成功取回月球土特产,这项仪器发挥了重

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我们国家的探月工程，大致分为绕、落、回三部曲，与此同时，“嫦娥五号”是中国航天史上系统最复杂、难度最大的任务。不仅因为探测器的复杂性强，而且需要精确的控制降落速度，对月表的平整度要求极高。我们使用中国方案来解决中国的问题，通过激光三维慧眼解决这一实时性的问题。科学家如何研究深空发展史？激光三维慧眼是怎样炼成的？“嫦娥五号”取回样品又面临着哪些考验？

出品：格致论道讲坛

以下内容为中国科学院上海技术物理研究所副所长、研究员舒嵘演讲实录：

最近网上大家应该都看到关于“嫦娥五号”一系列的故事。

大家都知道我们最主要的目的是要到月球上去采“土特产”回来，那么在没有采“土特产”回来之前，我们的科学家如何来研究深空的发展史？

陨石就是一个很好的手段。

陨石是一种能穿过大气层，没有完全破碎的一种石头，它带来了很多深空的宇宙形成的一些要素或密码。

火星上有没有生命，实际上一直是科学界大家比较争论的话题，大家非常有兴趣的寻找地外生命。

在这块陨石里面，我发现了疑似一种细菌的化石，引起了我们很多的遐思。

从地球寻石到太空采样

在地球上的陨石其实是很多的，以月球陨石为例，月球陨石在地球上大概要达到几百公斤的量级。

但是人类最想的还是直接到月球上采集陨石，比如美国的“阿波罗计划”以及前苏联的“月球号”带回的样品。

实际上，从月球上带回的陨石样品还是有限的。

中国第一次去月球，要达到两公斤左右。

实际上，从上个世纪六十年代的“阿波罗计划”，一直到最近。

实际上大家在月球上，像美国和前苏联开展了一系列的探月活动。

中国从年以后也进入了月球。

实际上，去月球还是比较困难的一件事，原来在“嫦娥一号”、“嫦娥三号”成功的时候，我自己也觉得是挺容易的一件事。

但是年，以色列和印度都在落月的最后的一个关头失败了。

我觉得这件事情其实不是那么容易的，那么我们国家的探月工程，实际上围绕着绕、落、回三部曲。

“嫦娥一号”实际上是要到达月球的。

我记得当时“嫦娥一号”在进入绕月轨道的时候，栾恩杰主任满怀热情地说，“我们绕起来了，绕起来了！”

中国人能够到月球轨道拍回一张照片，实际上已经是最大的成功了。

但是，我们在通过“嫦娥”二号、三号、四号这三颗卫星上，实际上实现了对月球着陆区的详细勘探。

从“嫦娥三号”的落月、“嫦娥四号”月球背面的着陆，应该说我们实际上一步一步地把月球探测走向了一个人类没干过的事情以及到这次的“嫦娥五号”。

我们又把两公斤的样品带回了地球。

“嫦娥四号”实际上是人类历史第一次在月球背面进行的一个软着陆。

这里我有一个非常深刻的体会，“嫦娥四号”在国际上从国际宇航联合会，包括英国航空协会以及日本纷纷给予了最高的奖项。

其实科学探索的精神就是要做人类从来没有做过的事情。

而月球的背面是人类第一次到月球的背面去进行软着陆现场的勘探。

所以说，科学探索的精神就在于做从来没有干过的事情，那么到月球的背面去，我们要带哪些有用的手段？

我这边简单介绍一件事，我们到月球背面带了一个在月球车红旗的下方，有一个叫红外成像光谱仪。

成像光谱大家可能觉得比较深奥，实际上大家都知道彩色照相机是一个RGB的多光谱相机。

如果说把这个光谱波段用棱镜分光的方法，可以把它分得更精细。

我们可以得到一个连续的谱，我们都有教科书，大家都比较熟悉。

如果书里的每一页纸看到的是同一个景象，但是每一页代表不同的波长，那么实际上这就是一个成像光谱仪可以提供的数据。

我们可以看到几何特征，同时还能看到每一个点的光谱特征。

那么，我们就可以知道它是什么样子，还能知道它是属于哪一类。

我们在“玉兔二号”上面带的这个光谱仪，它带有一个短波红外的成像功能波段到短波红外。

我们在月球的第二个昼夜开机确认了月壤的一个成分，这也验证了深度撞击坑的一个支撑。

在第三个月昼，我们探测到了一块非常有趣的白色石头。

我们科学家对这块石头非常感兴趣，为了它进行了一个多次的光谱采样。

那么通过它的光谱的特征采集和遥感数据的比对，我们觉得这块石头是右边两块撞击坑的溅射物，在历史上的一次冲击被撞到这个地方。

实际上，它也间接的证明了这块石头的来源。

“嫦娥四号”在月球上做了这么多勘探以后，大家对这个样品的取回实际上是非常感兴趣。

应该说“嫦娥五号”从年11月24号文昌凌晨发射以后到年12月17号，我们的返回器携带着月球的“土特产”在四子王旗着陆场降落。

这个过程，实际上我觉得是非常艰辛的。

因为“胖五”（嫦娥五号）等待这个发射的时刻已经等了整整五年。

因为我们在年年底就已经完成了“嫦娥五号”载荷的各项研制工作，由于“长征五号”前两次的失利使得我们发射的时间一推再推。

在这个延迟的过程中，我们实际上非常担心的是有的设备存储时间长了会不会失效仪器？寿命会不会有影响？

其实在这个过程中，我们的科研人员日日夜夜继续围绕着寿命，继续围绕着故障预案做了大量地日以继夜的工作。

大家看到这次“嫦娥五号”非常的顺利，其实背后有我们科研人员非常艰辛的付出。

航天事业是非常具有风险和挑战的一个事业，所以我们任何一个大的动作都要做一些成熟性的验证。

以“嫦娥五号”入轨的整个过程来看，我们在地球起飞到月球的绕月过程通过了“嫦娥一号”跟“嫦娥二号”的一个验证。

应该说这个轨道目前是非常成熟的，从月球轨道返回地球。

我们在前几年（年）做了一次“嫦娥五号”5T的一个任务，通过5T的任务我们验证了重返地球大气层，把样品如何取回这么一个阶段。

所以说这次“嫦娥五号”最大的看点，其实就是月面的起飞和月面在轨的对接。

那么“嫦娥三号”和“嫦娥四号”，把落月的这个过程进行了一个丰富的验证，这一次的“嫦娥五号”应该是我们中国的航天史上系统最复杂、难度最大的一次。

为什么呢？

实际上是因为探测器的复杂性非常高，它是由上升器、着陆器、返回器和轨道器，“四器”。

像变形金刚一样的组成了不同的组合体，在落月之前进入了环月轨道，着陆上升器和轨道返回器进行了分离。

下面一张图实际上说明了分离的一个过程，分离以后，轨道返回器在轨道上进行绕轨运行等待着着陆上升器的返回与上升器的返回进行对接，然后带着上升器回到地球轨道。

其实，在地外行星的降落风险是非常大的。

据不完全统计，深空探测落到行星上的成功概率是50%。

大家可以看到这张照片，实际上是降落相机拍到的一个落月的实拍照片。

我们是在15公里的高度进行了正式的降落，大家可以看到刚才这个动作是在2.5公里进行了一个转向，垂直对准月面。

在米进入一个悬停段，图像中可以看到已经停了，有一个平移的过程然后进行下降。

所以说，咱们这个动作实际上是非常的连贯。

但是在最后的秒中风险是非常大的，而且在这秒里面，我们地面控制是没有办法干预的，完全是靠在轨的设备自动进行控制的。

落月过程中除了发动机以外，最核心要知道自己离月球有多远。

所以说激光测距敏感器起到了一个“眼睛”的作用，它像一把标尺，时刻告诉计算机我们的着陆器离月球的表面还有多远的距离。

右边这张图显示了整个落月的一个飘浮过程，大家可以看到整个弹道是先下降，然后有一个上升。

实际上是为了有一个更好的垂直距离向下，进行了轨道的设计。

在2.5公里的时候激光测速敏感器就开机了。

激光测速敏感器是为了要解决我们速度的一个测量问题。

大家都知道这个速度要平稳下降。

因为“嫦娥五号”的重量非常重，只有速度测得越准着陆器降落才能越准，而且也能越稳。

这为我们后续的起飞也能创造非常好的条件。

激光测速敏感器采用的是相干多普勒的测量方法，这个目前也是国际上第一次在地外天体采用相干多普勒测速方法实现速度的一个测量，精度达到了0.1米/秒。

我前面说过，印度在落月的过程中，在最后的一刻失败了。

为什么会失败呢？里面有很多原因。

其中有一点，印度人分析因为他们在上面也搭载了激光测速敏感器，但是在落月之前在地面测试的时候，它的敏感器的性能不太好，所以它在落月的过程中没有使用。

他的分析在最后那一刻砸向了月球，其实还是速度的控制，这是非常大的问题。所以说速度的控制是一件非常重要的事。

有了这两样法宝以后，我们能够精准又平稳地落到了月球的近月面。

到了米的高度，实际上最后我们的降落器是四条腿支撑的这种方式进行降落。

大家都知道在火星上面，美国人用了几种新的方法，比如说用气囊的弹跳式还有像直升飞机一样的把它悬挂到了火星的表面，然后用根绳子把火星车放下来。

但是我们在月球上面，这么重的一个设备我们用的是四条腿，那么对月表的平整度以及坑的高高低低的要求就非常高。

激光三维慧眼是怎样炼成的？

如何来解决这么一个实时性的问题？我们需要在一秒钟拍完这个数据，然后在10秒之内进行判断。

牛发动机要维持10秒的月球的引力，然后再缓慢下降。

所以在这里面，我们是用了中国的方案解决中国的问题。

因为我们计算机的速度不如美国那么好，我们的姿态测量精度也不如美国的传感器那么高。

所以我们要用这个传感器解决月球表面的三维的地形测量，那么测量精度要做到什么呢？

要在一个米的高度，对一个50米×50米的区域达到把0.2米的坑和石头区别出来。

另外一个坡度要小于8度，寻找这么一个安全着陆区。

在刚才这样的约束下，我们实际上是采用了一种新的方法。

既然我们的平台是在牛的发动机推动下它会晃动，那么我们如果用一个波束去扫这个面的话，时间会非常长，这个平面也会变成不平整。

但是我们如果用16个激光点，也就相当于用16把扫帚同时去扫一个房间的话，时间会提高16倍，相当于把照相机快门的时间提高了16倍，就能一下子进行一个精准的成像。

这也就是我们这个法宝提出的一个新的idea，在当时做这个项目的时候是非常早，大家现在在车载激光雷达里面见的是比较多的。

我们现在在无人驾驶车里面用多波数激光雷达来实现障碍物的一个选择和避障。

但是在十年前，我们在做这个项目的时候，当时这个概念还是最新的提出。

但是16个激光点它引起的这个距离信息实际上是有很大的差异，那么在这里面如何来演练成这件事非常的难。

首先我们要在模型上面建立一个算法，这个模型是不是精准？模型要进行简化才能变成什么计算既能跑，但还要变成一个内嵌入式的DSP能够进行计算。

第二点就是刚才说的16个波束是不一致的，那么我们怎么来检校这16个波束，我们在上海同济大学建了由八块这样的板构成的。

大家可以看到在这个图的后方，这八块板每块是2米×8米那么高，模拟了不同的距离。

这个距离是从80米到米的宽度，坡度实现了从正负10度这么一个范围，这也是模拟我们降月过程中的悬停高度。

我们标称高度是米，然后能够适应80到米。

另外大家可以看到它的反射率是不一样的，颜色也是不一样的，表面反射率从6%到20%都能够适应。

所以说这几块板要求是非常高的。

另外，这几块板还要非常平，因为我们是拿它做基准的。

这几块板一定要达到厘米，就是小于一公分的一个平整度，实际上我们做到的是毫米量级。

那么在靠近咱们这个地方是一个经纬仪。

我们要用这个经纬仪，建立一个标准的目标靶的一个靶场，然后再用我们的激光三维成像敏感器，也拍一个一样的数据，两个解算出一组方程。

大家可以看到，这个是我们在仪器做好了以后，我们看是不是能避障？能力怎么样？做了一些模拟的月坑。

把我们的敏感器，用吊车吊起来实时拍这个照片，然后通过这个数据的检校。

大家看一下左边在检校之前，实际上只能识别出六个坑。

但是我们检校以后能够识别出六十七个障碍物，这个大大地使得我们的真实度达到了百分百。

我们这个设备在北京还模拟了月球低重力情况下的米塔吊的实验，牛发动机也进行了实时的工作。

有一个比较有趣的现象就是当风吹的时候，我们的羽流会影响激光数据，但实际上在真空里面，由于真空下羽流扩散的时间非常长，所以数据是非常好的。

“嫦娥五号”落到了月球，其实在前面的三个激光的测距、测速加三维实现了月球的降落。

那天在落月的过程中，实际上做到这一步。

样品取回的考验

我们的各位总师，他们其实觉得这件事已经做了第三次了，成功是应该的，不成功是不应该的，真正的考验就开始了。

首先第一个是采样，因为我们这次最主要的就是要带样品返回地球，那么在采样的过程中，首先干的第一件事就是“钻取”。

在钻取的时候，我们的预计设计实际上是两米的深度，在钻取之前，有一个探地雷达进行了实时的地形的一个勘探。

我们发现在探地雷达里面，实际上在一米的区域底下有石头，有不同的反射率，有差异。

所以我们实际这一次的钻取深度在0.9米就停了，前面钻得非常快，在0.9米停下来以后，我们就进行了样品的取回。

样品取回风险还是比较大的，美国在火星上进行取样也还是有风险，我们的样品取回的时候，在前两次也不是特别成功。

第三次是成功的把样品，从钻头里面把它取到了容器里面，做完钻取以后就要进行铲取。

进行铲取的话，肯定想挑最有价值的带回地球，这时候月球矿物光谱分析就发挥了作用。

我们在“嫦娥四号”里面，用光谱仪去鉴别了月壤的类型。

那么在“嫦娥五号”里面就用它来挑石头，挑哪一块区域更好？

我们在铲取的一个面上，装了一台短波-中波红外的月球矿物光分析。

这个波长能覆盖到三微米，当时有一个设想，波段的延伸是想看看着陆区的地方有没有可能有水？

实际上我们目前做下来，应该说是没有看到这个信号，那么落到月球上以后，首先要知道我们到底采哪一块石头是有意义的。

首先用环视相机、全景相机进行了着陆区的一个环拍。

大家可以看中间这张图非常的清晰，然后迅速地，地面的科研人员把这张图做成了我们左边这张图。

这个扇形区是我们的铲子能够到的地方，中间的一个梯形区是我们成像光谱议拍到的地方。

最后选择了四个点，我们在四个点一共铲了11下，把这个样品装到了我们的容器里面。

我们的光谱仪在铲之前铲的过程中和之后都进行了光谱的测量。

由于我们样品采样点是有限的，所以我们光谱议把现场的很多数据都进行了采集，让它带回来。

“嫦娥五号”落月的着陆点的选择，我们的科学家还是花了很大的功夫的。

因为美国跟苏联已经去过很多次月球了，我们选择了一个偏远的地方，也远离我们“嫦娥四号”和美苏他们去过的落点。

“嫦娥五号”实际上带回的样品年龄是比较年轻的，正好是这条曲线的中间部分，填补了全世界月球样品年龄段的一个空白区。

这对于岩浆喷发的方式跟历史的研究具有很好的意义。

刚才说了我们“嫦娥五号”的难点就在于起飞，这也是第一次干。

我觉得起飞里面最核心的就是降落。

为什么这么说呢？

因为降的地一定要平，所以通过我们这次降落，用三维成像找的区域。

实际上我们的降落区地的平坦区域小于两度，所以对我们的起飞创造了一个非常良好的条件。

起飞以后，我们在轨跟轨道器进行对接，交汇对接在地球轨道也做过很多次。

我们的载人航天做交汇对接，这个是我们第一次在月球轨道做交汇对接，里面的方式方法手段也跟地球轨道大致相当。

但是大家可以看到右边，我们要把样品从上升器给它移到返回器里面，实际上运动部件在空间是非常难的。

我们在地面做一个动作是非常容易，在太空里面做一个机械动作是非常难。

大家知道“嫦娥三号”为什么月球车跑了一个月昼，最后醒来以后它就动不了？

那就是运动机构出了问题，所以我们搞航天的都知道运动机构是一个风险巨大的机构。

这么复杂的转移机构的成功也非常的重要。

在轨对接的那一天实际上日本也发布了一个新闻，它的“隼鸟2号”已经到达了地球。

那么到底“隼鸟2号”去小行星采样比我们月球厉害还是差呢？

那么我想只谈一点，我们的月球去降落要用到牛的发动机，发动机的推力要非常大。

日本早期一直说要到达月球，但是日本由于发动机水平没有达到这么一个高度，所以它只能去做小行星的探测。

小行星探测在动力方面肯定是不如我们“嫦娥五号”的。

另外一个我们“嫦娥五号”有一个敏感器，应该说覆盖了小行星探测的一些需求。

年12月19日早上我们的月壤已经从航天研制单位转到了我们科学家团队，它的重量是克。

“隼鸟2号”花了这么大的代价其实取回来都是毫克量级。

所以说我们这一次的取得样品数量是非常好的，中国人也实现了早期提的“探月三步走”的一个承诺。

我们在年前实现样品的返回，那么月岩取回来以后，实际上有很多科学家的研究，也可以进行一个大众科普的工作。

另外，也可以开展很多国际的合作，欧阳自远院士就拿我们当初拿到的0.5克做了一批科研成果。

美国看到中国“嫦娥五号”的成功，其实在咱们落月的过程中美国宣布了它要重返月球。

所以在未来的十年，月球是非常热闹的一件事。

我们国家在未来的十年将在“嫦娥”登月、建立国际合作科考站以及在火星跟小行星探测过程中会将开展一系列的科研工作。

最后，我想月球成功了，我想我们的火星还在“奔火”的过程中，在年的春节能够到达火星。

谢谢大家！

“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”