“嫦娥五號”預計今年年底發射，中國的探月是如何開展的？專訪中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠

本文刊載於《三聯生活週刊》2019年第26期，原文標題《探月是深空探測的開始》

按照計劃，2019年年底“嫦娥五號工程”將實施，與四個“姐姐”單程繞月和落月並開展科學探測不同，“嫦娥五號”實現月面軟著陸後，不僅要開展月面探測活動，還要利用電鏟鏟取月表土壤樣品和鑽孔岩心取樣，並將其取得的全部樣品帶回地球。屆時，我國探月工程“繞、落、回”三期任務將畫上一個句點。

記者/王珊

中國探月工程的首任首席科學家歐陽自遠 （視覺中國供圖）

第二次探月高潮

三聯生活週刊：您曾說過，您為中國開展月球探測做了長期的準備，但是開始研究月球樣品與月亮結緣於上世紀70年代末，能否講講這種緣分，當時世界範圍內對月球的探索是什麼樣子的？

歐陽自遠：1978年5月，時任美國總統卡特的特使布熱津斯基來華，為中美正式建交做準備，他代表卡特總統向中國贈送了兩件禮物：一面中國國旗，一小塊月球岩石。他們走後，我們政府希望國內科學家研究一下那是不是月球上的石頭。那時，我因為搞過隕石等地外物質研究，就被找去領了任務。那塊石頭澆鑄在有機玻璃裡，外形做了一個凸透鏡，乍一看挺大的，砸開來只有黃豆大小，大約1克重。我不捨得用完，一半送給了北京天文館，請他們向公眾展出“月亮的石頭”，現在還在展出。另外一半，我們花了四個月的時間組織全國的相關實驗室進行系統深入研究，最後發現這塊石頭是“阿波羅17號”載人登月採集的70017-291號月球岩石，屬於高鈦月海玄武岩，我們相繼發表了14篇研究論文，它的形成與演化歷史我們都搞清楚了。

此時，第一次探月高潮剛剛結束。1958年至1976年，在冷戰背景下，美國和蘇聯展開了以月球探測為中心的空間霸權爭奪賽。在將近20年的時間裡，美國和蘇聯共發射108枚月球探測器，成功65枚，失敗43枚；成功率大約60%，失敗率大約40%。1969年7月，美國“阿波羅11號”飛船登陸艙著陸月面，實現了人類首次登月，把人類的第一個腳印踩上了月球。之後，美國一共實現了6次載人登月，12名美國宇航員登陸月球；蘇聯由於火箭連續失敗，沒有一位宇航員登陸月球，蘇聯在競爭中徹底失敗。美國宇航員從月球帶回月球岩石和土壤樣品381.7千克和難以計數的科學數據；蘇聯三次發射機器自動取樣器，一共取得0.3千克月球土壤樣品返回地球。

蘇聯解體以後，美國基本停止了對月球的探索，轉而開展航天飛機和國際空間站活動，世界上的其他各個國家對探月也不再有什麼興趣，這樣的時間持續了有20多年。直到上世紀末本世紀初，包括中國、美國、歐空局、俄羅斯、日本、德國、英國、法國、印度、韓國等在內的十幾個國家和機構提出要再次展開對月球的探索，掀起了第二次探月高潮。

三聯生活週刊：第二次探月高潮與第一次有什麼不同？

歐陽自遠：第二次月球探測，世界各國的潮流呈現出一條非常清晰的軌跡——以月球資源、能源和特殊戰略地位的探測為主要任務，即由第一次探月高潮的“政治與科學兼具之旅”上升到“太空應用之旅”，開發與利用月球資源與能源，成為月球探測的主旋律。這後面的背景是人類居住的地球正遭受人口膨脹、資源匱乏、環境惡化、生態脆弱、災害頻發等方面的空前壓力，在改變人類生活方式以保護地球的同時，向太空開拓生存空間，索取資源與能源，正是人類社會可持續發展不可或缺的遠大戰略目標。

比如說，2006年，在一次閒聊中，我問過俄羅斯的探月首席科學家加里莫夫院士，俄羅斯探月的終極目標是什麼？他回答我說“為了解決全人類的能源問題”。我當時告訴加里莫夫院士，2007年“嫦娥一號”即將發射，我們將要探測全月球土壤層的厚度與分佈，獲得全月球氦-3資源的分佈和資源總量。氦-3是太陽風的重要組成部分，太陽風難以進入地球表面，但可以直接注入月球表面的土壤層中，因而月球表面的土壤層蘊藏有極其豐富的氦-3資源。氦-3是一個穩定的同位素，是未來核聚變發電的主要能源原料。根據理論測算，月球土壤層中氦-3的蘊藏總量有100萬～500萬噸。

後來，“嫦娥一號”的微波輻射計，精細測定了月球表面的亮度、溫度，計算出月球表面土壤層的厚度與分佈，獲得全月球土壤層中的氦-3資源分佈和資源總量為103萬～129萬噸。這個數量級別聽起來比地球上萬億噸級的煤和石油要少得多，但如果將來人類實現了氘-氦-3核聚變發電，每年只需要100噸氦-3就足以解決全人類一整年的能源需求。月球上的氦-3足以解決人類未來上萬年的能源需求。

2007年10月24日，四川西昌衛星發射中心，"嫦娥一號"衛星發射（視覺中國供圖）

無人月球探測：“繞、落、回”

三聯生活週刊：中國的探月是如何開始的？

歐陽自遠：1992年，我國“載人航天”項目國家批准立項。我是1993年通過中國空間技術學會向“863計劃”專家組提出中國開展月球探測工程的建議的，大的背景就是剛才提到的一點。另外一個情況跟我們國家的經濟實力、技術能力和科技隊伍的增強和提高也有關係。“863計劃”專家組要求遞交一份正式申請立項的報告。幾個月後，項目得以批准，我承擔的任務是提交《中國開展月球探測的必要性和可行性研究》報告，給了2.5萬元經費，研究期限是1～2年。

這份報告要說清楚的第一個問題，就是我們國家有沒有必要做這件事情，或者是不是推遲等國家富強了再做，因為月球探測這一塊牽扯麵太多，用錢也會很多。我從國內的科學積累到人才隊伍進行了論述，並指出我國的探測器系統、運載火箭系統、發射場系統、地面測控系統和地面應用系統是能夠承擔探月的任務的。評審時，專家委員會認為月球探測工程不僅不會拖我們國家經濟建設和國家發展的後腿，相反，還有能力推動科技進步、經濟發展和人才隊伍的成長。評審專家們的一致意見是，中國開展月球探測非常有必要，完全有可能！

不過，在項目後續論證的過程中，開始有反對的聲音出現。有人認為國際上已經接近20年沒有任何國家探測月球了，美國的“阿波羅計劃”後來也沒有了聲音，可見勞民傷財，得不償失，既然如此，中國為什麼還要走別人不走的老路呢？也有人認為，中國真要進入深空，那就盯住火星探測，不要炒冷飯。第三種看法則是從經費上考慮的，認為國家航天的蛋糕就這麼大，探月工程再切去一塊，別人還吃什麼？既然有興趣搞太空探測，可以利用過去已發射的衛星對太陽系進行觀測。但這樣的觀測其實就是在繞著地球轉的衛星上看太陽系，而不是直接到太陽系各層次的天體上進行科學探測。這口氣就有點像忙著打麻將的大人跟身邊湊熱鬧的孩子說：“你要玩，自己一邊玩去，打打遊戲，看看電視都成。”

好在，當時絕大多數兩院院士都支持開展月球探測工程。王大珩、陳芳允、楊嘉墀三位院士以“863計劃”的名義，發表了《我國月球探測發展的建議》，時任全國政協副主席徐匡迪發言說，如果認為不比別人高明就不去做了這種話是不符合實際的，如果按照這樣的邏輯，對國外一切先進的東西都不必學習、借鑑、研製，那麼我們今天還在坐牛車，住茅草房；而且中國人如果不做的話，那就只能買了，可月球能買嗎？月球資源、月球環境能進口嗎？

我當時自己算過探月一期工程的總經費，大概是14億元。那時在會上，我經常舉一個例子：在北京修建1000米地鐵的造價是7億元人民幣，即用在中國進行首次月球探測工程的錢，只需要在北京新建2000米地鐵的經費。探月第一期工程我們將建設月球探測的基礎設施，圓滿完成科學探測任務，培養一支月球探測工程技術隊伍和科學研究隊伍，為以後的深空探測打好堅實的基礎。

三聯生活週刊：我國月球探測第一階段劃分為“繞”“落”“回”三期，這些是怎麼確定的呢？

歐陽自遠：我們當時做了一個《中國月球探測的發展戰略和長遠規劃》。根據我國的科學技術水平、綜合國力和國家整體發展戰略，以及參考世界各國重返月球的戰略目標和實施計劃之後，科研人員認為，我國月球探測近期應不以載人為宗旨，是無人月球探測，而不是載人登月。我們當時把中國的無人月球探測階段分為三期，第一期是“環月衛星探測”，要做的是研製和發射我國第一顆極軌月球探測衛星，計劃環繞月球運行一年，對月球進行全球性、整體性和綜合性探測，執行工程任務的是“嫦娥一號”和“嫦娥二號”；第二期是“落月探測”，即在月面軟著陸，開展著陸器的就位探測與月球車的月面巡視勘察，兩種探索方式的結合，在國際上已有的探測方式中尚屬首次，執行工程任務的是“嫦娥三號”和“嫦娥四號”；第三期是“採樣返回”，這是在“嫦娥二期工程”基礎上的一個飛躍，更是後期載人登月工程的一個起點，它的突破在月面採集樣品技術、自動鑽孔取樣技術、返回艙返回地球技術等。我們將這三期工程稱為“中國無人月球探測三步走計劃”。

當然，如果從更長遠的探測來看，我們的月球探測則有三大階段：無人月球探測階段、載人登月階段、建立月球基地。時任國防科工委副主任、國家航天局局長欒恩傑聽了計劃後，他說為了方便公眾理解，將第一階段無人月球探測階段用簡明的“繞”“落”“回”取代，而三大階段則綜合簡化為“探”“登”“駐”，並指出三大階段是人類探測月球的共同途徑。

三聯生活週刊：您在工程裡擔任首席科學家，據說這是第一次在航天重大工程裡設置這樣一個職位？

歐陽自遠：是的。當時國防科工委成立了中國月球探測工程領導小組，欒恩傑為中國月球探測計劃“嫦娥一號工程”的總指揮，欒恩傑是哈爾濱工業大學自動控制專業畢業的，後來又在清華大學精密儀器專業讀研，參加工作後一直在導彈部隊或者導彈研製部門。任命孫家棟為總設計師，他曾是“東方紅一號”的總設計師，他的人生幾乎是我國航天事業發展史的一個縮影。

我是首席科學家，這是我國航天重大工程裡首次設置首席科學家一職。首席科學家的設立，意味著在以往航天重大工程裡具有的指揮系統、設計系統之外，現在又設立了科學家系統。除了設計我國月球探測的長遠規劃、發展戰略和首次探月的目標，確定所有的探測技術指標和要求外，科學家系統的職責還應建立好接收和研究系統，當探月衛星成功入軌之後，對從月球發回來的數據要接收、解碼、校正、儲存，生產多級高級數據，向全國或者全世界發佈科學探測數據，組織國內外科學家進行科學研究和編制各種圖件。

到現在，我感覺到“嫦娥工程”非常大的一個收穫是，我們這支隊伍成長起來了，你可以看到後續的“嫦娥二號”“嫦娥三號”“嫦娥四號”的組織隊伍已經不是我們這三架馬車上的老頭了，而是一批年輕的隊伍，裡面包括60後、70後、80後。他們都是從重擔底下成長的精英們。從科學數據、技術能力、知識水平、組織協調能力來看，年輕人太值得信賴了。

三聯生活週刊：嫦娥一號、二號、三號的任務的執行中，有什麼印象深刻的事情嗎？

歐陽自遠：作為我們國家對月球的首次探測，“嫦娥一號”有很多工作要做，有許多科學目標要達成，其中包括其他國家早已做過的一些基礎性工作。我們是後來者，凡是前人做過的工作，我們一定要比他們做得更好。比如，一張地圖，別人或許做過十幾個版本了，但我們要爭取做一張更精準的、更好的地形圖和三維立體圖。還有其他國家沒做過的工作，我們更要積極探索。本著這樣的初衷和要求，“嫦娥一號”自發射開始一直在規規矩矩地執行使命，歷時13天14個小時19分，行程206萬公里到達月球，接著保持距月表200公里的高度繞著月球飛行，並打開相機拍照。照相機在同一個位置會拍三張照片，鏡頭分別朝前、朝下、朝後，在飛行過程中，三張照片會被銜接起來。為什麼要這樣拍呢？因為想得到立體的照片。人有兩隻眼睛，看東西是兩個視角，組合起來看到的才是立體的畫面，那麼三個視角就更加全面立體了。憑藉這個辦法，我們得到了全世界最棒的月表地圖和三維立體圖。

“嫦娥一號”發射升空後，當指揮大廳裡宣佈“嫦娥一號”被月球成功捕獲，終於成為一顆真正的繞月衛星時，我跟孫家棟緊緊相抱，人類歷史上有太多的月球探測器因為沒有被月球捕獲而失敗，我們終於跨過了這個難關。我記得當時有媒體的鏡頭對著我，希望我談談自己當時的心情，我太激動了，一直在重複四個字，“繞起來了，繞起來了，繞起來了。”

要知道，我們的開始是非常難的。整個“嫦娥一號工程”，共有幾萬人參與，大多數人一開始並不瞭解月球，所以我們需要寫一部《月球科學概論》，還要有一本《嫦娥工程手冊》，讓工程人員瞭解有關月球已知的參數，這對他們的工程設計十分重要。《月球科學概論》有50多萬字，我們用幾個月的時間完成了初稿。

在“嫦娥一號”圓滿完成任務的情況下，“嫦娥二號”在2010年也發射升空了。這次我們膽子大了，直奔月球，原先這個過程花了13天，現在只要5天就到了。探測考察時“嫦娥二號”離月表距離更近，飛行高度100公里，相機經過改造之後可以像人眼一樣去拍攝。從它拍攝的照片中我們能清晰地看到月表上大大小小的坑洞，光是公里級（直徑幾公里）的就有三萬多個。最後我們對照片進行彙總，得到了一張分辨率可達七米的地圖。也就是說，地球上直徑大於7米的東西擱在月球上，它的圖像一定能清晰地被“嫦娥二號”捕捉到。

“嫦娥二號”只用了半年時間就完成了既定的月球探測任務，接著我們下達指令讓它飛到離地球150萬公里遠的日－地拉格朗日2點上打開儀器，監測太陽。這項工作持續了235天，其間積累了大量太陽活動的數據和證據。後來，在用望遠鏡觀測星空的過程中，我們發現了一顆小行星，它的名稱是“戰爭之神”，並預計它將大約在2029年飛臨地球附近甚至撞擊地球。鑑於不知道這顆行星的大小和具體情況，我們就又把“嫦娥二號”派去跟“戰爭之神”見面了。根據要求，“嫦娥二號”要飛行700萬公里，在與“戰爭之神”擦肩而過的瞬間對其進行拍照記錄。我們要求“嫦娥二號”與小行星“擦肩”而過的距離必須控制在一公里以內，不能太近也不能太遠，否則就會造成拍的照片不清晰或撞擊小行星而破碎。“嫦娥二號”做到了，在距離“戰爭之神”860米的時候與其擦肩而過，一瞬間就把小行星的形貌、大小、運行軌道和表面特徵搞清楚了，小行星長4.6千米，直徑2.4千米，表面有一些撞擊坑。當前，“嫦娥二號”已飛離地球4億多公里，成為一個人造小天體圍繞太陽運行，我們祝福它一路平安。

“嫦娥三號”是2013年12月發射的月球軟著陸探測器，由四條腿的月球著陸器和月面巡視探測器（月球車）兩部分組成，兩個部分都需要在月球軟著陸。按照我們的設計，探測器被月球捕獲後開始調整軌道，在距月表15公里的時候到達指定地點的上空進行著陸。在月球上著陸有一定的危險，如果不是軟著陸就會直接砸在月表摔得粉身碎骨。月球屬於真空環境，降落傘毫無作用，所以在著陸器的底部安裝了一個發動機把它往上推，卸掉一部分下墜的力，讓它緩慢地下落。下降到100米高度的時候要暫時停止下落，懸停在月球上空，著陸器挪來挪去地移動，拍攝月面地形地貌並尋找安全的著陸位置，地面不進行任何決策干預。著陸器的底部安裝了工程照相機，負責拍攝月面的地形地貌，著陸器的智能計算機立即對照片進行分析、計算、判斷並決策，是否能夠實現安全著陸。工程相機在整個著陸過程中一共拍了3764張照片，智能計算機立即選擇並決策安全著陸位置，最終“嫦娥三號”在智能計算機選定的著陸位置實施月面軟著陸。著陸器的四條腿平穩地著陸在一個平面上，然後月球車從著陸器上平穩地駛向月面，月球車開始巡視探測，著陸器進行就位探測。我們當時擔心著陸器無論哪一條腿砸到月表的小撞擊坑裡，都會造成前功盡棄的後果。事後我們在著陸點的附近16平方千米的區域精細製圖，發現有1萬多個密密麻麻分佈的大大小小的撞擊坑，“嫦娥三號”的四條腿能夠都落在平地上實在是太妙了。

到深空去

三聯生活週刊：2019年年初，“嫦娥四號”著陸在月球的背面，我們為什麼會這樣設計呢？為何沒有像其他國家一樣選擇落在正面？

歐陽自遠：第一，宇宙空間有來自各類天體發射的很多信息，特別是長波低頻輻射，地球上接收不到。很多宇宙空間的重要信息，我們人類一點兒都不知道。這是因為地球的電離層的干擾，不但干擾了我們整個的地球，把月球的正面也干擾了，所以科學家希望能夠在背面接收到這部分信號，這是唯一的一個地方，所以我們一定要到月球背面去。

第二，月球的正面，“阿波羅載人登月”採了6次樣，蘇聯無人機器採了3次樣。月球正面的研究信息告訴我們，有關月球40億年以來的歷史演化進程都可以找到岩石的記錄。就像考古一樣，有墓葬、有記錄，這是月球正面可以獲取到的證據。但是大於40億年到45億年以來月球最古老的歷史，在月球正面很難獲得事實證據。40億年前，月球背面遭受到一次巨大的小天體的撞擊，撞出一個直徑達到2480公里的艾肯盆地，這使得40億年前月球最古老的岩石裸露出來，通過一系列科學探測，獲得月球最古老的地質演化歷史，才能進一步搞清楚月球自誕生以來完整的演化歷史，只有到月球背面的艾肯盆地裡才能找到月球最古老的岩石記錄。

另外，人類至今不知道月球背面的空間環境和月球背面的表面環境特徵。我們在著陸器和月球車上分別安裝了相關的探測儀器，期望對上述三個科學目標取得一系列新的科學證據，拓展人類對月球的全面理解，獲得大量月球古老歷史演化進程的科學證據以及宇宙、銀河系和太陽系低頻電磁波的科學信息。

這個計劃最大的技術難題是月球背面處於人類的視覺和通信盲點，在地球上看不到，也不能通訊，所以我們本來計劃要先發射一個衛星繞月球飛行。衛星飛到月球背面給月球車和著陸器下達指令，同時把它們的數據收集起來，等飛到正面的時候跟地球取得聯繫、報告情況，轉到背面再去指揮。這種方法的技術難度和變數非常大，後來我們用另一個更加方便穩妥的方案替代了它。地－月拉格朗日2點（L2點）剛好處於正對月球的背面，距月球6.8萬公里，在L2點上既可以看到地球又能看到月球背面。通過建立空間中轉站，我們可以把人造衛星留在L2點，使地球和月球背面能夠取得聯繫，構成地球與月球背面暢通的鏈路，從而有效地指揮月球背面的著陸器和月球車展開工作，同時也能夠將月球背面所取得的科學探測數據傳回地球。

三聯生活週刊：按照計劃，“嫦娥五號”將於今年年底發射，完成月球物質採樣，並將樣品帶回來，難點在哪裡？

歐陽自遠：“嫦娥五號”要首次實現地外天體自動採樣返回，這是困難的。我們將要把那裡的樣品取下來，怎麼著陸，電鏟樣品、打鑽取樣，最後擱到返回艙，這都有研究和準備。離開月面，“嫦娥五號”飛不回來，因為沒有那麼多燃料，所以我們用一條飛船在月面繞著月球飛，等待攜帶樣品的返回艙上來，然後雙方要交匯、對接，由那條飛船帶著樣品返回艙返回地球。

這裡面臨的另一個問題，可能是飛船返回速度太快了，一紮進地球的大氣層，高溫、高壓，會把返回艙全部燒掉，這怎麼辦呢？我們想了個法子，科研人員指揮它跳出大氣層，再降下去，就像小孩用石頭在水裡頭打一個水漂，砸進去冒上來，再掉下來，這樣速度就變慢了。我們已經做過實驗，沒有問題。到時，科研人員會得到很多樣品，計劃採集2公斤到3公斤的樣品，供全國的科學家來進行研究。

三聯生活週刊：“嫦娥五號”發射成功以後，意味著無人月球探測任務的完成，那麼我們下一步的探測目標是什麼？

歐陽自遠：我們還將發射“嫦娥六號”到達月球背面採樣返回地球。“嫦娥一號”和“嫦娥二號”的成功實施表明中國有能力到達月球，“嫦娥三號”和“嫦娥四號”的成功表明中國可以安全著陸月球正面與背面，“嫦娥五號”和“嫦娥六號”的採樣返回，表明中國有能力從月球安全返回地球。

中國將在月球建設月球科學研究和技術試驗基地，開發和利用月球資源、能源和環境，開展科學觀測與實驗，研製相關的產品等。中國正在積極籌備載人月球探測，攻克關鍵技術難題，早日實現載人月球探測。

在此基礎上中國將飛得更遠，要探測太陽系，2020年中國將首次探測火星，實施“繞”“落”“巡”聯合探測火星，還要去火星採樣返回地球；中國將探測小行星帶的小行星與彗星；近地小行星探測，規避小天體撞擊地球誘發地球生態環境崩潰和生物滅絕事件；我們還將探測木星系統和行星際穿越探測。

中國為什麼要探測太陽系？第一，太陽系如此龐大，人類的好奇心一直在追問，難道在太陽系的其他天體上真的沒有生命嗎？現在沒有生命活動，但是在歷史上是不是有過生命的繁衍與活動？第二，到現在為止，太陽、太陽系各層次天體的起源和演化，需要緊密結合探測成果進一步深化研究。第三，對地球和人類來說，目前能夠造成潛在威脅的自然因素如小天體撞擊地球、太陽強烈爆發、全球劇烈的地震與火山活動等；人為活動的因素如全球大規模核戰爭爆發、人類錯誤的行為得不到改正致使地球變成不宜居的星球等，我們要研究如何規避這些災難，這些都需要我們在進一步的探測中尋找答案。第四，太陽系天體的資源、能源、環境的發現、開發和利用，對支持人類社會的可持續發展具有重大意義。第五，科學家期望能不能改造太陽系的一個天體，使它成為人類宜居的第二個地球。月球無法改造，現在已知最適合改造的對象是火星，人類通過幾個世紀的卓越努力，將這顆貧瘠的行星改造成一個擁有蔚藍色天空、綠色平原、藍色湖泊和生態環境友好的新世界，成為人類的“第二家園”，地球—火星將成為人類社會持續發展的姐妹共同體。