨头也进入航天领域,欲与SpaceX一决高低。


所以前几天人民日报都有些着急,呼吁我国的互联网巨头别只顾着低头捡六便士,而不能抬头看月亮、展开赢得长远未来的科技创新。


此外,美国国际空间站的经验很多可以照搬到月球基地上。


总的来说,中国胜在整体计划的系统周密与连续性,在火箭运载技术上有待加强;美国胜在多年来技术积累的优势,但受政治干扰总是断档。


当年美苏争霸就好比百米短跑,一锤定音极具刺激性,这能让美国上下一心以举国之力与苏联竞争,一旦失去苏联这个对手,美国也就各回各家各找各妈。


中美之间形成的这种太空竞赛,更像是一场马拉松长跑,谁第一个建月球基地并不重要,重要的是长期稳定地持续下去,偏向于整体系统的工程能力,而非某个单项技术的突破,这方面中国人更具优势。


无需妄自菲薄,我们的前方是星辰大海。


栾树林


12月初的深冬早晨,天还没亮透,林荫道挤满了车灯闪烁。


两边长有成排的栾树,绿叶夹杂着红色小叶犹如连串的灯笼,令人赏心悦目。


道路早早开始繁忙,因为它通向附近一所小学,司机们大多是送孩子上学的家长。


醋醋亦是其中一员,车内空调吐着暖气,将冬寒挡在车外,坐在后排的菲菲突然问道:嫦娥五号去月球挖土有什么用?


我想起1970年NASA《人类为什么要探索太空》这封信,专门回答此类问题。


一位赞比亚修女写信质问NASA,地球上还有这么多吃不饱穿不暖的小孩,NASA怎么舍得投入数十亿美元探索火星。


NASA很认真地回了信,主要意思就是太空探索能够激发出人类强大的创新精神,产生各种技术突破解决那些前所未有的难题。


技术突破不仅帮助科学探索,转化成民用产品后,也极大地改变了我们的日常生活,如增产粮食比传统方式解决饥荒高效得多,微波炉、购物计价的条形码,甚至婴儿穿的纸尿裤,都是来自于太空项目的发明。


这些答案都很好,但我认为NASA隐藏了主要事实,当时人类的太空探索并不是一项纯粹的科学活动,而是美苏争霸的政治原因所致。


1970年正是火星计划遭受美国国会质询的关键时期,NASA对这封回信大张旗鼓不排除有公关嫌疑。


然而随着苏联退出太空竞赛,火星探索也就变得遥遥无期,这也说明NASA的答案更多是一种结果倒推,而非真正的原因。


反而是现在,人类的太空探索更加趋向于科学与应用的目的,那种政治挂帅的象征性胜利变得并不重要。


其实1992年前后,国内就有人提出了“嫦娥奔月”的想法,希望在5年内用运载火箭往月球上发射一个象征中国的铁质标志,永远地将其“烙”在月球上,以迎庆1997年香港回归,扬国威、鼓志气。这个报告打到中央后很快就被否决了。


醋醋看了欧阳自远与林文祝1995年发表的文章《重返月球》,通篇都是在讲科学讲应用。


NASA回信有一段话讲得很好:


如果国家之间不再比拼轰炸机和远程导弹,取而代之比拼月球飞船的性能,那将避免多少战乱之苦!聪慧的胜利者将满怀希望,失败者也不用饱尝痛苦,不再埋下仇恨的种子,不再带来复仇的战争。


如此,中美以及全世界的太空长跑,每个人都是赢家。


真正要拼的是“子子孙孙无穷尽也”的下一代对科学的传承,正如这片栾树林一样,郁郁葱葱。


各国月球计划,已实现的与将要实现的 | 月球与行星研究所(LPI)


本文来自公众号:醋话集(ID:cuhuaji),作者: 醋醋

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