嫦娥六号的48小时和中国探月的17年

嫦娥六号着陆器全景相机拍摄的全景镶嵌图

撰文丨严胜男

北京时间6月2日早上6点23分，嫦娥六号着上组合体降落南极-艾肯（South Pole-Aitken，SPA）盆地。这个直径约2500公里的大坑是太阳系内已知最大的盆地，有着四十多亿年的历史。这次任务是人类第一次去到月球背面采集月壤。

由于潮汐锁定效应，月球的自转周期与绕地公转周期保持一致，使得地球上始终只能看到月球的一面，而看不到的另一侧被称为月球背面。

整个六月，行星科学界热闹非凡。天体化学家、地质学家，遥感测绘、大地测量、岩土力学专家轮番上阵，工程、技术与科学相互碰撞，浩浩荡荡几百人的会场人头攒动。会议一轮接着一轮，今天一个工程启动会，明天一个备选着陆区论证会，后天一个学术交流会。他们谈论嫦娥六号着陆区的科学问题、钻取过程，也分析2030年前完成载人登月需要跨越的精度鸿沟，乃至“天问”“祝融”等其他行星探测。科学家们期待、兴奋又不安着，这个上百亿的大工程，最终将交出一份怎样的答卷？

6月25日嫦娥六号返回器成功着陆内蒙古四子王旗。我们试图记录嫦娥六号在月球探险的48小时中经历了什么，也想看看十七年来探月工程让科学发生了怎样的改变。

“这次的国旗看着真是好看！ ”，一次深空探测的学术研讨会上，全景相机的建造者中国科学院西安光学精密机械研究所研究员杨建峰感叹道。他是最早一批加入探月工程的工程师，他的一张PPT密密麻麻写满了这些年做的仪器，伴随着深空探测任务的丰富，建造相机的速度由三四年1个转到三四年3～5个。落月的48小时里，他们度过一个又一个惊险时刻：相机过热，环拍前1个多小时，开始躲到太阳看不到的地方降温，温度才得以恢复；月面亮度高于预期，照片重新设计曝光档位，最终获得了一副比嫦娥五号更完美的国旗照片。

专注于月壤研究的李阳，一路风尘仆仆从北京赶回了贵阳的中国科学院地球化学研究所，连着开了好几轮行星科学会，所里积压的事务还没来及处理。作为科学顾问的他在航天五院飞控中心全程见证了嫦娥六号钻取和表取的工作，并用科学知识为钻取方案提供意见。

“这次的钻取深度与5号一样都是一米多，可能有些小石子挤在一起对采样造成了困难”，中国地质大学（武汉）行星科学研究所教授肖龙已经连取两次在钻取子系统飞控大厅观看了嫦娥系列探测器的着陆和取样。尽管地球上的深钻可以动辄10公里，但从阿波罗任务、Luna任务到嫦娥任务，许多人都认为深空无人钻取采样陷入了深度上的瓶颈。

陈剑是跟随着探月工程成长起来的年轻科学家，这位90后现在是山东大学空间科学与物理学院的助理研究员，嫦娥一号发回的遥感数据是他科研的起点。他介绍自己本科是天文方向，转做行星科学是因为本科科研立项期间坎坷的观测经历。“我们当时做系外行星观测，挑了两个目标，它们每三天就会凌星一次，但每隔三天要么下雨、要么刮风、要么多云，加上其他原因做了两年科研立项一次都没测成”。相比起来，他认为“基于我国嫦娥工程自主数据的月球探测研究更有前景”。

不止于此，水利学、核工业、土木工程……行星科学逐渐吸纳了许多看似无关的专业。他们谈月壤样品的“惊喜”，也讲月壤研究的“混沌”。 每个人的故事构成了这十七年，也构成了未来很多年。

南纬41.6252°，西经153.9780°，金光闪闪的嫦娥六号着陆于一片月海之中，旁边是一个直径约50米的小型撞击坑，在月背这样的风险此起彼伏。四个脚垫陷进月壤里，土被翻了出来。

落月发生在月球上的上午九点左右，太阳挂在北边的天空，自东向西划过。这里望不到我们的蓝色星球，一颗明亮的星星陪伴了六号大部分时间，那是我们的鹊桥。鹊桥二号中继星在3月20日率先飞行太空。着陆器在正午十二点前就离开了，甚至不会因过热而午休，此时地球上已经过去了两天。

环视四周全是高山，山顶泛着灰白的光，那不是雪，是斜长岩，是岩浆洋早期结晶的产物。盆地中央是暗色的玄武岩，地质学家喜欢它们，因为用来分析地质年龄相对简单。还有一些被溅起来的小石子，被认为是这次矿物中最大的惊喜，说不定能砸个正，砸出月球的深部物质（下月壳和上月幔）。

研究人员们曾经纠结到底是来现在这个地方（F区）还是南面另一处斜长石更富集的区域（B区），那里更古老（约38.6亿年）、粗糙和陡峭，是SPA盆地更典型的单元，可能收集到一种新的未知的古老火山物质。

嫦娥六号三个预选着陆区（F、L、B）。Zeng, X., Liu, D., Chen, Y. et al. Landing site of the Chang’e-6 lunar farside sample return mission from the Apollo basin. Nat Astron 7, 1188–1197 (2023).

6月7日，中科院地球地质所举办了“嫦娥六号着陆区地质背景研讨会”，会上中国科学院国家天文台月球与深空探测应用中心首席研究员李春来回顾了这一选择过程。他承认B区独有的科学意义，但因为B区的样品年龄更难测定，而且着陆难度更大，在征求一部分人建议后，把目标主要瞄准了F区。中科院地质地球所李献华院士在研讨会上表示，高地物质可用于定年的元素含量极低，用同位素法做定年会比嫦娥五号玄武岩样品难度大，精度更低，具有挑战性。

不同着陆区讲述不同的科学故事，肖龙认为此次落点科学上更具综合性。香港大学地球科学系博士后钱煜奇解释称，F区虽然更年轻，但B区的物质有机会被撞击抛射到F区，尽管量不是特别多，但对于科学研究而言已经足够。

不论怎样，它们都身在一个叫阿波罗盆地的大坑里，绵延480公里，是SPA盆地中最大的撞击坑，被专家们视为“盆中之盆”。几乎所有科学家都热切谈论着“月球二分性”问题。去月背采样，就是在向月球探测中仅存的最大科学问题发起挑战。

“月球二分性起源的重要性与月球起源、月球岩浆洋过程这俩塑造现今月球的基本模型相当，是我国月球科学取得重大科学成果的契机”，钱煜奇分享道。如果嫦娥5号样品研究工作可以看作是阿波罗时期科学问题的修补，那么嫦娥6号样品将开辟一个新的方向。

所谓月球二分性即，月球正面和背面在表面的地形地貌、元素分布和地质单元特征等方面均存在着巨大的差异。如正面多月海，月壳薄，地势较平坦，背面环形坑更密，月壳厚，起伏较大；正面钍（Th）元素和钛（Ti）元素更富集，背面仅在SPA盆地中有少量分布。

钱煜奇提供

科学家们想要了解是什么导致了这种差异？也提出了各种假说来解释这一现象（潮汐加热的空间差异；伴生卫星的增生；南极-艾肯盆地的撞击；岩浆不对称结晶等）。这是1959年苏联Luna 3号月球探测器拍摄第一张月背照片时就埋下的疑问的种子。

钱煜奇提供

将嫦娥6号背面的玄武岩与5号正面的玄武岩对比，分析源区深度、岩浆演化过程，是陈剑认为的目前研究二分性问题的可能方式，但他也表示，“一个点位的样品可能很难真正发现二分性的本质，只能约束一部分假说。一些地球物理方向的研究者则希望通过在月球建立像地球上的地震台网，用月震波来观察月球的三维结构。这也被视为探测行星内部结构目前最精确和最有效的手段”。值得注意的是，嫦娥7号下一步也将在月球极区架设月震仪。

嫦娥六号被誉为人类历史上第一次月背采样，为什么由我们来摘得第一颗果实？

陈剑介绍，“阿波罗时期没有考虑过背面采样，当时很多东西还不清楚，美苏的月球样品研究20年之后，苏联也解体了，90年代时一些科学家开始提出月背采样。虽然月背采样的科学价值很高，但美国的月背采样任务一直没能立项，结果我们中国先实现了”。

肖龙的理解则是，“阿波罗时期采回了总计约382千克的样本，很多研究也在进行，美国不缺样本。其次，在探月的优先级序列里他们有其他更感兴趣的事，像阿尔忒弥斯计划里的载人登月等。中国的话，因为嫦娥5号成功实施，6号作为备份就想着能不能玩点新花样，去一些其他没去过的地方，于是就决定落到月背。恰巧月背的科学价值较大”。

“我们一直是按自己的节奏一步一步地实施，倒不是因为国际竞争方面的东西，6号是现成的，不是专门为了月背设计的。如果5号不成功，还是会到正面再试一次。应该说我国的探月比较幸运，主任务都成功完成，备份星不是单纯的备份，都做了更多的事情，是比较让人振奋的”，肖龙补充道。

6月3日，北京时间凌晨5点左右，长达8个多小时的表取采样完成。

一个“中”字永久留在了月球背面，那是嫦娥六号挖土的结果。

在飞控中心见证了嫦娥5号和6号两次采样的肖龙指出了此次的不同，“这次抓取抓得更满了”，“5号铲了12铲，6号只铲了8铲，你看那小土堆都冒出来了。原本计划的是10铲，7铲的时候已经差不多满了，第八铲挖不挖讨论了很长时间，决定挖还是想把字的最后一笔写得更完整一些”。

有研究人员透露，这次之所以能铲得更满是因为5号返回的样品中给了一些让航天五院专门做月壤的力学实验，这一次在铲子发多大力、铲多深上面更有经验了。

而由于电力供应需求和任务的复杂程度，钻取采样是嫦娥六号最先开展的工作之一。从6月2日上午10点21分钻取加电开始，到中午12点40分结束采样。

钻取深度是历次采样中另一个讨论的焦点。嫦娥5号和6号都搭载了2.5米的钻杆，减去钻具与月面的高度差，最大采样深度为2米，和5号一样，此次钻取实际深度也卡在了1米左右。

嫦娥5号的钻取工作有两次遇阻，深圳大学深空深地学科交叉研究中心助理教授丁春雨曾撰文写道，“钻孔设备在达到月表下大约0.4米时，阻力突然增大达到345牛顿。当时，负责钻孔采样的科学家们都非常紧张”，分析雷达图像为分散碎石后继续钻取，“然而，当到达月表下约1米的时候，此时传回地球的数据显示阻力达到了549牛顿，而无法继续往下钻探。同时，雷达图像也显示钻孔遇到了更大的碎石块堆”。

肖龙说，“嫦娥六号刚开始拿到雷达数据时，很多人还是比较乐观的，至少在1.5米深度都没有大的小石子。但由于雷达的分辨率只有10cm，钻杆是1.5cm，需要看清更小的石块，还需要做‘增强CT’”，“1米左右的时候可能有小石子挤到了一起，地方不大，但对最终采样造成了困难”。

与此同时，即便提高影像精度，但月球无人探钻依旧面临散热难和无法临时变更采样点的问题。“最大的问题是我们现在的钻头不能打石头，石头和钻头摩擦会产生高温，温度很高以后钻头会被烧掉。因为月球上不能冷却，地面上打钻都是不断往里面注水使钻头冷却，但月球上行不通。地球上石油钻取几千米都能采，但月球上一两米已经很好了，阿波罗时期最大采样了3米，但那是有宇航员的帮助，可以换地方或是用力向下怼，无人的难度非常大”，肖龙介绍，“钻取还是见好就收为主，如果石子在里面成团成块，软袋提拉会受影响，如果最后拉断了提不上来，才真是颗粒无收，没有必要冒那个险。我们表取可以多铲一些样品回来”。

相比于表取120度机械臂设置，钻具是固定安置在着陆器侧边，即便看到下面有石头，只能硬着头皮向下钻不能躲开，只是根据不同的石块密度调整不同的钻取方案。这也是很多研究人员指出的设计上的遗憾。

相比于表取样品，钻取样品涵盖了更多月壤形成演化的信息。但1米的深度让科学家们期待的剖面研究有些落空。

2023年1月举办的第一届嫦娥五号月球样品研究成果研讨会总结了五大标志性成果，包括嫦娥五号玄武岩揭秘月球年轻火山成因之谜、月壤玻璃珠年代学探讨内太阳系动力学、发现高含量的太阳风成因水、发现新矿物命名为嫦娥石、月壤成分特征分析。并未涉及到太多垂向信息的分析。

陈剑分享了一些他们做钻取样品的结果，“5号钻取样品中没有明显的层序，目前还没有太多关于5号深部钻取样品和表面铲取样品之间区别的文章，我们的工作发现，钻取样品受到辐射量少，风化特征弱，石块颗粒更大一点，但没有太超出预期的认知”。

随着研究和交流的深入，一些人开始认为，1米深度的取样和表取样品在岩石学等方面并无太大区别，可以视为一类样品，并开始期待下一次钻取技术的飞跃。鲜海洋试着用月球的翻耕作用来阐释目前1米不存在层序，“月球表面不断被陨石轰击，从某种程度上来说，可能在几米甚至十几米乃至几十米的范围，这些月壤都被翻耕过好几轮，本质不会有太大差别”。他补充道，“因为我是做矿物学的，可能地质年代学的人会讲这个东西是多么重要。这也和每个人的认知和专长有关系”。

还有少部分人坚信剖面研究的意义，李阳是其中之一。他结合前几次申请的月壤发现了剖面分层，在中部某分段中出现了一次新的撞击坑溅射物，在分层处颗粒物粒径和年代上呈现明显不同，下一步他打算在这个分段申请更多的样品进行研究。

除此之外，在月壤形成演化方面的表现，被视为钻取样品更主流的价值。李阳说道，“深部月壤可能保存一些太阳系撞击事件的碎片，还能还原古太阳风的组分，比较其与现在太阳抛射物质的区别，类似的科学问题还有很多，总而言之钻取样品比表取样品意义更为重大”。

嫦娥5号样品炙手可热，许多人表示要获得剖面上不同深度的月壤样品确有难度。据介绍，钻取样品被分为10个大分段（第11分段为表取样品），而每个分段里面样品又被分为10份。而探月中心规定每个批次每人最多申请5份，申请成功者需要暂停一个批次才能继续申请。陈剑表示，“样本申请本就竞争激烈，只有实力雄厚的单位才能集齐不同深度的钻取样品”。

不过李阳也表示，“现在是软袋采样，不是刚性钻杆，样品经过整形缠绕放置在桶里，飞行途中经历各种震动，会发生一些混合”。他按照先集齐大分段，经过初步研究再聚焦收集某几个小分段的方式开展工作。

在前述6月7日会议中，与会专家就嫦娥六号样品的科学问题达成了一致，除了月球二分性起源，还有深部月壳和月幔物质组成、南极-艾肯盆地的形成时间、月球背面火山活动历史等问题。

目前被广泛接受的月球岩浆洋模型认为: 月球形成是一次巨大撞击事件，这之后月球表面是由岩浆组成的海洋，在岩浆洋结晶分异过程中, 密度大的镁铁质矿物(橄榄石、辉石等)先结晶并下沉形成下月幔堆晶岩, 而密度较小的斜长石后结晶并上浮形成原始斜长岩质月壳。岩浆洋熔体富集钛铁矿和不相容元素(如钾、稀土元素、磷等)是岩浆洋最后阶段的产物。

钱煜奇介绍，“岩浆洋模型中关于结晶的序列，不同科学家有不同的说法，其中大多是根据实验模拟或理论计算得出的，究竟谁的模型是正确的？目前并没有制约。因为我们并没有来自月球深部的直接样品，与此同时，即便是最保守的模拟都认为撞击作用在南极-艾肯盆地中挖掘上月幔的物质，挖掘深度达到了100公里，而嫦娥六号有可能采集到这些物质”。这也是他反复强调的嫦娥六号样品中的“惊喜”。

南极-艾肯盆地的年龄也是当时与会专家高度关注的。“作为月球最大、最古老的盆地，SPA盆地的形成时间并没有固定约束，前人的某些样品研究认为其形成时间在42亿年左右，但这些样品不是直接来自于SPA盆地，同时撞击坑统计定年的方式也有很大误差（误差最大的有上亿年）”，钱煜奇解释道，“除此之外，SPA盆地的形成在月球的晚期大轰炸时期，大概42～38亿年前，这个阶段太阳系还形成了许多其他超大型盆地，如火星海拉斯盆地、土卫三奥德修斯盆地等，也可能极大地改变了地球的演化历史，但是这些我们目前都无法就位采样，我们唯一能采样的就是月球。通过研究SPA盆地的形成过程以及对星球的影响我们也能把这些经验外推到其他行星”。

“绕、落、回”，探月工程三步走的十多年来推动了行星科学界的快速成长。

在不少人的认知里，嫦娥一号和嫦娥五号是两次分水岭。“嫦娥1号第一次环绕月球在我国科学家团队中催生了很多专注于月球遥感的科学家，当时研究月球样品的科学家还没有完全参与进来。第二次是2020年第一次采样返回的嫦娥5号，大量天体化学家开始参与到样品研究里来，大大促进了我国行星科学发展，也为我国深空探测注入了新的力量”，钱煜奇介绍。

陈剑回忆两次改变的区别，“嫦娥1号和2号时我们就参与遥感数据分析，当时我们国家仪器还不太好，做不出太好的成果。3号和4号分别是人类21世纪第一次软着陆月球和第一次月背软着陆，情况稍微好些，取得了一些有国际影响力的成果”。

另一位遥感数据的研究人员分享起嫦娥4号文章发布期间的趣事说道，“当时国内获得了一些数据，比如我发一篇文章，很快有人觉得我说得不对，别人又发了一篇。就这样，国内发了二十多篇文章，都是各说各的，谁也不服谁。最后这个事传到国际上，他们都懵了，说‘中国人这个数据到底有没有一个准确的答案？’而现在有了样品，我们说什么就是什么，别人再去做，也做不出不一样的东西来”。

鲜海洋也表示，“这相当于将话语体系纳入国际体系。最开始拿回来的科学数据就自己玩，相当于自家后院种的和别人没关系。有了样品后可以直接和别人做对比”。

从嫦娥5号开始，样品科学家们的加入让领域变得异常热闹。陈剑介绍，其所在山大的行星科学是从物理学基础上发展起来，从嫦娥1号开始就做数据，“当时感觉做月球科学的研究人员数量有限，大家基本都认识，但申请嫦娥5号样本的时候加入了很多新的研究单位和研究人员，关键是大家的仪器一个比一个好，样品竞争压力很大”。

他紧接着说，“山大没有传统地学，为了做嫦娥样品研究，我们当时专门去国外学习月球样品的研究方法。我们前后拿到了三批次5号样品，从量上来讲在全国高校中能排到第四，6号任务的相关研究目前还是以遥感数据为主，样品也会努力争取”。

不仅仅是申请激烈，第一次拿到月球样品的科学家们也有些“无所适从”。有研究人员总结说，“这是血和泪的教训”，如何在损耗允许的范围内进行科学研究，让这帮研究惯了地球成份的科学家大伤脑筋。“我们以前做地球样品确实可以做到只1毫克的消耗，但月球粉尘太细了，带静电，有时候瓶子一打开很多都会跑出来。随着越做越熟，这个尺度我们越做越能把握了”，一位不愿具名的研究人员表示。

由于超申报消耗量使用，前几批申请时部分单位还收到了通告批评，这让研究人员们战战兢兢，毕竟《月球样品借用协议》里写着，“因借用单位的过错而导致样品污染、损坏或丢失的，借用单位承担全部责任。视情节严重程度给予以下处理意见：（1）暂停借用样品资格三年；（2）永久取消借用资格；（3）情节严重的，追究法律责任”。但前述研究人员也表示，整个操作过程全程录像，加上提前申请、阐述清晰、范围合理，探月中心的管理也比较人性化。

文章、人员和资金的流入也显而易见。李阳说，“我们今年春天才做过一次统计，从2007年嫦娥1号到2020年的嫦娥5号，我国共进行了5次发射任务。而同样的时间段，其他国家发射了6次。我们国家5次任务发表的文章数量和国际同期发表的文章数量基本持平”，另外人才队伍也前所未有地壮大，“我读书的时候去参加行星科学会议，基本上只有一两百个人，而现在组织一个全国性的行星科学会议基本上可以达到1000人以上，而美国的全球行星科学大会，全球同行都可以去参会，大会每年人数在2000人左右，也就是说我们国内行星科学的潜在人才数量与国际同行的人数差距也不大了”。

项目方面，2022年开始国家自然科学基金委员会设立了“月球与深空探测科学研究专项”分为培育项目（一年期，25万）和重点项目（三年期，300万）。

不过目前的人才培养还是不容乐观。陈剑分享了一下他所在空间学科招生情况，“这个专业它不太好就业，所以在吸引人才上还是比较困难。我们有天文与空间科学菁英班，保研等方面有政策倾斜，目前保研比例大概为30%，但之前有一些同学拿到保研资格就保到别的专业去了，每年能够培养出那么几个真正对月球与行星科学感兴趣的，十多年加起来人数也不多。”