主持人 鄭琳

據(jù)國家航天局消息，2020年11月24日凌晨4時30分，中國首個月球采樣返回任務“嫦娥五號”在海南文昌發(fā)射場，搭載長征五號運載火箭發(fā)射升空，奔赴月球。它的目標是采集約2公斤月球樣品并送回地球。

這是中國的第六個月球探測任務，它不僅標志著中國“嫦娥”工程將完成“繞、落、回”三部曲的第三階段目標，也意味著人類時隔44年，再次從月球帶回巖石和土壤樣品。上一次月球采樣返回任務，還是1976年蘇聯(lián)的月球24號。

月球采樣返回任務為什么那么重要？“嫦娥五號”又有哪些高難度的技術突破呢？本期科學匯就帶大家探索一下嫦娥五號任務的秘密。

為啥不能多帶點“貨”回來

因為這影響著整個火箭的重量

嫦娥五號任務將有11個重大飛行階段，分別是發(fā)射、地月轉移、近月制動、環(huán)月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會對接、月地轉移、軌道分離、再入回收。整個飛行過程23天，有23次重大的軌道控制和6次重大分離控制。

雖然嫦娥五號的任務非常復雜，但一點也不魯莽。其實，嫦娥五號任務的很多步驟，已經(jīng)在此前的其他探測任務上試驗過了。

在嫦娥五號即將抵達月球時，需要在火箭與探測器的分離點“踩一腳剎車”減速，這樣才能到達環(huán)月軌道，并被月球引力捕獲，繼而按照計劃讓著陸器著陸月球。

這次，科學家提出的挖土目標是約2公斤——鉆取的樣品是約0.5公斤，表取的樣品是約1.5公斤。很多同學會問，好不容易去一趟，為啥不多挖一點回來？

這是因為，采集量的多少需要與容器的大小相對應，繼而影響到整個探測器的體積、重量，以及推進劑的需求。比如為了鉆取0.5公斤的樣品，探測器上的鉆取機構要達到七八十公斤；為了表取1.5公斤的樣品，表取機構也要幾十公斤；這100多公斤的采樣機構都要由探測器送到月球去，會影響到探測器整體的重量、體積和功耗。

所以此次發(fā)射質量非常大——嫦娥五號探測器的總重量達到8.2噸。增加樣品重量就意味著最后可能會超過火箭的運載能力，所以2公斤的量已不算少了。

其次是在月球上打洞取樣，一樣不易。嫦娥五號攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等裝置，將采取深鉆、淺鉆，以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集月球樣本，并進行密封封裝。

接著，也是最重要的步驟之一——月面逃逸。

嫦娥五號飛到月球后，軌道器和返回器會保留在月球軌道上環(huán)繞，著陸器和上升器則分離出去，登錄在月球上。等到采樣任務結束，上升器會以著陸器為發(fā)射平臺，點火發(fā)射脫離月面。這可是一個高難度科目，因為著陸器所在位置很可能凹凸不平甚至在斜坡上。

下一個突破是月球軌道的交會對接。在遠離地球的太空里，上升器和軌道器之間的對接堪稱“針尖對針尖”，這樣高難度的宇宙空間定位，也完全依賴嫦娥五號自身的人工智能系統(tǒng)。

上升器成功對接返回器后，還要逃脫月球的引力，這就首先要達到月球的第一宇宙速度1.68千米/秒。而要脫離月球引力飛向地球，則需要達到月球的逃逸速度2.4千米/秒。

返回器進入大氣層

姿勢就像“打水漂”

嫦娥五號返回器返回地球的最后一步，也是難度技術很高的一個環(huán)節(jié)。因為返回器從38萬公里遠的月球風馳電掣般飛到地球附近時，速度會逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個速度遠遠高于普通返回式衛(wèi)星返回地球的第一宇宙速度（7.9千米/秒）級別。

有同學會說，這3公里的速度差，會有很大影響嗎？

當然會！以這樣的速度直接沖進大氣層，巨大的摩擦和沖擊足以讓返回器快速焚毀。所以，返回器采用了一個很特別的“姿勢”回到地球——它將在大氣層邊緣滑躍，多次減速，就像“打水漂”一樣。

但和我們平常靠手感打水漂不同的是，返回器每一次與大氣接觸都要經(jīng)過精準計算，最終以安全速度沖入大氣，再通過氣動減速和降落傘減速等方式，準確、安全降落在預定的著陸場。

為了嫦娥五號返回器的“打水漂”式返回，我國還曾在2014年，用嫦娥五號再入返回飛行試驗任務演習了一遍。

那次任務是我國首次采用半彈道式跳躍的返回方式，返回器進入大氣層后受控躍起，經(jīng)過滑行再次進入大氣層并飛向落區(qū)。但這種方式對控制精度提出了極高要求，返回器如果“跳”得過高會偏離落區(qū)，“跳”不起來則可能直接墜入大氣被燒毀。然而距地面60—90公里的高層大氣變化無窮，受到黑天白夜、太陽風、地磁場等多種因素影響，大氣變化誤差很大，需要制導導航與控制系統(tǒng)具備很大包容性。

如果此次任務圓滿成功，中國將成為世界上第三個從月球采集樣本返回地球的國家。但我國的探月任務還遠沒有結束。從嫦娥一號升空開始，到嫦娥五號探測器發(fā)射，我們還處在“無人探月”階段。探月工程的第二階段和第三階段分別是載人登月和建立月球科研站。

興趣小組

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有些同學可能會有疑問。采集月球樣本，美國和前蘇聯(lián)早在上世紀6、70年代就做過了。從1969年到1976年，6次阿波羅任務和3次月球號任務，總共帶回月球表面9個區(qū)域共計382公斤的月球巖石和土壤樣品。美國總統(tǒng)卡特在1978年訪華的時候也曾贈送給中國一份月球的土壤樣本。

那么，40多年以后，嫦娥五號再次去月球“挖土”，有什么重大意義呢？

雖然，美國和前蘇聯(lián)帶回了為數(shù)不少的月壤，然而這些樣品對于認識月球依然是很局限的。它們大多來自月球正面中低緯度的月海區(qū)域，形成年齡集中在42-32億年前，相當于月球的“童年”時期。

而在這個范圍之外的月球歷史事件對應的時間，全部是以這些地區(qū)為錨點，參考其他觀測結果（主要是撞擊坑統(tǒng)計）推測得到的。那么，實際上月球45億年的歷史中，在10-30億年這個時間段幾乎完全是空白。這正是嫦娥五號采集任務的意義所在。

這次，嫦娥五號將降落在月球最大的月海——風暴洋底部附近的一個直徑70千米山丘---呂姆克山中，這是位于月球西北角的一片暗灰色平原，月面坐標為北緯40.8°、西經(jīng)58.1°。

這一片遠離阿波羅和月球號采樣區(qū)的地方，有著豐富的火山活動遺跡，以及和之前的樣品不同的巖石類型。因此在這片火山區(qū)域，嫦娥五號可能采集到形成于10-20億年前的樣品，這將填補月球地質定年和年代劃分上最大的一塊空白。

這些樣本將幫助科學家了解月球在它“成年”以后的事情，能更好地了解地球上已經(jīng)存在多細胞生物的時候，月球上發(fā)生了什么。了解月球的歷史也有助于我們了解地球和太陽系中其他天體的演變。

如圖所示，“嫦娥五號”從月球返回地球的過程可以簡單分成四步,第一步將“嫦娥五號”發(fā)射至月球表面附近的環(huán)月圓軌道Ⅰ,第二步在環(huán)月軌道的A處進行變軌進入月地轉移軌道Ⅱ,第三步當接近地球表面附近時,又一次變軌,從B點進入繞地圓軌道Ⅲ,第四步再次變軌道后降落至地面,下列說法正確的是

A. 將“嫦娥五號”發(fā)射至軌道Ⅰ時所需的發(fā)射速度為7. 9km/s

B.“嫦娥五號”從環(huán)月軌道Ⅰ進入月地轉移軌道Ⅱ需要加速

C.“嫦娥五號”在關閉動力系統(tǒng)情況下從A沿月地轉移軌Ⅱ到達B點的過程中其動能一直增加

D.“嫦娥五號”在第四步變軌時需要加速

參考答案

答案：B

解析：月球的第一宇宙速度比地球要小，故A錯；

“嫦娥五號”從環(huán)月軌道Ⅰ進入月地轉移軌道Ⅱ是離心運動，所以需要加速，故B正確；

剛開始時月球對嫦娥五號的引力大于地球對嫦娥五號的引力，所以剛開始動能要減小，故C錯誤；

“嫦娥五號”降落至地面的運動為為向心運動，需要減速，故D錯誤。