12月1日23時11分
嫦娥五號著陸月球呂姆克山
12月2日4時53分
探月工程嫦娥五號著陸器
和上升器組合體完成了
月球鉆取采樣及封裝
嫦娥五號平穩(wěn)著陸于月球正面風(fēng)暴洋的呂姆克山脈以北地區(qū)
據(jù)悉，目前，著陸器和上升器組合體正按計(jì)劃進(jìn)行表取采樣。
嫦娥五號是迄今為止國內(nèi)最復(fù)雜的航天器，這次無人月面采樣返回從發(fā)射入軌到返回再入，共有11個飛行階段，一個又一個難題可謂“步步驚心”。月球表面自動采樣封裝，是嫦娥五號任務(wù)中最引人注目的一個環(huán)節(jié)。
嫦娥五號如何采集月壤、又有哪些特殊本領(lǐng)將為嫦娥五號探測器的順利“通關(guān)”保駕護(hù)航呢？在月球上取樣，說的通俗點(diǎn)，就是在月球上“挖土”。但是，月面環(huán)境和我們熟悉的地球大不相同，月球表面白天溫度約180℃，夜間能達(dá)到零下150℃，晝夜溫差約330℃，無人采樣器需在150℃以上的月球表面工作。陌生的環(huán)境常常會帶來新鮮感，但對嫦娥五號來說，這種“新鮮感”卻成為無人月面采樣返回要過的第一道坎。據(jù)航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號探測器系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師彭兢介紹，考慮到樣品的種類、數(shù)量以及月球表面的不確定性，他們設(shè)計(jì)了鉆取和表取兩種方式，兩種樣品大概比例為1∶3。彭兢說：“目前有一些科學(xué)研究成果表明，月球正面風(fēng)暴洋北緣的呂姆克山附近區(qū)域的平均月壤厚度大約是4米，但這只是統(tǒng)計(jì)意義上的概率，困難的地方在于我們?nèi)ブ安⒉恢滥抢锸呛軋?jiān)硬的巖石，還是很松軟的月壤。從現(xiàn)在的研究來看，大概率是松軟的，現(xiàn)在設(shè)計(jì)的目標(biāo)深度是兩米左右?！?/span>
由于嫦娥五號本身是由上升器、著陸器、返回器和軌道器四部分共同構(gòu)成，這個重8.2噸的“大家伙”自身比較重，也就決定了它沒有機(jī)會再攜帶巡視器，相比嫦娥三號和嫦娥四號，嫦娥五號不能再依靠巡視器完成勘探的工作。彭兢說：“鉆取采樣裝置正下方的點(diǎn)有哪些特性，我們事先并不知道，萬一碰到特別堅(jiān)硬的巖石，就有可能采不到，當(dāng)然我們在地面也做了很多工作，某一些堅(jiān)硬的巖石在特定的條件下，是可以通過鉆頭將堅(jiān)硬的巖石表面打碎，取得一些顆粒狀的月壤，但是這些有很大的不確定性，這也是我個人認(rèn)為深空探測里比較有魅力的地方。”那么，表取又是如何進(jìn)行？對此，科學(xué)家們專門為這種采樣方式設(shè)置了特定的機(jī)械臂。彭兢表示：“這個機(jī)械臂和人手幾乎是一樣的，在末端，就是腕關(guān)節(jié)上有兩個采樣器。一個采樣器類似于一個鏟子，這個鏟子有點(diǎn)像帶鉤子的鐵鍬，通過接近月面的時候轉(zhuǎn)動，從月面挖取樣品?！迸砭そ榻B，在表取時將使用兩種采樣器，除了鏟挖式，還有一種末端為花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)的采樣器，它能通過旋轉(zhuǎn)，破碎掉黏結(jié)在一起的月壤，從而獲得相對較深層的樣品。彭兢說：“現(xiàn)在選定的風(fēng)暴洋西北部地區(qū)帶回來的樣品，跟之前的樣品放在一起，對月球形成演化的過程會有更好的了解。樣品有一定的不確定性，需要等到樣品返回地球之后，在地面開展了相關(guān)的研究工作才能知道?！?/span>據(jù)國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設(shè)計(jì)師、嫦娥五號任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹，嫦娥五號隨身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“神器”，將采取深鉆、淺鉆，以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約2公斤月壤，取得的樣品將用上升器的密封封裝裝置進(jìn)行高真空密封，隨后帶回地球。對接秘笈：用上“抱爪式”對接機(jī)構(gòu)
之后，嫦娥五號采樣返回的第二道關(guān)卡出現(xiàn)了，就是月面起飛。彭兢介紹，從距離地球38萬公里以外的月面起飛，不確定性非常大，而能否成功起飛也關(guān)系到后面交會對接能否順利實(shí)現(xiàn)，這一環(huán)節(jié)是交會對接的起點(diǎn)，需要上升器百分百瞄準(zhǔn)交會對接的軌道器。彭兢說：“這個位置可能會存在一定的偏差，不像在地面表面可以精確到米甚至厘米，在月球上現(xiàn)在的指標(biāo)可能就是百米這個量級，這些誤差都會影響到入軌的精度。另外，月球的引力場確實(shí)和地球有所不同，所以軌道設(shè)計(jì)要考慮月球引力場的影響?！?/span>成功從月面起飛后，上升器和軌道器開始交會對接，將樣品轉(zhuǎn)移至返回器中。相比此前，空間實(shí)驗(yàn)室天宮一號采取的是撞擊式交會對接，這一次，按照月球軌道和嫦娥五號的特點(diǎn)，有了全新調(diào)整。據(jù)航天科技集團(tuán)八院嫦娥五號探測器副總設(shè)計(jì)師查學(xué)雷介紹，這一次采用了全新、輕型化“抱爪式”對接機(jī)構(gòu)。查學(xué)雷說：“主要的特點(diǎn)是相對很輕，能夠保證月球探測器減重的需求；另外一個特點(diǎn)，與地球軌道上非常不一樣的是，在月球軌道上進(jìn)行對接，因?yàn)榫嚯x地球很遠(yuǎn)，會有一個時延，對我們是比較大的一個挑戰(zhàn)。”查學(xué)雷介紹，采用輕小型化的抱爪式對接機(jī)構(gòu)，能夠在21秒的時間里，“穩(wěn)、準(zhǔn)、狠”地完成任務(wù)。與之前不同，這時返回器不但速度快，而且與大氣劇烈摩擦、表面溫度也更高，如何保證順利回到地球？這是無人采樣返回的最后一道關(guān)卡。據(jù)裴照宇介紹，團(tuán)隊(duì)采用了半彈道彈跳式返回的方式。裴照宇說：“彈道式就像導(dǎo)彈，導(dǎo)彈打到外太空之后再入地球，不再進(jìn)行升力控制，是靠慣性落到地面，而我們要進(jìn)行準(zhǔn)確的著陸點(diǎn)的控制，采用了半升力控制的方式?！?/span>就像“打水漂”，相當(dāng)于返回器要先進(jìn)一次大氣層，利用大氣層的阻力使它降速，然后再回來；第二次再入大氣的時候，它的速度就會更慢一些適合著陸。
裴照宇表示：“采用跳躍式是為了減少力熱的影響，使得再入的時候更安全，這樣的方式為未來進(jìn)行技術(shù)積累?！?/span>除了通過“打水漂”，科學(xué)家們還在返回器材料上做了文章。據(jù)航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號探測器返回器副主任設(shè)計(jì)師劉大海介紹，返回器使用了蜂窩結(jié)構(gòu)的防熱層，約20毫米厚，里面填充的都是新型耐燒蝕材料。除此之外，在耐高溫發(fā)動機(jī)以及推進(jìn)器的控制方面，進(jìn)行了創(chuàng)新。月球的表面不是堅(jiān)硬的巖石，而是覆蓋了一層松散的土壤，科學(xué)家稱之為“月壤”。人類目前擁有的月壤，均來自9次探月任務(wù)。阿波羅登月計(jì)劃的6次任務(wù)，一共從月球正面的6個不同地點(diǎn)采集并帶回了382公斤的月球樣品，其中約1/3是月壤；蘇聯(lián)的3次月球號任務(wù)，也采回了300克左右的月壤樣品?！ ?/span>通過對這些樣品的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，除了粒度都很細(xì)小之外，月球與地球上的土壤有很大的差異。 地球上的土壤大家都很熟悉，是一層疏松的物質(zhì)，是由巖石風(fēng)化形成的細(xì)粒礦物質(zhì)，添加了有機(jī)質(zhì)和水，含有微生物等。地球上土壤的形成，除了化學(xué)、物理作用之外，生物的活動是其最重要的特征。此外，我國西北地區(qū)廣泛分布的黃土，是一種比較特殊的土壤，主要由風(fēng)力搬運(yùn)、沉積形成。黃土逐年堆積，因此還記錄了長達(dá)200多萬年的氣候變化歷史?！?/span>由于沒有大氣，月壤被直接暴露在太陽輻射和微隕石的轟擊之下，組成和物理性質(zhì)發(fā)生改變，科學(xué)家們將這個過程稱為“太空風(fēng)化”，從而與地球上在大氣、水和生物共同作用下的“地表風(fēng)化”相區(qū)別。“月壤”的誕生具備非常高的研究價(jià)值，也是各國航天學(xué)家研究宇宙環(huán)境的主要途徑。從外表上看來看，“月壤”更像是一種偏粉末狀的巖石，不過其真正的意義，在于其源自月球的屬性。根據(jù)“月壤”的研究數(shù)據(jù)，科學(xué)家們可以分析出月殼巖石圈的化學(xué)成分和分布特征，這對于世界各國月球的研究來說無異于是一次新的突破。即使對已有研究的結(jié)果論證，也是對月球研究新領(lǐng)域的創(chuàng)新?？梢哉f，不管哪一個國家率先取回了“月壤”樣本，都是對探月工程的一次重要搶先，這也是當(dāng)前世界各國為何頻繁覬覦中國嫦娥五號帶回“月壤”的原因。
月壤中絕大部分物質(zhì)是就地及鄰近地區(qū)物質(zhì)提供的。由于月球幾乎沒有大氣層，月球表面長期受到微隕石的沖擊及太陽風(fēng)粒子的注入，太陽風(fēng)粒子的注入使月壤富含稀有氣體組分。由于太陽風(fēng)離子注入物體暴露表面的深度一般小于0.2μm，因此這些稀有氣體在細(xì)粒月壤中平均含量最高，在深達(dá)數(shù)米的月壤中這些稀有氣體的含量較均勻。 在月壤的稀有氣體中，還含有氦3。氦3能夠參與核反應(yīng)聚變。月壤中氦3的含量較為穩(wěn)定，月壤中氦3的資源總量可達(dá)100萬——500萬噸。而地球上天然氣可提取的氦3是非常少的，只有15——20噸。 月球中還有，月海玄武巖中的鈦、鐵等資源，克里普巖與稀土元素、釷、鈾等資源 (克里普巖(KREEP)是高地三大巖石類型之一，因富含K（鉀）、REE（稀土元素）和P（磷）而得名)此外，月球還蘊(yùn)藏有豐富的鉻、鎳、鉀、鈉、鎂、硅、銅等金屬礦產(chǎn)資源。科學(xué)家在帶回來的月球樣本中發(fā)現(xiàn)了無污染儲量大能源效率高的理想材料氦-3。如果采用氚和氦-3核聚變發(fā)電作為替代能源，全中國每年只需要10多噸的氦-3，全世界也只需要100多噸就能滿足所有的能源需求。那月球上一共有多少氦-3呢？至少能滿足人類1萬年能源需求的量。所以哪個國家先攻克了，哪個國家就在世界上擁有了更多話語權(quán)。內(nèi)容來源：C3H3化學(xué)，版權(quán)歸原作者所有，如涉及版權(quán)問題，請及時聯(lián)系我們刪除。
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