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探月工程收官之戰:嫦娥五號開啟月球『挖土』之旅
2020-11-24 16:17:53 來源:經濟日報  作者:

  記者從國家航天局獲悉,11月24日4時30分,我國在中國文昌航天發射場,用長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器,火箭飛行約2200秒後,順利將探測器送入預定軌道,開啟我國首次地外天體采樣返回之旅。

  嫦娥五號昇空瞬間。本報記者高興貴攝

  拋開那些專業術語,其實這次的探月任務可以形象地概括為:我們派嫦娥五號去月球出了個差,並請它帶回一些『土特產』即月壤回來以便科學研究。

  嫦娥五號是我國探月工程『繞、落、回』三步走的收官之戰,我國探月工程自2004年1月立項並正式啟動以來,已連續成功實施嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、再入返回飛行試驗和嫦娥四號等五次任務。那麼嫦娥五號與前幾次的探測有什麼不同之處?工程有哪些難點需要突破?將要實現哪些科學目標呢?

  西昌衛星發射中心文昌發測站副站長、嫦娥五號任務01指揮員胡旭東(中)激動鼓掌慶祝發射任務成功。本報記者高興貴攝

  旅程步步創新

  嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器、上昇器四個部分共15個分系統組成,是中國首個實施無人月面取樣返回的航天器。

  嫦娥五號計劃實現三大工程目標:

  一是突破窄窗口多軌道裝訂發射、月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月球樣品儲存等關鍵技術,提昇我國航天技術水平;

  二是實現我國首次地外天體自動采樣返回,推動我國科學技術重大進步;

  三是完善探月工程體系,為我國未來開展載人登月與深空探測積累重要的人纔、技術和物質基礎。

  月面自動采樣和封裝是此次任務的核心關鍵之一。在這個階段,嫦娥五號探測器將在月面選定區域著陸,並使出渾身解數采集月壤,實現我國首次月面自動采樣返回。為此,中國航天科技集團五院的設計師們為嫦娥五號精心設計了兩種『挖土』模式:鑽取和表取。當『嫦娥五號』的著陸上昇組合體順利軟著陸在月球表面後,就要開始為期2天的月面工作了。它隨身攜帶的挖土『神器』,將科學分工,精密配合,采取深鑽、淺鑽、『鏟土』、『挖土』、『夾土』等各種方式,采集約2千克月壤並進行密封封裝,經月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉移和再入回收等過程將月球樣品安全送至地球家園。

  當嫦娥五號探測器完成月面工作後,就要踏上『回家』的旅程。

  月面起飛上昇是回家的第一步。要知道,運載火箭在地球起飛是有一套完備的發射塔架系統的,點火起飛的位置、飛行軌道等也要經過精確測算。而月面起飛就不一樣了,由於月球表面環境復雜,著陸器很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,這給起飛帶來了很大的難度。此外,『嫦娥五號』在月面起飛無法做到像運載火箭一樣,在發射前由地面人員完成測調和確認,必須依靠自己的力量,實現起飛時的自主定位、定姿。

  嫦娥五號在回家路上還要實現月球軌道交會對接。在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接在我國尚屬首次。設計師們像訓練一名體操運動員一樣,為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關鍵動作,助推嫦娥五號實現完美對接,這項月球軌道交會對接技術具有世界先進水平。

  當返回器帶著月壤,從38萬公裡遠的月球風馳電掣般向地球飛來,這時它的飛行速度接近每秒11公裡,稱之為第二宇宙速度。這和一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8公裡的第一宇宙速度有很大不同。速度過快很容易讓航天器一頭撞向地球,後果不堪設想。為此,設計師們提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在太空打水漂一樣,讓返回器先是高速進入大氣層,再借助大氣層提供的昇力躍出大氣層,然後再入大氣層,最後返回地面。

  挖土意義重大

  此次嫦娥五號任務的科學目標主要是開展著陸點區域形貌探測和地質背景勘察,獲取與月球樣品相關的現場分析數據,建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯系;對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究,分析月壤的結構、物理特性、物質組成,深化月球成因和演化歷史的研究。

  月球的土壤,對地球人來說卻蘊藏著巨大的科學價值。

  據中國地質大學(武漢)行星科學研究所教授肖龍介紹,月壤是研究月球的樣本,由月球岩石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用後形成,其中有大量的月球岩石碎塊、礦物及隕石等物質。科學家通過研究這些月壤物質,既可以了解月球的地質演化歷史,也可以為了解太陽活動等提供必要的信息。

  除科學意義外,月壤還含有豐富的資源。

  據航天科技集團五院相關專家介紹,科研人員通過研究發現,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過程中,於月球表面下約300千米深處形成,因火山活動而噴出到月球表面。通過對樣品的分析與實驗證實,月壤和月岩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支持月球基地的運行,並為登月飛行器補充燃料。

  更重要的是,科學家還在采集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模,月球上的氦-3用於核聚變發電後能夠滿足人類約1萬年的能源需求。此外,由於月壤處於月球的最表層,具有松散、非固結、細顆粒和易於開采的特點,是未來月球科研站建設、采礦、修路、資源提取的首選目標。

  據專家介紹,在可預見的相當長的時間內,月壤的經濟價值遠高於下伏的基岩。因此,通過對月壤的精細研究,可提供月球資源開發利用前景的重要信息,並為月球基地的選址提供重要的科學依據。需要說明的是,目前所謂的月球資源,是指對地球上的人類具有潛在的開發價值,還不具備商業開發的價值。

  經濟日報經點科學工作室

  記者:姜天驕

責任編輯:焦志明

【專題】嫦娥五號探測器成功發射