主持人 鄭琳
據(jù)國(guó)家航天局消息，2020年11月24日凌晨4時(shí)30分，中國(guó)首個(gè)月球采樣返回任務(wù)“嫦娥五號(hào)”在海南文昌發(fā)射場(chǎng)，搭載長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭發(fā)射升空，奔赴月球。它的目標(biāo)是采集約2公斤月球樣品并送回地球。
這是中國(guó)的第六個(gè)月球探測(cè)任務(wù)，它不僅標(biāo)志著中國(guó)“嫦娥”工程將完成“繞、落、回”三部曲的第三階段目標(biāo)，也意味著人類時(shí)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(wù)，還是1976年蘇聯(lián)的月球24號(hào)。
月球采樣返回任務(wù)為什么那么重要？“嫦娥五號(hào)”又有哪些高難度的技術(shù)突破呢？本期科學(xué)匯就帶大家探索一下嫦娥五號(hào)任務(wù)的秘密。
為啥不能多帶點(diǎn)“貨”回來(lái)
因?yàn)檫@影響著整個(gè)火箭的重量
嫦娥五號(hào)任務(wù)將有11個(gè)重大飛行階段，分別是發(fā)射、地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行、月面下降、月面采樣、月面上升、交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移、軌道分離、再入回收。整個(gè)飛行過(guò)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(hào)的任務(wù)非常復(fù)雜，但一點(diǎn)也不魯莽。其實(shí)，嫦娥五號(hào)任務(wù)的很多步驟，已經(jīng)在此前的其他探測(cè)任務(wù)上試驗(yàn)過(guò)了。
在嫦娥五號(hào)即將抵達(dá)月球時(shí)，需要在火箭與探測(cè)器的分離點(diǎn)“踩一腳剎車”減速，這樣才能到達(dá)環(huán)月軌道，并被月球引力捕獲，繼而按照計(jì)劃讓著陸器著陸月球。
這次，科學(xué)家提出的挖土目標(biāo)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(xué)會(huì)問(wèn)，好不容易去一趟，為啥不多挖一點(diǎn)回來(lái)？
這是因?yàn)椋杉康亩嗌傩枰c容器的大小相對(duì)應(yīng)，繼而影響到整個(gè)探測(cè)器的體積、重量，以及推進(jìn)劑的需求。比如為了鉆取0.5公斤的樣品，探測(cè)器上的鉆取機(jī)構(gòu)要達(dá)到七八十公斤；為了表取1.5公斤的樣品，表取機(jī)構(gòu)也要幾十公斤；這100多公斤的采樣機(jī)構(gòu)都要由探測(cè)器送到月球去，會(huì)影響到探測(cè)器整體的重量、體積和功耗。
所以此次發(fā)射質(zhì)量非常大——嫦娥五號(hào)探測(cè)器的總重量達(dá)到8.2噸。增加樣品重量就意味著最后可能會(huì)超過(guò)火箭的運(yùn)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(hào)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(jìn)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(hào)飛到月球后，軌道器和返回器會(huì)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(wù)結(jié)束，上升器會(huì)以著陸器為發(fā)射平臺(tái)，點(diǎn)火發(fā)射脫離月面。這可是一個(gè)高難度科目，因?yàn)橹懫魉谖恢煤芸赡馨纪共黄缴踔猎谛逼律稀?/p>
下一個(gè)突破是月球軌道的交會(huì)對(duì)接。在遠(yuǎn)離地球的太空里，上升器和軌道器之間的對(duì)接堪稱“針尖對(duì)針尖”，這樣高難度的宇宙空間定位，也完全依賴嫦娥五號(hào)自身的人工智能系統(tǒng)。
上升器成功對(duì)接返回器后，還要逃脫月球的引力，這就首先要達(dá)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(dá)到月球的逃逸速度2.4千米/秒。
返回器進(jìn)入大氣層
姿勢(shì)就像“打水漂”
嫦娥五號(hào)返回器返回地球的最后一步，也是難度技術(shù)很高的一個(gè)環(huán)節(jié)。因?yàn)榉祷仄鲝?8萬(wàn)公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)馳電掣般飛到地球附近時(shí)，速度會(huì)逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個(gè)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jí)別。
有同學(xué)會(huì)說(shuō)，這3公里的速度差，會(huì)有很大影響嗎？
當(dāng)然會(huì)！以這樣的速度直接沖進(jìn)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(gè)很特別的“姿勢(shì)”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(guò)精準(zhǔn)計(jì)算，最終以安全速度沖入大氣，再通過(guò)氣動(dòng)減速和降落傘減速等方式，準(zhǔn)確、安全降落在預(yù)定的著陸場(chǎng)。
為了嫦娥五號(hào)返回器的“打水漂”式返回，我國(guó)還曾在2014年，用嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)任務(wù)演習(xí)了一遍。
那次任務(wù)是我國(guó)首次采用半彈道式跳躍的返回方式，返回器進(jìn)入大氣層后受控躍起，經(jīng)過(guò)滑行再次進(jìn)入大氣層并飛向落區(qū)。但這種方式對(duì)控制精度提出了極高要求，返回器如果“跳”得過(guò)高會(huì)偏離落區(qū)，“跳”不起來(lái)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(wú)窮，受到黑天白夜、太陽(yáng)風(fēng)、地磁場(chǎng)等多種因素影響，大氣變化誤差很大，需要制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)具備很大包容性。
如果此次任務(wù)圓滿成功，中國(guó)將成為世界上第三個(gè)從月球采集樣本返回地球的國(guó)家。但我國(guó)的探月任務(wù)還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。從嫦娥一號(hào)升空開(kāi)始，到嫦娥五號(hào)探測(cè)器發(fā)射，我們還處在“無(wú)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
我們?yōu)槭裁匆ピ虑颉巴谕痢?/p>
有些同學(xué)可能會(huì)有疑問(wèn)。采集月球樣本，美國(guó)和前蘇聯(lián)早在上世紀(jì)6、70年代就做過(guò)了。從1969年到1976年，6次阿波羅任務(wù)和3次月球號(hào)任務(wù)，總共帶回月球表面9個(gè)區(qū)域共計(jì)382公斤的月球巖石和土壤樣品。美國(guó)總統(tǒng)卡特在1978年訪華的時(shí)候也曾贈(zèng)送給中國(guó)一份月球的土壤樣本。
那么，40多年以后，嫦娥五號(hào)再次去月球“挖土”，有什么重大意義呢？
雖然，美國(guó)和前蘇聯(lián)帶回了為數(shù)不少的月壤，然而這些樣品對(duì)于認(rèn)識(shí)月球依然是很局限的。它們大多來(lái)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(dāng)于月球的“童年”時(shí)期。
而在這個(gè)范圍之外的月球歷史事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間，全部是以這些地區(qū)為錨點(diǎn)，參考其他觀測(cè)結(jié)果（主要是撞擊坑統(tǒng)計(jì)）推測(cè)得到的。那么，實(shí)際上月球45億年的歷史中，在10-30億年這個(gè)時(shí)間段幾乎完全是空白。這正是嫦娥五號(hào)采集任務(wù)的意義所在。
這次，嫦娥五號(hào)將降落在月球最大的月?！L(fēng)暴洋底部附近的一個(gè)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(biāo)為北緯40.8°、西經(jīng)58.1°。
這一片遠(yuǎn)離阿波羅和月球號(hào)采樣區(qū)的地方，有著豐富的火山活動(dòng)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(hào)可能采集到形成于10-20億年前的樣品，這將填補(bǔ)月球地質(zhì)定年和年代劃分上最大的一塊空白。
這些樣本將幫助科學(xué)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(xì)胞生物的時(shí)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(yáng)系中其他天體的演變。
如圖所示，“嫦娥五號(hào)”從月球返回地球的過(guò)程可以簡(jiǎn)單分成四步,第一步將“嫦娥五號(hào)”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(jìn)行變軌進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ,第三步當(dāng)接近地球表面附近時(shí),又一次變軌,從B點(diǎn)進(jìn)入繞地圓軌道Ⅲ,第四步再次變軌道后降落至地面,下列說(shuō)法正確的是
A. 將“嫦娥五號(hào)”發(fā)射至軌道Ⅰ時(shí)所需的發(fā)射速度為7. 9km/s
B.“嫦娥五號(hào)”從環(huán)月軌道Ⅰ進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ需要加速
C.“嫦娥五號(hào)”在關(guān)閉動(dòng)力系統(tǒng)情況下從A沿月地轉(zhuǎn)移軌Ⅱ到達(dá)B點(diǎn)的過(guò)程中其動(dòng)能一直增加
D.“嫦娥五號(hào)”在第四步變軌時(shí)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(cuò)；
“嫦娥五號(hào)”從環(huán)月軌道Ⅰ進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道Ⅱ是離心運(yùn)動(dòng)，所以需要加速，故B正確；
剛開(kāi)始時(shí)月球?qū)︽隙鹞逄?hào)的引力大于地球?qū)︽隙鹞逄?hào)的引力，所以剛開(kāi)始動(dòng)能要減小，故C錯(cuò)誤；
“嫦娥五號(hào)”降落至地面的運(yùn)動(dòng)為為向心運(yùn)動(dòng)，需要減速，故D錯(cuò)誤。
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