我們國家的探月工程，大致分為繞、落、回三部曲，與此同時，“嫦娥五號”是中國航天史上系統最複雜、難度最大的任務。不僅因為探測器的複雜性強，而且需要精確的控制降落速度，對月表的平整度要求極高。我們使用中國方案來解決中國的問題，透過鐳射三維慧眼解決這一實時性的問題。科學家如何研究深空發展史？鐳射三維慧眼是怎樣煉成的？“嫦娥五號”取回樣品又面臨著哪些考驗？
以下內容為中國科學院上海技術物理研究所副所長、研究員舒嶸演講實錄：
最近網上大家應該都看到關於“嫦娥五號”一系列的故事。
大家都知道我們最主要的目的是要到月球上去採“土特產”回來，那麼在沒有采“土特產”回來之前，我們的科學家如何來研究深空的發展史？
隕石就是一個很好的手段。
隕石是一種能穿過大氣層，沒有完全破碎的一種石頭，它帶來了很多深空的宇宙形成的一些要素或密碼。
火星上有沒有生命，實際上一直是科學界大家比較爭論的話題，大家非常有興趣的尋找地外生命。
在這塊隕石裡面，我發現了疑似一種細菌的化石，引起了我們很多的遐思。
從地球尋石到太空取樣在地球上的隕石其實是很多的，以月球隕石為例，月球隕石在地球上大概要達到幾百公斤的量級。
但是人類最想的還是直接到月球上採集隕石，比如美國的“阿波羅計劃”以及前蘇聯的“月球號”帶回的樣品。
實際上，從月球上帶回的隕石樣品還是有限的。
中國第一次去月球，要達到兩公斤左右。
實際上，從上個世紀六十年代的“阿波羅計劃”，一直到最近。
實際上大家在月球上，像美國和前蘇聯開展了一系列的探月活動。
中國從2000年以後也進入了月球。
實際上，去月球還是比較困難的一件事，原來在“嫦娥一號”、“嫦娥三號”成功的時候，我自己也覺得是挺容易的一件事。
但是2019年，以色列和印度都在落月的最後的一個關頭失敗了。
我覺得這件事情其實不是那麼容易的，那麼我們國家的探月工程，實際上圍繞著繞、落、回三部曲。
“嫦娥一號”實際上是要到達月球的。
我記得當時“嫦娥一號”在進入繞月軌道的時候，欒恩傑主任滿懷熱情地說，“我們繞起來了，繞起來了！”
中國人能夠到月球軌道拍回一張照片，實際上已經是最大的成功了。
但是，我們在透過“嫦娥”二號、三號、四號這三顆衛星上，實際上實現了對月球著陸區的詳細勘探。
從“嫦娥三號”的落月、“嫦娥四號”月球背面的著陸，應該說我們實際上一步一步地把月球探測走向了一個人類沒幹過的事情以及到這次的“嫦娥五號”。
我們又把兩公斤的樣品帶回了地球。
“嫦娥四號”實際上是人類歷史第一次在月球背面進行的一個軟著陸。
這裡我有一個非常深刻的體會，“嫦娥四號”在國際上從國際宇航聯合會，包括英國航空協會以及日本紛紛給予了最高的獎項。
其實科學探索的精神就是要做人類從來沒有做過的事情。
而月球的背面是人類第一次到月球的背面去進行軟著陸現場的勘探。
所以說，科學探索的精神就在於做從來沒有幹過的事情，那麼到月球的背面去，我們要帶哪些有用的手段？
我這邊簡單介紹一件事，我們到月球背面帶了一個在月球車紅旗的下方，有一個叫紅外成像光譜儀。
成像光譜大家可能覺得比較深奧，實際上大家都知道彩色照相機是一個RGB的多光譜相機。
如果說把這個光譜波段用稜鏡分光的方法，可以把它分得更精細。
我們可以得到一個連續的譜，我們都有教科書，大家都比較熟悉。
如果書裡的每一頁紙看到的是同一個景象，但是每一頁代表不同的波長，那麼實際上這就是一個成像光譜儀可以提供的資料。
我們可以看到幾何特徵，同時還能看到每一個點的光譜特徵。
那麼，我們就可以知道它是什麼樣子，還能知道它是屬於哪一類。
我們在“玉兔二號”上面帶的這個光譜儀，它帶有一個短波紅外的成像功能波段到短波紅外。
我們在月球的第二個晝夜開機確認了月壤的一個成分，這也驗證了深度撞擊坑的一個支撐。
在第三個月晝，我們探測到了一塊非常有趣的白色石頭。
我們科學家對這塊石頭非常感興趣，為了它進行了一個多次的光譜取樣。
那麼透過它的光譜的特徵採集和遙感資料的比對，我們覺得這塊石頭是右邊兩塊撞擊坑的濺射物，在歷史上的一次衝擊被撞到這個地方。
“嫦娥四號”在月球上做了這麼多勘探以後，大家對這個樣品的取回實際上是非常感興趣。
應該說“嫦娥五號”從2020年11月24號文昌凌晨發射以後到2020年12月17號，我們的返回器攜帶著月球的“土特產”在四子王旗著陸場降落。
這個過程，實際上我覺得是非常艱辛的。
因為“胖五”（嫦娥五號）等待這個發射的時刻已經等了整整五年。
因為我們在2015年年底就已經完成了“嫦娥五號”載荷的各項研製工作，由於“長征五號”前兩次的失利使得我們發射的時間一推再推。
在這個延遲的過程中，我們實際上非常擔心的是有的裝置儲存時間長了會不會失效儀器？壽命會不會有影響？
其實在這個過程中，我們的科研人員日日夜夜繼續圍繞著壽命，繼續圍繞著故障預案做了大量地日以繼夜的工作。
大家看到這次“嫦娥五號”非常的順利，其實背後有我們科研人員非常艱辛的付出。
航天事業是非常具有風險和挑戰的一個事業，所以我們任何一個大的動作都要做一些成熟性的驗證。
以“嫦娥五號”入軌的整個過程來看，我們在地球起飛到月球的繞月過程通過了“嫦娥一號”跟“嫦娥二號”的一個驗證。
應該說這個軌道目前是非常成熟的，從月球軌道返回地球。
我們在前幾年（2014年）做了一次“嫦娥五號”5T的一個任務，透過5T的任務我們驗證了重返地球大氣層，把樣品如何取回這麼一個階段。
所以說這次“嫦娥五號”最大的看點，其實就是月面的起飛和月面在軌的對接。
那麼“嫦娥三號”和“嫦娥四號”，把落月的這個過程進行了一個豐富的驗證，這一次的“嫦娥五號”應該是我們中國的航天史上系統最複雜、難度最大的一次。
為什麼呢？
實際上是因為探測器的複雜性非常高，它是由上升器、著陸器、返回器和軌道器，“四器”。
像變形金剛一樣的組成了不同的組合體，在落月之前進入了環月軌道，著陸上升器和軌道返回器進行了分離。
下面一張圖實際上說明了分離的一個過程，分離以後，軌道返回器在軌道上進行繞軌執行等待著著陸上升器的返回與上升器的返回進行對接，然後帶著上升器回到地球軌道。
其實，在地外行星的降落風險是非常大的。
據不完全統計，深空探測落到行星上的成功機率是50%。
大家可以看到這張照片，實際上是降落相機拍到的一個落月的實拍照片。
我們是在15公里的高度進行了正式的降落，大家可以看到剛才這個動作是在2.5公里進行了一個轉向，垂直對準月面。
在100米進入一個懸停段，影象中可以看到已經停了，有一個平移的過程然後進行下降。
所以說，咱們這個動作實際上是非常的連貫。
但是在最後的800秒中風險是非常大的，而且在這800秒裡面，我們地面控制是沒有辦法干預的，完全是靠在軌的裝置自動進行控制的。
落月過程中除了發動機以外，最核心要知道自己離月球有多遠。
所以說鐳射測距敏感器起到了一個“眼睛”的作用，它像一把標尺，時刻告訴計算機我們的著陸器離月球的表面還有多遠的距離。
右邊這張圖顯示了整個落月的一個飄浮過程，大家可以看到整個彈道是先下降，然後有一個上升。
實際上是為了有一個更好的垂直距離向下，進行了軌道的設計。
在2.5公里的時候鐳射測速敏感器就開機了。
鐳射測速敏感器是為了要解決我們速度的一個測量問題。
大家都知道這個速度要平穩下降。
因為“嫦娥五號”的重量非常重，只有速度測得越準著陸器降落才能越準，而且也能越穩。
這為我們後續的起飛也能創造非常好的條件。
鐳射測速敏感器採用的是相干多普勒的測量方法，這個目前也是國際上第一次在地外天體採用相干多普勒測速方法實現速度的一個測量，精度達到了0.1米/秒。
我前面說過，印度在落月的過程中，在最後的一刻失敗了。
為什麼會失敗呢？裡面有很多原因。
其中有一點，印度人分析因為他們在上面也搭載了鐳射測速敏感器，但是在落月之前在地面測試的時候，它的敏感器的效能不太好，所以它在落月的過程中沒有使用。
他的分析在最後那一刻砸向了月球，其實還是速度的控制，這是非常大的問題。所以說速度的控制是一件非常重要的事。
有了這兩樣法寶以後，我們能夠精準又平穩地落到了月球的近月面。
到了100米的高度，實際上最後我們的降落器是四條腿支撐的這種方式進行降落。
大家都知道在火星上面，美國人用了幾種新的方法，比如說用氣囊的彈跳式還有像直升飛機一樣的把它懸掛到了火星的表面，然後用根繩子把火星車放下來。
但是我們在月球上面，這麼重的一個裝置我們用的是四條腿，那麼對月表的平整度以及坑的高高低低的要求就非常高。
鐳射三維慧眼是怎樣煉成的？如何來解決這麼一個實時性的問題？我們需要在一秒鐘拍完這個資料，然後在10秒之內進行判斷。
7500牛發動機要維持10秒的月球的引力，然後再緩慢下降。
所以在這裡面，我們是用了中國的方案解決中國的問題。
因為我們計算機的速度不如美國那麼好，我們的姿態測量精度也不如美國的感測器那麼高。
所以我們要用這個感測器解決月球表面的三維的地形測量，那麼測量精度要做到什麼呢？
要在一個100米的高度，對一個50米×50米的區域達到把0.2米的坑和石頭區別出來。
另外一個坡度要小於8度，尋找這麼一個安全著陸區。
在剛才這樣的約束下，我們實際上是採用了一種新的方法。
既然我們的平臺是在7500牛的發動機推動下它會晃動，那麼我們如果用一個波束去掃這個面的話，時間會非常長，這個平面也會變成不平整。
但是我們如果用16個鐳射點，也就相當於用16把掃帚同時去掃一個房間的話，時間會提高16倍，相當於把照相機快門的時間提高了16倍，就能一下子進行一個精準的成像。
這也就是我們這個法寶提出的一個新的idea，在當時做這個專案的時候是非常早，大家現在在車載鐳射雷達裡面見的是比較多的。
我們現在在無人駕駛車裡面用多波數鐳射雷達來實現障礙物的一個選擇和避障。
但是在十年前，我們在做這個專案的時候，當時這個概念還是最新的提出。
但是16個鐳射點它引起的這個距離資訊實際上是有很大的差異，那麼在這裡面如何來演練成這件事非常的難。
首先我們要在模型上面建立一個演算法，這個模型是不是精準？模型要進行簡化才能變成什麼計算既能跑，但還要變成一個內嵌入式的DSP能夠進行計算。
第二點就是剛才說的16個波束是不一致的，那麼我們怎麼來檢校這16個波束，我們在上海同濟大學建了由八塊這樣的板構成的。
大家可以看到在這個圖的後方，這八塊板每塊是2米×8米那麼高，模擬了不同的距離。
這個距離是從80米到120米的寬度，坡度實現了從正負10度這麼一個範圍，這也是模擬我們降月過程中的懸停高度。
我們標稱高度是100米，然後能夠適應80到100米。
另外大家可以看到它的反射率是不一樣的，顏色也是不一樣的，表面反射率從6%到20%都能夠適應。
所以說這幾塊板要求是非常高的。
另外，這幾塊板還要非常平，因為我們是拿它做基準的。
這幾塊板一定要達到釐米，就是小於一公分的一個平整度，實際上我們做到的是毫米量級。
那麼在靠近咱們這個地方是一個經緯儀。
我們要用這個經緯儀，建立一個標準的目標靶的一個靶場，然後再用我們的鐳射三維成像敏感器，也拍一個一樣的資料，兩個解算出一組方程。
大家可以看到，這個是我們在儀器做好了以後，我們看是不是能避障？能力怎麼樣？做了一些模擬的月坑。
把我們的敏感器，用吊車吊起來實時拍這個照片，然後透過這個資料的檢校。
大家看一下左邊在檢校之前，實際上只能識別出六個坑。
但是我們檢校以後能夠識別出六十七個障礙物，這個大大地使得我們的真實度達到了百分百。
我們這個裝置在北京還模擬了月球低重力情況下的100米塔吊的實驗，7500牛發動機也進行了實時的工作。
有一個比較有趣的現象就是當風吹的時候，我們的羽流會影響鐳射資料，但實際上在真空裡面，由於真空下羽流擴散的時間非常長，所以資料是非常好的。
“嫦娥五號”落到了月球，其實在前面的三個鐳射的測距、測速加三維實現了月球的降落。
那天在落月的過程中，實際上做到這一步。
樣品取回的考驗我們的各位總師，他們其實覺得這件事已經做了第三次了，成功是應該的，不成功是不應該的，真正的考驗就開始了。
首先第一個是取樣，因為我們這次最主要的就是要帶樣品返回地球，那麼在取樣的過程中，首先乾的第一件事就是“鑽取”。
在鑽取的時候，我們的預計設計實際上是兩米的深度，在鑽取之前，有一個探地雷達進行了實時的地形的一個勘探。
我們發現在探地雷達裡面，實際上在一米的區域底下有石頭，有不同的反射率，有差異。
所以我們實際這一次的鑽取深度在0.9米就停了，前面鑽得非常快，在0.9米停下來以後，我們就進行了樣品的取回。
樣品取回風險還是比較大的，美國在火星上進行取樣也還是有風險，我們的樣品取回的時候，在前兩次也不是特別成功。
第三次是成功的把樣品，從鑽頭裡面把它取到了容器裡面，做完鑽取以後就要進行鏟取。
進行鏟取的話，肯定想挑最有價值的帶回地球，這時候月球礦物光譜分析就發揮了作用。
我們在“嫦娥四號”裡面，用光譜儀去鑑別了月壤的型別。
那麼在“嫦娥五號”裡面就用它來挑石頭，挑哪一塊區域更好？
我們在鏟取的一個面上，裝了一臺短波-中波紅外的月球礦物光分析。
這個波長能覆蓋到三微米，當時有一個設想，波段的延伸是想看看著陸區的地方有沒有可能有水？
實際上我們目前做下來，應該說是沒有看到這個訊號，那麼落到月球上以後，首先要知道我們到底採哪一塊石頭是有意義的。
首先用環視相機、全景相機進行了著陸區的一個環拍。
大家可以看中間這張圖非常的清晰，然後迅速地，地面的科研人員把這張圖做成了我們左邊這張圖。
這個扇形區是我們的鏟子能夠到的地方，中間的一個梯形區是我們成像光譜議拍到的地方。
最後選擇了四個點，我們在四個點一共剷了11下，把這個樣品裝到了我們的容器裡面。
我們的光譜儀在鏟之前鏟的過程中和之後都進行了光譜的測量。
由於我們樣品取樣點是有限的，所以我們光譜議把現場的很多資料都進行了採集，讓它帶回來。
“嫦娥五號”落月的著陸點的選擇，我們的科學家還是花了很大的功夫的。
因為美國跟蘇聯已經去過很多次月球了，我們選擇了一個偏遠的地方，也遠離我們“嫦娥四號”和美蘇他們去過的落點。
“嫦娥五號”實際上帶回的樣品年齡是比較年輕的，正好是這條曲線的中間部分，填補了全世界月球樣品年齡段的一個空白區。
這對於岩漿噴發的方式跟歷史的研究具有很好的意義。
剛才說了我們“嫦娥五號”的難點就在於起飛，這也是第一次幹。
我覺得起飛裡面最核心的就是降落。
為什麼這麼說呢？
因為降的地一定要平，所以透過我們這次降落，用三維成像找的區域。
實際上我們的降落區地的平坦區域小於兩度，所以對我們的起飛創造了一個非常良好的條件。
起飛以後，我們在軌跟軌道器進行對接，交匯對接在地球軌道也做過很多次。
我們的載人航天做交匯對接，這個是我們第一次在月球軌道做交匯對接，裡面的方式方法手段也跟地球軌道大致相當。
但是大家可以看到右邊，我們要把樣品從上升器給它移到返回器裡面，實際上運動部件在空間是非常難的。
我們在地面做一個動作是非常容易，在太空裡面做一個機械動作是非常難。
大家知道“嫦娥三號”為什麼月球車跑了一個月晝，最後醒來以後它就動不了？
那就是運動機構出了問題，所以我們搞航天的都知道運動機構是一個風險巨大的機構。
這麼複雜的轉移機構的成功也非常的重要。
在軌對接的那一天實際上日本也釋出了一個新聞，它的“隼鳥2號”已經到達了地球。
那麼到底“隼鳥2號”去小行星取樣比我們月球厲害還是差呢？
那麼我想只談一點，我們的月球去降落要用到7500牛的發動機，發動機的推力要非常大。
日本早期一直說要到達月球，但是日本由於發動機水平沒有達到這麼一個高度，所以它只能去做小行星的探測。
小行星探測在動力方面肯定是不如我們“嫦娥五號”的。
另外一個我們“嫦娥五號”有一個敏感器，應該說覆蓋了小行星探測的一些需求。
2020年12月19日早上我們的月壤已經從航天研製單位轉到了我們科學家團隊，它的重量是1731克。
“隼鳥2號”花了這麼大的代價其實取回來都是毫克量級。
所以說我們這一次的取得樣品數量是非常好的，中國人也實現了早期提的“探月三步走”的一個承諾。
我們在2020年前實現樣品的返回，那麼月岩取回來以後，實際上有很多科學家的研究，也可以進行一個大眾科普的工作。
另外，也可以開展很多國際的合作，歐陽自遠院士就拿我們當初拿到的0.5克做了一批科研成果。
美國看到中國“嫦娥五號”的成功，其實在咱們落月的過程中美國宣佈了它要重返月球。
所以在未來的十年，月球是非常熱鬧的一件事。
我們國家在未來的十年將在“嫦娥”登月、建立國際合作科考站以及在火星跟小行星探測過程中會將開展一系列的科研工作。
最後，我想月球成功了，我想我們的火星還在“奔火”的過程中，在2021年的春節能夠到達火星。
引用我們習大大的一句話：“我們要追逐夢想、勇於探索、協同攻堅、合作共贏的探月精神，實現我們國家邁向深空宇宙的腳步。”