嫦五飛天探月 有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天史5個(gè)首次

▲嫦娥五號(hào)探測(cè)器在軌工作效果圖 供圖/航天八院
　　

　　24日4時(shí)30分，我國(guó)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器，火箭飛行約2200秒后，順利將探測(cè)器送入預(yù)定軌道，開啟我國(guó)首次地外天體采樣返回之旅。這是長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭的第六次發(fā)射，也是2020年第三次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

　　北京青年報(bào)記者從國(guó)家航天局了解到，長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，先后實(shí)施了助推器分離、整流罩分離、一二級(jí)分離以及器箭分離等四次分離。嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，在經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行后，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌運(yùn)行，著陸器承載上升器擇機(jī)實(shí)施月球正面預(yù)選區(qū)域軟著陸，按計(jì)劃開展月面自動(dòng)采樣等后續(xù)工作。

　　三問月球“挖土”

　　月球“挖土”需要多長(zhǎng)時(shí)間？

　　月面工作約2天 總飛行時(shí)間約23天

　　此次采樣包括月球表面的抓取和鉆取巖芯兩種方式，計(jì)劃采集2千克月壤樣品并嚴(yán)格密封后送回地球。嫦娥五號(hào)在月面工作的時(shí)間約2天，總飛行時(shí)間約23天。嫦娥五號(hào)有望實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天史5個(gè)“首次”：首次月面自動(dòng)采樣，首次月面起飛上升，首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接，首次帶月壤高速再入返回地球，首次大規(guī)模進(jìn)行月壤樣品的存儲(chǔ)、分析和研究。其中，月球表面自動(dòng)采樣是最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)階段，嫦娥五號(hào)計(jì)劃在月球呂姆克山附近著陸并采集月壤。為此，來自航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式，精心設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。著陸器和上升器組合體順利軟著陸在月球表面后，嫦娥五號(hào)隨身攜帶的鉆取采樣裝置、 表取采樣裝置、表取初級(jí)封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”將科學(xué)分工，精密配合，花2天時(shí)間采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等各種方式，采集約2千克月壤并密封封裝送回地球。

　　月面采樣技能有哪些？

　　超強(qiáng)鉆頭+機(jī)械臂 助力月面自動(dòng)“挖土”

　　“有了金剛鉆，才攬瓷器活”，在月面鉆取式“挖土”靠的是鉆取子系統(tǒng)，其核心部件就是鉆頭。嫦娥五號(hào)鉆取子系統(tǒng)的研制歷時(shí)十余年之久，而其獨(dú)創(chuàng)的鉆頭，是研制者們通過建立鉆進(jìn)與取芯能力評(píng)價(jià)體系，對(duì)比16種設(shè)計(jì)方案，最終確定了雙排鉆牙階梯構(gòu)型，經(jīng)過千錘百煉，保證鉆進(jìn)過程順暢可控，具備對(duì)8級(jí)硬度巖石的鉆進(jìn)能力。同時(shí)有針對(duì)不同顆粒度月壤進(jìn)行切削、撥、擠、排的能力，雙排出刃形成多個(gè)切削面，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠撥動(dòng)與突破臨界顆粒與顆粒集群，具有較好解決危險(xiǎn)工況和大顆粒的能力。

　　至于表取式“挖土”，靠的則是特定的機(jī)械臂。這個(gè)機(jī)械臂和人手幾乎是一樣的：在末端，即腕關(guān)節(jié)上有兩個(gè)采樣器，其中一個(gè)采樣器類似一個(gè)鏟子，樣子有點(diǎn)像帶鉤子的鐵鍬，接近月面的時(shí)候通過轉(zhuǎn)動(dòng)從月面挖取樣品；另一個(gè)采樣器末端為花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，能夠通過旋轉(zhuǎn)將黏結(jié)在一起的月壤破碎掉，從而獲得相對(duì)較深的樣品。

　　如何把月壤樣品帶回地球？

　　太空“打水漂” 攜月壤返回

　　懷揣著辛苦“挖”來的月壤樣品，嫦娥五號(hào)的返回器將啟程返回地球。返回器將首先以第二宇宙速度沖向地球，在進(jìn)入地球大氣層后，通過半彈道跳躍式再入返回技術(shù)重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進(jìn)行降落，最終返回器打開降落傘，平穩(wěn)安全地降落在四子王旗著陸場(chǎng)。

　　當(dāng)返回器帶著月壤，從38萬公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來，這時(shí)它的飛行速度是接近每秒11千米的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8千米的第一宇宙速度?？蓜e小看了這每秒3千米的差距，因?yàn)榫秃孟袢邮^，同樣一塊石頭從一層樓扔下來和從十幾層樓扔下來的速度肯定不一樣。同理，航天器從數(shù)百公里高的近地軌道返回和從38萬公里遠(yuǎn)的月球返回必然不同，而且差距巨大。一旦速度過猛，返回器一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想，必須讓返回器減速飛行。為此，航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們創(chuàng)新提出了“半彈道跳躍式再入返回”技術(shù)方案，就像在太空打水漂一樣，整個(gè)再入返回過程就是讓返回器先是高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面。整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣，確保嫦娥五號(hào)能安全順利地降落。

　　主要科學(xué)目標(biāo)

　　開展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球月壤樣品相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系；對(duì)月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化月球成因和演化歷史的研究。

　　三大工程目標(biāo)

　　一是突破窄窗口多軌道裝訂發(fā)射、月面自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月球樣品儲(chǔ)存等關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)航天技術(shù)水平；

　　二是實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)重大進(jìn)步；

　　三是完善探月工程體系，為我國(guó)未來開展載人登月與深空探測(cè)積累重要的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　11個(gè)階段任務(wù)

　　●發(fā)射入軌階段，由運(yùn)載火箭發(fā)射后進(jìn)入到地月轉(zhuǎn)移軌道的飛行階段；

　　●地月轉(zhuǎn)移階段，嫦娥五號(hào)完成器箭分離并展開相應(yīng)太陽翼，逐步進(jìn)入預(yù)定軌道，此階段大約飛行112小時(shí)，其間要進(jìn)行多次中途修正；

　　●近月制動(dòng)階段，在目標(biāo)環(huán)月飛行軌道正常行進(jìn)，并在近月點(diǎn)進(jìn)行2次減速制動(dòng)，以合適的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)入到環(huán)月圓軌道，最終進(jìn)入的軌道距離月面200千米左右；

　　●環(huán)月飛行階段，在環(huán)月飛行軌道中行進(jìn)到動(dòng)力下降初始點(diǎn)，并在該階段完成軌道返回組合體和著陸上升組合體的分離，等待上升器的到來；

　　●著陸下降階段，著陸上升組合體將從下降初始點(diǎn)開始進(jìn)行月面軟著陸，并經(jīng)過主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等階段，尋找合適的月面完成軟著陸，整個(gè)下降過程15分鐘左右；

　　●月面工作階段，著陸上升組合體將在月面停留2天，其間通過有效載荷設(shè)備完成月面科學(xué)探測(cè)，通過采樣封裝設(shè)備完成月壤的鉆取、表取以及封裝；

　　●月面上升階段，上升器將經(jīng)歷垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道射入三個(gè)階段，進(jìn)入到相應(yīng)的環(huán)月飛行軌道；

　　●交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移階段，從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開始，通過遠(yuǎn)程導(dǎo)引和近程導(dǎo)引技術(shù)，上升器與軌道返回組合體逐步完成交會(huì)對(duì)接，上升器中存放的月球月壤樣品通過軌道器轉(zhuǎn)移到返回器中；

　　●環(huán)月等待階段，嫦娥五號(hào)軌道返回組合體從對(duì)接艙分離并進(jìn)入月地入射點(diǎn)，等待月地入射窗口的到來；

　　●月地轉(zhuǎn)移階段，軌道返回組合體帶著月球采樣品從月球滿載而歸，經(jīng)歷多次中途修正后，在距離地球5000千米高度處實(shí)現(xiàn)軌道器和返回器的分離；

　　●再入回收階段，返回器帶著月壤樣品降落在地面預(yù)定地點(diǎn)。

　　權(quán)威解讀

　　采樣位置“選址十分明智”

　　我們?yōu)槭裁匆绱舜筚M(fèi)周章地去月球“挖土”呢？據(jù)全國(guó)空間探測(cè)首席科學(xué)傳播專家龐之浩介紹，通過研究目前已有的月壤，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，它們是在月幔部分融化的過程中，在月球表面下約300千米的深處形成，因?yàn)榛鹕交顒?dòng)而噴出到月球表面。對(duì)樣品的分析與實(shí)驗(yàn)證實(shí)，月壤和月巖中氧化鐵的含量很高，從中可以制取水和氧，未來可利用月面物質(zhì)支持月球基地的運(yùn)行，并為登月飛行器補(bǔ)充燃料。更重要的是，科學(xué)家還在采集回來的樣品中發(fā)現(xiàn)了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規(guī)模，月球上的氦-3用于核聚變發(fā)電后能夠滿足人類約1萬年的能源需求。

　　此外，在地球上，通過測(cè)量巖石中微量放射性化合物的衰變，人類已經(jīng)知道火山爆發(fā)、物種大規(guī)模滅絕發(fā)生的時(shí)間。但在太陽系其他地方，這個(gè)時(shí)間線是混亂甚至未知的，原因就是記錄太少，目前有關(guān)的月球數(shù)據(jù)都來自美國(guó)和前蘇聯(lián)帶來的月壤樣品。而“嫦娥五號(hào)”的采樣目的地在月球呂姆克山附近，它位于月球風(fēng)暴洋地區(qū)，形成時(shí)間相對(duì)較晚，這一地點(diǎn)的采樣將進(jìn)一步完善月球歷史的全貌，同時(shí)為不穩(wěn)定的隕石坑年齡測(cè)算方法提供新的定位點(diǎn)。

　　國(guó)際頂尖科學(xué)期刊《自然》（Nature）近日就嫦娥五號(hào)任務(wù)發(fā)表文章，評(píng)價(jià)嫦娥五號(hào)月面采樣的位置“選址十分明智”，表示其采回的樣本可以填補(bǔ)科學(xué)家對(duì)月球火山活動(dòng)理解上的一個(gè)重要空白。之前美國(guó)和前蘇聯(lián)采回的月壤和月巖樣品表明，月球上的火山活動(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。但對(duì)月球表面的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖，這與嫦娥五號(hào)著陸地區(qū)的年齡相仿。如果嫦娥五號(hào)的樣本證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng)，將改寫月球的歷史。(記者 雷嘉)

　　轉(zhuǎn)自：北京青年報(bào)

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