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十三年“探月工程”长路,约两公斤月球土壤终于即将带回中国

 全现在APP 2020-12-05
11月24日凌晨4点30分,“长征五号”运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空,顺利将重达8.2吨的“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道。
此次登月采样返回任务,"嫦娥五号"将在月球表面向下钻探2米深,取出约2公斤岩石样本带回地球。这是探月工程“绕、落、回”三步走中,第三步的首次任务。
“长征五号“运载火箭升空。图片:中国探月
中国工程院院士、航天科技集团一院运载火箭专家龙乐豪在接受《焦点访谈》时表示,从探月工程来讲,“‘绕’我们开头了,‘落’也是中间的,‘回’主要是采样返回。这次是最后一战。”
据中国国家航天局(CNSA)最新消息称,12月3日23时10分,"嫦娥五号"从月面起飞,将携带样品的上升器送入到预定环月轨道,顺利完成最关键、风险最高的操作阶段。
上升器发动机点火瞬间。图片:国家航天局
如果后续一切顺利,"嫦娥五号"将于12月中旬在内蒙古着陆,成为自1976年前苏联的“月球24号 (Luna24)”以来首次完成登月采样返回任务。
时隔半个世纪,科学家们将再次拥有月岩样本,研究月球历史后期发生的事情,以及地球和太阳系是如何演化的。

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奔月“挖土”前史

月亮寄托了人们很多浪漫的想象,嫦娥工程的名字正是从中而来。嫦娥工程,也叫“探月工程”,始于2007年10月24日,“嫦娥一号”卫星由“长征三号甲”运载火箭在西昌卫星发射中心顺利发射,于11月5日准确进入了环月轨道。
彼时,“嫦娥一号”来到月球表面,在其上方100至200公里处盘旋,将微波信号反射到月球表面,产生了当时最高分辨率的图像。除了绘制月球上的特征图外,“嫦娥一号”还调查了月球土壤中氦-3元素的情况。据任务设计者说,有朝一日,氦-3或许能为核反应堆提供动力。
图片:探月工程
但要追溯“挖土”前史,还得将时间再往前推7年。2000年,中国科学院研究组提出 “绕、落、回” 三步走的设想。同年11 月 22 日, 国务院发布的《中国的航天》白皮书, 明确将其列入了近期发展的目标。
等到2004年1月23日,国务院才正式批准了月球探测工程一期——绕月探测工程立项,月球及深空探测活动的序幕也由此拉开。同年2月25日,绕月探测工程被正式命名为 “嫦娥工程”。
在公开演讲中,航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢说,“‘绕、落、回’——这三个字就是对我们国家探月工程这三个目标最好的概括。”
彭兢。图片:《设定一个小目标,去月球》演讲图
所谓“绕、落、回”, 即是分别以环绕月球实现全局探测、在月面软着陆并巡视开展精细探测、在月球表层采集样品并带回地球进行实验室研究为核心目标。
三者是逐次递进的关系。
“嫦娥一号”发射一年后,CNSA派出“嫦娥二号”航天器完成“绕”的后续任务,绘制出了更为壮观的月球表面地图。这艘航天器的主要目标是为后续的着陆器侦察位置。
“嫦娥二号”在结束其主要任务后,离开月球轨道,飞向日地拉格朗日L2点。在那里,地球和太阳的引力刚好抵消。
由此,CNSA成为第三个访问该点的机构,并在该点展示了深空通信和跟踪技术,继续为未来任务做准备。
“嫦娥二号”属于探月工程二期。二期包括“嫦娥二号”、“嫦娥三号”和“嫦娥四号”3 次任务,其主要目标是实现在月面软着陆,开展月面就位探测与巡视勘察。
其中,“嫦娥三号”的任务目标是实现探月二期“落”。而“嫦娥二号”为工程先导星、“嫦娥四号”为“嫦娥三号”的备份。
“嫦娥五号”关键环节分解图。图片:中国探月
2013年12月2日,“嫦娥三号”探测器随“长征三号乙”运载火箭从西昌卫星发射中心升空。探测器精确入轨、成功环月,并于12月14日安全着陆于虹湾预选着陆区,12月15日巡视器和着陆器可靠分离并完成互拍,开展了“测月、巡天、观地”等探测,获得了大量科学数据。
而此次奔月“挖土”属于第三阶段,即在2020年发射月球采样返回器到月球表面特定区域软着陆并采样,然后将月球样品带回地球,在实验室进行详细研究。但想实现奔月”挖土”并非易事。

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登月“挖土”之难

作为“探月工程”收官之作,“嫦娥五号”所面临的困难,比其“姐妹们”要多很多。“嫦娥一号”总设计师叶培建院士在论文中写道,“(五号面临的)技术挑战是前所未有的, 新技术多, 试验验证更难。”
在接受《焦点访谈》采访时,航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总指挥张高表示,“(这次)我们实际上是把前期探月工程,包括说载人航天、返回式卫星等,应该(是)作为相关航天技术集成的一个任务。”
“嫦娥五号”探测器。图片:见图片右下角
据彭兢介绍,“嫦娥五号”探测器有四部分结构。从下往上,分别是轨道器、上面一点在轨道器肚子里面有一个返回器,然后是着陆器,最顶上是上升器。
在彭兢看来,这个任务最复杂的地方就在于环环相扣,每个环节都不能存在任何误差,因为“可能刚开始只是几秒钟的差别,或者几分钟的差别,到后边一定程度或者说其它一些条件变化之后,可能整个任务就没法继续了。“
叶培建院士在《中国月球探测器发展历程和经验初探》中把“嫦娥五号”的难点归结为“三多”,飞行阶段多、关键环节多、设计约束多。
所谓飞行阶段多,是因为探测器有四器组合体、两器组合体、对接组合体、单器等多种工作模式, 而整个飞行过程中舱段之间需要进行多次分离,飞行程序时序性强,各个飞行事件环环相扣,探测器系统工作模式和串联环节多,对系统可靠性要求高。
“嫦娥五号”航天器。图片:中国探月
对此,航天科技集团八院、嫦娥五号探测器系统副总设计师查学雷也对《焦点访谈》记者表示,“原来设计器是跟轨道器完全匹配的,如果它拖的话,上升的时间和上升的轨迹就会不一样了。”
而关键环节多,指的是若想完成月球采样返回任务, 探测器需完成安全软着陆、月面采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接、高速再入返回、多次分离等多个环节;设计约束多指的则是系统设计面临着设计约束多和资源受限的问题。
探测器在月球表面自动采样。图片:中国探月。
其中,月面采样是探月三期工程中最核心的一个任务,如何在月球采集到尽可能多的月壤样本,并且封装好,是嫦娥五号的研制重点。而月面起飞是风险系数较高的阶段。
就月面采样问题,彭兢介绍,“一种是钻取,一种是表取。具体来讲,钻取就是钻到月球表面两米深以下处,得到深层样品的层理信息。同时,在这个过程中,获取不同月球表面到月表以下不同深度的月壤,然后表取就是从月球表面去铲土这样的过程。”
据CNSA消息称,12月2日22时,“嫦娥五号”经过约19小时月面工作,顺利完成月球表面自动采样,并已按预定计划将样品封装保存在上升器携带的贮存装置中。
航天科技集团五院、嫦娥五号探测器总体副主任设计师朱舜杰告诉央视新闻的记者,“表取本来的计划是要做15次,但因为我们昨天实际工作确实比较顺利,每次采集到的土都比较多,所以在采集完12次之后,我们就发现就初级封装容器的罐子已经基本上满了。”
图片:“嫦娥五号”着上组合体着陆后全景相机环拍成像。
CNSA最新消息称,12月3日23时10分,“嫦娥五号”从月面起飞,顺利将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。据了解,“嫦娥五号”在月面起飞成功后,还面临着首次月球轨道交会对接,把样本移至返回器内,以及后续38万公里的回家路。按照计划,样品将在12月16日或12月17日左右降落在内蒙古的着陆场。
这将是一个具有里程碑意义的事件。自1976年苏联的“月球24号”任务带着大约170克样本返回地球以来,自动采集的原始月球样本还没有被送到过地球。
着陆点示意图。图片:中国探月
此刻,科学家们手中的研究材料还停留在1969年。当年,美国宇航局阿波罗任务将382公斤月球物质带回了地球。据悉,阿波罗的一些材料也来自于“嫦娥五号”的着陆点——“风暴海洋(Oceanus Procellarum)”。在1969年底,阿波罗12号曾探索过这个巨大的火山平原。
如果后续一切顺利的话,“嫦娥五号”带回的样品将帮助科学家了解月球历史后期发生的事情,以及地球和太阳系是如何演化的。

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