中国科“迹” | 遥看千万次，不如握在手里一粒沙（上）

中国国家博物馆内展出的001号月球样品

（图片来源：《科技文物里的中国》）

人类从月球挖土，这件事，人类只做成十回。

六次载人登月、四趟无人探测器远征，总计三百八十五公斤月壤分藏世界各国实验室；放眼全球，唯有中国同时拥有风暴洋年轻玄武岩月壤、人类首份月背古老盆地样品，补齐了月球演化研究至关重要的两块空白。

半个世纪前，美国阿波罗载人任务率先踏上月面，带回数百公斤古老高地与月海岩石，搭建起人类最早的月球地质时间框架。苏联月球号系列完成早期无人采样探索，用少量月壤验证自动化取土技术。

这段跨越半个多世纪的“星际取土”史，缘起于冷战太空竞赛的激烈博弈。美苏的探月采样热潮在70年代末戛然而止，此后四十余年，全球再无任何国家完成月球样品返回，月球演化研究长期陷入样本断层：人类手中只有30亿年以上的古老高地、古月海岩石，缺失月球晚期火山活动物证，更完全没有月背物质可供分析。月背因潮汐锁定隔绝地球通信，地形崎岖、测控难度呈几何级提升，成为全球探月领域无人敢攻克的禁区。

为穷尽月球的未知奥秘，一套“绕、落、回”三步走探月布局落地实施，各类深空探测核心技术循序渐进完成攻关：

探月工程总体规划（2020年前）

（图片来源：《科技文物里的中国》）

一把来自月表年轻火山的尘埃、一捧源自月球最古老盆地的岩屑，两份独一无二的星际标本，补上了人类解读月球完整生命史的两块核心拼图。

从月球背面看地球

（图片来源：图虫）

补充阅读：月球正面、背面怎么划分？

月球正反面的划分源于潮汐锁定效应：月球自转周期=绕地球公转周期（约27.3天）。

月球自转与绕地球公转周期完全同步，月球永远同一面朝向地球，人类在地球上永远只能看见59%月面，剩下41%完全看不见。

地球上肉眼可见的区域称为月球正面，永远隔绝视线的另一半便是月球背面。二者地貌差异巨大，正面分布大片平缓月海，背面遍布密集古老撞击坑。

为什么美苏带回来的月壤，早就“不够用”了

很多人对人类探月采样的第一印象，还停留在上世纪六七十年代的阿波罗计划：6次载人登月，3台苏联无人探测器，前前后后往地球运回了385公斤月壤和岩石样本，这个数字放在半个多世纪前，看起来完全足够支撑全人类的月球研究。但很少有人知道，这些样本从带回地球的那天起，就带着天生的局限性，经过几十年的研究消耗，到21世纪初，已经远远满足不了行星科学界的需求。

1969年7月16日，“阿波罗”11号的惊人发射产生了巨大的冲撞以及震动，数千米之遥的大地都感到了震颤

（图片来源：《世界航天器史》）

首先是采样区域的极端单一。美苏当年所有的采样点，全部集中在月球正面中低纬度的平缓月海区域，这里地势平坦、光照充足、地月通信完全没有遮挡，是最安全、最容易成功着陆的区域。但月球的表面积足足有3800万平方公里，人类仅靠9个采样点拿到的样本，连月球表面积的千万分之一都覆盖不到。这些样本几乎全部来自月球正面30亿年以上的古老高地和古月海，相当于你只在地球的华北平原挖了几个坑，就想靠这些土搞清楚整个地球45亿年的地质演化史，从一开始就存在巨大的认知盲区。

巴兹 奥尔德林从“阿波罗”11号登月舱的梯子上走下来

（图片来源：《世界航天器史》）

其次是采样深度的严重不足。苏联的3台无人探测器，受限于当年的工程技术，最大钻探深度只有30厘米，拿到的全是表层被反复撞击翻搅过的浮土，根本没有完整的地层序列。阿波罗计划的宇航员虽然可以手动操作钻机，但受限于设备重量和月面作业时间，绝大多数采样的深度也不超过1米，只有阿波罗17号完成过2米深度的钻探，还因为卡钻没能取出完整的连续岩芯。这些样本大多是零散的碎石，没法还原不同深度地层的年龄和成分变化，相当于你拿到了一堆打乱顺序的书页，却没法拼出完整的书。

一名苏联航天员将登陆月面，并在上面行走。这个登月舱仅配备了一个发动机

（图片来源：《世界航天器史》）

更关键的是，这些样本的分配和使用效率极低。美苏当年的月壤样本，绝大多数都被封存在专门的样本库中，真正对外开放给全球科研机构申请的比例不到10%。上世纪冷战的大背景下，绝大多数国家的科研团队根本没有机会拿到哪怕1克的样本，只能靠美苏公开的少量论文数据做二手研究。中国在嫦娥工程启动之前，全国所有科研机构能拿到的国外赠送月壤总量加起来不到1克，分到各个实验室的样本甚至连铺满一个载玻片都不够，很多关于月球的基础研究，根本没有足够的实物样本支撑。

“阿波罗”15号任务期间，宇航员吉姆·艾尔文在哈得利基地靠近第一个月球车附近所拍的照片

（图片来源：《世界航天器史》）

经过几十年的研究消耗，这些本来就不多的样本，很多已经出现了不同程度的损耗。部分早期的月壤样本因为当年的存储条件有限，长期暴露在地球的大气和水汽中，被地球的有机物和微量元素污染，已经没法再用来做高精度的同位素和微量元素检测。到21世纪初，全球行星科学界已经形成了一个共识：靠上世纪的老样本，已经没法解答月球研究里剩下的核心问题，必须拿到新的、来自不同区域、不同深度的新鲜样本，才能把人类对月球的认知往前推进一步。

嫦娥五号在“挖土”上的几个实打实的绝活

很多人调侃嫦娥五号是“月球挖掘机”，但它身上的采样系统，和上世纪美苏的设备比起来，完全是代际级的差异，没有什么花里胡哨的黑科技，每一项设计都是为了解决当年美苏没搞定的实际问题。

“嫦娥五号”探测器

（图片来源：《九天揽月》）

第一个绝活

“表钻结合”的双采样系统。嫦娥五号同时搭载了两套完全独立的采样机构：一套是两米长的岩芯钻探系统，专门用来往月面深处钻，目标是取出1米以上的连续分层岩芯；另一套是带7个自由度的机械臂，末端装了不同的采样铲，专门用来采集表层的浮土和碎石。美苏的无人采样器，要么只有钻探机构，要么只有机械臂，没法同时拿到深层岩芯和表层样本，嫦娥五号这套系统，是人类无人探月史上第一套同时支持两种采样模式的设备，相当于你同时带了一把深钻和一把多功能铲子，能拿到的样本类型比当年丰富得多。

第二个绝活

全自主的闭环采样逻辑。地月之间的通信延迟最少有3秒，最远的时候接近10秒，地面根本没法实时操控采样的每一个动作。嫦娥五号的采样系统，从着陆之后就会自己先扫描周围的地形，自动避开大石块和坑洼，自己选择最合适的采样点；钻探过程中如果遇到硬岩卡钻，系统会自动调整转速和扭矩，自己尝试脱困，不需要等地面发指令。当年苏联的月球号探测器，曾经因为钻探过程中遇到硬岩，地面花了一个多小时调整参数，差点错过月面工作窗口，而嫦娥五号整个采样流程全程自主运行，从启动钻探到完成密封，只用了不到两个小时，效率比当年高了好几倍。

嫦娥五号着陆器模型

（图片来源：《九天揽月》）

第三个绝活

针对月面极端环境做的全细节优化。研发团队在地面搭建了完全模拟月球高真空、低重力、极端温差的试验舱，先后做了上百次模拟试验，把所有可能遇到的问题都提前堵死了。他们特意加宽了钻头的排尘沟槽，加装了专门的除尘结构，避免月尘堆积在钻头缝隙里卡停设备；给钻杆加了多级缓冲减震结构，保证钻出来的岩芯不会被震动震碎，能完整保留几十亿年的地层分层；所有直接接触月壤的零件，都用高纯度的钛合金和陶瓷材料加工，避免设备磨损下来的金属碎屑污染月壤，保证后续实验室检测的数据完全准确。

还有一个很容易被忽略的绝活

“嫦娥五号”探测器

（图片来源：《科技文物里的中国》）

“原位密封”设计。嫦娥五号在取完岩芯和表层样本之后，会立刻把样本容器完全密封，整个过程样本完全不会接触月面的真空环境，避免月面的太阳风、宇宙射线影响样本的原始状态。美苏当年的无人采样器，很多都没有完全密封样本容器，样本在返回地球的过程中，可能会受到地球大气的轻微污染，而嫦娥五号的样本从离开月面的那一刻起，就一直处于完全封闭的保护状态，拿到实验室的时候，几乎完全保留了它在月球上的原始状态。

大美科学

未完待续

半个世纪的星际探土之路，美苏开启了人类登月采样的先河，却也留下了难以弥补的月球研究断层。单一的采样区域、浅层的样本局限、稀缺的科研资源，让人类对月球的认知被困在陈旧的样本与固化的理论中，月背秘境无人触及、月球晚期演化成谜、地质空白始终无解。

当全球探月热潮沉寂四十余年，是中国嫦娥工程破壁而出，以稳步落地的“绕、落、回”三步走布局，突破层层技术壁垒。不同于上世纪的粗放式探测，我们的探月采样，带着精准的科研目标、迭代的核心技术与全新的探测视角，奔赴月球未知疆域。

一粒月壤，承载的是人类从未触及的星际密码。上篇我们读懂了人类探月的过往与困境，下篇我们将继续解读嫦娥五号，看中国如何以顶尖科技，改写人类月球演化史。

嫦娥五号着陆器模型嫦娥五号卫星在技术厂房

（图片来源：《九天揽月》）

图片来源于

《科技文物里的中国》

组编：中国科学家博物馆组编

出版单位：中国科学技术出版社

出版时间：2026年2月

《世界航天器史》

作者：(英)蒂姆·弗尼斯(Tim Furniss)

出版单位：中国科学技术出版社

出版时间：2016年7月

《九天揽月》

编著：尹怀勤

出版单位：科学普及出版社

出版时间：2019年9月

微信号丨大美科学