精工学院曾怀宇
我们为什么要探索宇宙
一.背景知识
嫦娥五号是一颗由中国空间技术研究院研制的航天器探测器，是中国首个实施无人月面取样返回的探测器。主要任务是展开着陆点区的形貌探测和地质背景勘测，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系。年12月14日，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约28秒钟，顺利完成第一次月地转移轨道修正。
嫦娥五号发射成功后，很多人难掩激动之情的同时，也有人表达了自己的疑惑：嫦娥五号发射成功的意义何在？
想知道这个，首先要了解嫦娥五号的具体任务。
二.嫦娥五号的主要任务
我们的太空所展示的示意图
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11月24日4时30分，中国文昌航天发射场，长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，顺利将探测器送入预定轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。
11月24日22时06分，嫦娥五号探测器N发动机工作约2秒钟，顺利完成第一次轨道修正，继续飞向月球。本次任务发射入轨精度较高，修正量很小。而到了11月25日22时06分，嫦娥五号探测器两台N发动机工作约6秒钟，顺利完成第二次轨道修正。
11月28日20时58分，嫦娥五号探测器经过约小时奔月飞行，在距月面约公里处成功实施牛发动机点火，约17分钟后，发动机正常关机。据遥测数据监视判断，近月制动正常，顺利进入环月轨道。
有国外的航天爱好者根据我们的太空这张示意图算出了嫦娥号进入绕月轨道的大概参数：近月点公里，远月点公里，轨道倾角45.7度。据国外爱好者推算，嫦娥五号进入的第一条绕月轨道，从地球上看去，完全不会被月球遮挡。这样可以保证轨返组合体和着上组合体不间断与地球通信，未来嫦娥六号着陆南极也可以选择这种轨道。
由于嫦娥五号轨道器的主发动机推力只有3kN，相比嫦娥三号四号的7.5kN要低一半多，但质量却是嫦娥三号四号的两倍多，所以采用两次近月制动的方式使嫦娥五号进入轨道高度约km的环月工作轨道。目前嫦娥五号处于一个大椭圆轨道，绕一圈周期大约是8小时。飞控团队将在绕三圈也就是经过一天后进行第二次近月制动，最终进入km的环月圆轨道。
近月点公里，远月点公里，轨道倾角45.7度。
从地球上看去，第一条绕月轨道完全不会被月球遮挡。
早先嫦娥五号的着落区域就已经划定区域范围，即风暴洋北部的吕姆克山附近（北纬40度，东经度周边区域）。目前，中国官方已经确定着陆器首选着陆区位于吕姆克山东部，这也是很多行星科学工作者非常期待看到的结果，对这一区域的采样返回探测实际上弥补了月球探测史上的一个关键的空白。
为何吕姆克山东部有着如此重要的地质意义？
这可能需要从这一地区的地质演化历史说起。首先，发生在月球形成早期的一次大规模天体撞击形成了一个巨大的撞击盆地，这一事件暂时无法确定具体时间。
之后，在这个撞击盆地北部，发生在约37.1亿年前，35.8亿年前以及35.1亿年前的三期火山活动分别形成了三块熔岩高地（图5中IR1，IR2与IR3），这三块高地就是吕姆克山的三个熔岩单元，吕姆克山就此隆起。
随后，在34.7亿年前，大范围的熔岩溢流填满了吕姆克山所在的撞击盆地，但“熔岩洪流”并未淹没吕姆克山，于是形成山脚下开阔平坦的熔岩平原，这一片填满整个撞击盆地的巨大熔岩平原就是如今的风暴洋，之后月球火山活动就逐渐趋于沉寂。
直到13.3亿年前，火山喷发又一次在吕姆克山东部发生，其熔岩覆盖了先前形成风暴洋的古老熔岩平原，吕姆克山地区从此划分出了Im与Em两个地质单元，Em单元即为东部单元。Em地质单元是月球表面最年轻的火山活动留下的熔岩平原。
目前从阿波罗计划采的月球样本形成年龄均大于30亿年，是月球古老的火山活动形成的，也就是说“月球表面年轻的熔岩”是目前月球样本库中的空白，人类对晚于30亿年的月球火山活动特征一无所知，嫦娥五号在吕姆克山东部采样返回成功将让中国获得这一份独一无二的样本，是月球研究中非常珍贵的“孤品”，甚至可以说是人类月球样本库中最有价值的样本之一。因为它将回答两个关键问题，验证一个关键理论。
关键问题1：所谓年轻是否真的年轻？
因为技术所限，对于月球的大部分区域都无法依赖可靠而精准的同位素定年法确定绝对年龄（无采样返回样本）。对于月球/火星/水星大部分区域来说，国际上一直采用撞击坑统计法进行年龄测定，其原理非常简单（越古老的地表，被撞击的累计次数越多，陨石坑越多，同理，越年轻的地表，陨石坑越少）。但这只能得到这一区域相比于临近区域年轻/古老的相对关系，无法确定绝对的年龄数据，而通过与阿波罗样本返回后进行的同位素年代分析，我们得到了月球小片区域的绝对年龄，结合这一绝对年龄数据，我们绘制了“应该”准确的月球撞击坑频率分布曲线，通过对某区域内不同直径大小陨石坑的分布情况进行统计，将其与月球撞击坑频率分布曲线进行比对，地区内频率分布曲线与哪个年龄范围的几何特征最为接近，即估测其为该年龄范围形成的。
但是也许各位也发现了这一技术的不可靠之处：影响撞击坑频率分布的不只有年龄，也与月表岩石硬度等因素有关，甚至也与人工统计撞击坑中误差排除工作有关。
没有样本返回进行同位素定年，我们永远无法真正确定吕姆克山东部地区的岩石就是形成于13.3亿年前，质疑撞击坑统计定年结果的声音一直存在，采样返回后复杂而精准的同位素定年工作将告诉我们这一区域岩石最具说服力的准确年龄，结束这一区域岩石是否“年轻”的争端。
如果同位素定年结果的确如预期所料，这一区域的岩石是在阿波罗采样岩石20亿年后才形成，那么就进入了问题2。
关键问题2：月球地质历史晚期的岩浆演化
月球的演化过程与地球不同，目前占据主导地位的“岩浆洋”理论认为，月球早期是完全的熔融状态，此即为岩浆洋，随着月球逐渐冷却，熔体中矿物开始结晶，其中密度大于熔体的橄榄石等矿物下沉在核心外堆积形成月幔，密度小于熔体的斜长石漂浮在岩浆洋之上堆积在表面从而形成月壳，而在固态月壳与月幔之间，岩浆还在继续演化，岩浆岩中的元素特征不断变化，有着从高钛玄武岩向低钛玄武岩演化的总趋势，但如前文所述，即使是最晚的低钛玄武岩样本也已有30亿岁，对于之后月壳下残余的岩浆具有怎样的元素特征的认识仍是空白，月球岩浆演化机制将通过嫦娥五号样本的详细分析得到补全。
之所以要进行轨道修正，是因为测器在飞行过程中，受多种因素影响，会产生轨道偏差，需要根据地面测定的探测器实际飞行轨道与设计轨道之间的偏差，完成对应的探测器轨道控制，确保探测器始终飞行在适当的轨道上。
图中右侧即为嫦娥五号首选着陆区
吕姆克山东部地质图
三.嫦娥五号的科研目的
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有些人可能会感到疑惑，别说44年前的月球24号无人月球任务了，五十多年前NASA的阿波罗载人登月任务不是从月球上带回过好多次样品了么？大老远地再折腾一番跑去月球挖土，还要辛辛苦苦带回来的意义在哪里？
是的，从年到年，6次阿波罗任务和3次月球号任务带回了月球表面9个区域共计公斤的月球岩石和土壤样品。从量上来说，并不少。
正是这些珍贵的月球样品，让我们能够真正接触到有明确产地的月球物质，能真正在实验室里全方位分析研究这些月球物质——这是月球探测器遥感探测和在地球上分析月球陨石所做不到的。对这些月球样品的放射性定年，也让我们真正确定了月球上一部分区域的绝对年龄，并以此建立起了月球45亿年的演化历史。甚至，地球之外的整个内太阳系所有行星的地质演化历史，都是在参考月球样品绝对年龄的基础上建立起来的。
但仅仅是量大，还不够。这些样品对我们认识月球，依然太局限了。
这些样品大多来自月球正面中低纬度的月海区域，形成年龄集中在42-32亿年前(也有部分可能形成于不到10亿年前的哥白尼纪）。而在这个范围之外的月球历史事件所对应的时间，全部是以此为锚点，参考其他观测结果（主要是撞击坑统计）外推来的。
相当于之前我们只在月球很有限的一部分区域内，找到了形成于一小段时间里的“化石记录”，却要用来定标整个月球45亿年历史，甚至还用来外推到其他类地行星。
这显然意味着，我们对月球的认识不管在空间上还是时间上，都是极其不全面的。
而唯一的解决方法，就是重返月球，采集到更多来自不同地质背景，形成于不同历史时期的月球样品。唯有这样，我们才能完整还原月球的历史，才能真正全面认识月球，认识地月系统，甚至认识整个太阳系的过去。
这正是嫦娥五号的意义所在。
当我们明白了这些，再看看人类为了探索宇宙所付出的努力和牺牲，或许就会有更深刻的理解和感受。
年，赞比亚修女MaryJucunda给ErnstStuhlinger博士写了一封信，他因在火星之旅工程中的原创性研究，成为美国航空航天局Marshall太空航行中心的科学副总监。信中，MaryJucunda修女问道：目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭，他怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。
Stuhlinger很快给修女回了信，同时还附带了一张题为“升起的地球”的照片，这张标志性的照片是宇航员WilliamAnders于年在月球轨道上拍摄的。他这封真挚的回信随后由NASA以《为什么要探索宇宙》为标题发表。
“同我很多朋友的看法一样，我认为此时此刻，我们就应该开始通往月球、火星乃至其他行星的伟大探险。从长远来看，相对于那些要么只有年复一年的辩论和争吵，要么连妥协之后也迟迟无法落实的各种援助计划来说，我甚至觉得探索太空的工程给更有助于解决人类目前所面临的种种危机。”
接下来让我们了解探索太空的过程中人类的收获。
60年前，NASA为了获得更清晰的月球照片，让实验室研发了一种名为数字影像处理的技术，这项技术后来成为了核磁共振（MRI）以及CT诞生的基石。在随后的数十年中，这两项技术挽救了无数生命。
50年前，前苏联为了在未来给苏联英雄们换身体以延长寿命，进行了给狗换头的实验。这项任务被安排给了苏联航天部门的生物医学研究实验室。虽然最后失败了，但当时用于给狗维持生命的仪器成为了现在的生命维持仪，是现代的大型手术的必备器械。
婴幼儿使用的“尿不湿”最初就是NASA航天技术转民用的结果；
方便面里的脱水蔬菜包，源自航天员食品中的真空脱水技术；
许多人开车出行时依靠卫星导航指路，各国发射上天的大量导航卫星成为了“路痴”的福音。甚至我们触手可及的IC卡、网上银行、手持式遥控器都源自最初的航天技术......
而这些只是航天技术转民用的冰山一角。
从这方面来看，航天工程获取技术的方式说的直白些就是人类给自己定一个难以企及的任务，然后用尽一切手段来完成，即使最终失败，但在过程中获得的各项科技进展也足以显著促进人类发展。但这只是人类探索宇宙最浅显的意义。
四.太空是人类的下一个家园
“地球是人类的摇篮，但人类不会永远生活在摇篮里”——康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基
大约在公元年左右，波利尼西亚东部群岛有一群波利尼西亚人驾船出海，跨越千里大洋，登上复活节岛。经过一段时间的开荒种植和海上捕捞，生活逐渐安定下来，人口有所增加。但是人口增加导致了食物的不足，于是为了解决问题，公元年左右开始大规模砍伐森林，特别是棕榈树遭到严重砍伐，因为棕榈树是建造独木舟的最好木材。岛民大量建造船只出海捕捞，收获大量鱼类和海豚等水产品。
人口的迅速增加使自然资源不断耗竭，逐渐超过当地资源的承载能力。于是各部落为争夺有限的资源爆发了冲突和战争。大约在1年左右，各部落为树立对首领的崇拜，相继建造巨大石像，森林砍伐更加严重，大量的棕榈树被砍伐用于薪木和运输石像。公元1年时，棕榈树消失了，15世纪末岛上森林全部被砍伐干净。鸟类由于缺乏食物开始减少，许多植物因失去传粉的鸟类也逐渐灭绝。由于人们没有了建造船只的树木，渐渐地，航海能力越来越差，甚至全岛只剩下几只独木舟，无奈岛民转向开垦荒地种植谷物，但是仍旧不能满足人们的食物供给。
复活节岛的居民曾经建立过辉煌的文明，但当社会经济的发展超越了资源环境的承载力时，文明便走向了衰落，这段兴衰史让人们更清醒地去思考人类与自然的关系。
复活节岛上人类文明的命运，很像是整个地球上人类命运的缩影。对于复活节岛来说，最至关重要的资源是足够高大能够用来制造远航船舶的树木，一旦这些树木因为人类活动损耗殆尽彻底灭绝，复活节岛文明的命运就已经注定了。
我们当前的文明，是建立在煤炭石油等一次性化石能源的基础上的，虽然我们掌握了核裂变技术，但铀钚等重元素燃料也是储量有限的一次性能源。仅靠水力、太阳能、风能根本不足以支持我们今天的文明发展水平。就算放弃一切高能耗的工业文明，倒退回农耕的“田园时代”，仍然会导致土壤中的肥力逐渐耗尽，最终沙化或盐碱化。就算人类的后代完全放弃文明，以动物本能和逆天的运气在自然界中生存苟活下去，当到了太阳寿命将近的时候，也会和所有地球生命一同灭绝。
所以说，如果人类始终盯着地球这一亩三分地，放弃了开拓外太空的梦想，就只能和复活节岛一样，在资源耗尽后走向文明的末路，只不过复活节岛的故事还有外来的欧洲航海家进行记录和传播，地球人类文明的故事连被记录的机会都不可能有。
但另一方面，我们很幸运，我们有距离很近的大卫星。当我们的宇航实验场，实验场里有丰富的氦三资源，我们还有距离不远的类地行星当我们的中继站和殖民地，我们还有距离适中的巨型气态行星当能源供给站，我们还有柯依伯带，我们还有距离仅几光年的比邻星、南门二。如果看到这些都还无动于衷，我们还有复活节岛作为反面教材！
人类作为一个物种、一个文明，想要生存下去，避免悲惨的灭亡结局，必须把视线和精力投向头顶的星辰大海，正如复活节岛的波利尼西亚人必须要把生的希望投向浩瀚的太平洋一样。
我们总坚信自己有能力去完成不可能的事情。我们珍视这些时刻，这些我们敢于追求卓越、突破障碍、探索星空、揭开未知面纱的时刻，我们将这些时刻视为我们最值得骄傲的成就。但我们已经失去了这一切。又或者，也许我们只是忘了我们仍然是开拓者，我们才刚刚开始。那些伟大的成就不能只属于过去，因为我们的命运就在太空。
—北理工飞行器控制系统实验室—
图文来源
精工书院曾怀宇
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刘思远
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