“嫦娥五號”月球探測器發(fā)射 你應該知道這八個知識點
作者|喬暉
來源：騰訊空間
2020年11月24日凌晨4時30分，中國長征五號運載火箭在海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射，搭載中國嫦娥五號月球探測器。
這是中國首次進行月球采樣返回任務，也是中國迄今為止進行的最復雜的航天任務。
據悉，此次航天任務有11個主要飛行階段、23個主要軌道控制、6個主要分離控制等復雜環(huán)節(jié)，以及航天器在月球表面著陸和起飛、月球軌道無人交會對接等高風險環(huán)節(jié)。整個采樣返回過程長達23天，發(fā)射起飛只是長征的第一步。
1.為什么這次任務一定要用長征五號火箭？
長征五號火箭(俗稱“胖五號”)是目前我國運載能力最強的火箭，低地球軌道運載能力25噸，地火轉移軌道運載能力6噸，地月轉移軌道運載能力8.2噸。
長征五號遠程五號運載火箭的垂直運輸。
此前，長征三號甲火箭、長征三號丙火箭和長征三號乙火箭承擔了我國月球探測器的發(fā)射任務，先后發(fā)射了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號和嫦娥四號月球探測器，完成了繞月、著陸和巡天探測任務。
然而，長征五號是唯一一次執(zhí)行嫦娥五號發(fā)射任務。這是為什么？
原則上，火箭發(fā)射探測器的運載能力取決于兩個因素：一是看探測器有多重，二是看探測器要去哪里。具體來看嫦娥五號：嫦娥五號探測器的總重量約為8.2噸，目的地是38萬公里外的月球。國內運載能力最強的長征五號火箭剛好能滿足要求，所以必須用長征五號火箭發(fā)射。
2020年7月23日，長征五號運載火箭也成功發(fā)射了田文一號火星探測器，目前正在前往火星的途中。
2.嫦娥五號和中國以前的探月任務有什么區(qū)別？
傳說：中國探月工程Logo。
中國探月工程是中國發(fā)射的第一個探月工程，于2004年1月23日正式發(fā)射。分為纏繞、下落和返回三個部分。
1.“繞”是發(fā)射月球衛(wèi)星，嫦娥一號和嫦娥二號已經實現(xiàn)；
嫦娥一號(左)和嫦娥二號(右)的飛行軌道。
2.“著陸”是指在月球表面軟著陸。嫦娥三號實現(xiàn)了月球正面軟著陸，嫦娥四號也實現(xiàn)了月球背面軟著陸，并在月球背面開展了科學探索工作，這在世界上尚屬首次。嫦娥四號雖然是嫦娥三號的后援星，但也有不少創(chuàng)新。
嫦娥四號登陸月球。
3.“返回”是指從月球表面取樣并返回地球，這是嫦娥五號執(zhí)行的任務，計劃將2公斤月球土壤樣品帶回地球。
值得一提的是，后來，中國擴大了“月球科學研究站”的使命。這一任務由后來的“嫦娥六號”、“嫦娥七號”和“嫦娥八號”完成。計劃在月球南極地區(qū)著陸，進行更復雜的科學研究。
3.美國和前蘇聯(lián)收集了多少月球樣本？
眾所周知，到目前為止，只有兩個國家成功地從月球帶回了樣本：美國和前蘇聯(lián)。
傳說：阿波羅15號宇航員收集的月球巖石。
其中，美國在20世紀60年代和70年代的阿波羅計劃中，通過六次載人著陸，從月球上回收了381千克月球土壤和巖石樣本。
阿波羅17號宇航員收集的月球土壤。
在20世紀70年代，前蘇聯(lián)通過月球16號、月球20號和月球24號無人探測器共回收了330克月球土壤樣本。
自1976年前蘇聯(lián)月球20號探測器最后一次月球采樣返回以來，已經過去了44年。
4.嫦娥五號探測器長什么樣？
嫦娥五號探測器由四部分組成：軌道器、著陸器、上升器和返回器。
軌道飛行器是指月球軌道飛行器。嫦娥五號進入月球軌道后，軌道飛行器首先留在軌道上，等待后續(xù)返回裝置返回地球。
登月艙搭載推力火箭，在月球表面進行軟著陸，自動進行月球采樣、樣品包裝等操作。
升降器以登月艙為發(fā)射裝置，從月球動力上起飛，攜帶月球土壤樣品飛入月球軌道，將月球土壤轉移到返回艙。
返回艙是最終將月球土壤樣品帶回地球的結構部分，承受高速進入地球大氣層時的高溫和沖擊，從而保護樣品不受影響。
嫦娥五號地面試驗現(xiàn)場。
5.嫦娥五號探測器會經歷哪些風險？
文章開頭我們提到，這次航天任務有11個主要飛行階段，23個主要軌道控制，6個主要分離控制等復雜環(huán)節(jié)，還有在月球表面起降、月球軌道無人交會對接等高風險環(huán)節(jié)。不談技術細節(jié)，看這五個重點就夠了。
1.火箭發(fā)射：即使在21世紀，火箭發(fā)射仍然是不確定的。2017年，中國長征五號遠程2號運載火箭未能將有效載荷送入軌道。幸運的是，2019年發(fā)射的長武遙控三號運載火箭和2020年發(fā)射的長武遙控四號運載火箭都非常成功。
2.登月階段：我們知道，此前嫦娥三號和嫦娥四號月球探測器分別實現(xiàn)了月球前后軟著陸，實現(xiàn)月球表面軟著陸的關鍵是動力下降階段。
因為月球上沒有空氣，探測器要想在月球上軟著陸，就必須使用反向火箭緩慢下降，并精心選擇一個相對平坦的著陸點，防止發(fā)生“側翻”事故，這也是高風險的關鍵環(huán)節(jié)。2019年，以色列登月艙和印度登月艙相繼在月球表面墜毀。
嫦娥五號登月(藝術地圖)。
嫦娥五號在月球上的情況(藝術地圖)。
3.月球起飛階段：嫦娥五號從月球表面獲取足夠的樣本后，升降器以著陸器為發(fā)射裝置，點燃來自月球表面的樣本，然后加速到月球第一宇宙速度進入繞月軌道，準備與在月球軌道上等待的軌道器對接。
雖然月球表面的引力只有地面的六分之一，但是在38萬公里外的月球上起飛還是相當困難的，這是我們的第一次嘗試，很不確定。
圖例：嫦娥五號立管攜帶的月球土樣上升情況(藝術地圖)。
4.月球軌道交會對接：攜帶樣品的上升裝置進入月球軌道時，會與在那里等待的軌道器對接，將樣品轉移到軌道器和返回器的組合上。我們在地球軌道航天器交會對接方面很熟練，但我們是第一次在月球軌道航天器交會對接，還有很多技術細節(jié)需要探索。
傳說：嫦娥五號的升空和軌道飛行器正在為月球軌道的交會對接做準備(藝術地圖)。
5.返回地球：軌道飛行器啟動火箭，攜帶返回者離開月球引力，直奔地球。當接近地球時，返回者與軌道器分離。
傳說：嫦娥五號返回裝置與軌道飛行器分離，正準備進入地球大氣層(藝術地圖)。
我們知道，宇宙飛船從38萬公里外的月球飛向地球，相當于從38萬公里的高度“墜落”到地球。當它靠近地球時，它的速度接近地球的第二宇宙速度(每秒11.2公里)！如果返回者以如此高的速度進入大氣層，如果不小心，它可能會像流星一樣變成煙霧。
傳說：2014年11月1日，“嫦娥五號再入返回飛行試驗儀”在內蒙古四子王旗預定區(qū)域順利著陸。
幸運的是，我們在2015年進行了“嫦娥五號再入返回飛行試驗”，成功提前進行了高速返回試驗，為確保嫦娥五號任務順利實施和探月工程不斷推進奠定了堅實基礎。
6.嫦娥五號任務會在中國創(chuàng)造什么第一次？
通過文章的上述部分，我們可以看到嫦娥五號任務將在中國創(chuàng)造幾項第一，包括：
1.宇宙飛船首次對地外物體進行采樣和包裝。
2.宇宙飛船第一次從外星物體上起飛。
3.航天器首次在月球軌道交會對接。
4.宇宙飛船首次帶著樣本高速重返地球。
7.月球樣本有什么科研價值？
2005年，筆者有幸在大學期間聽了歐陽自遠院士的科普講座，歐陽自遠院士是中國探月工程的首席科學家。
當時他回憶說，1978年5月28日，美國派總統(tǒng)國家安全顧問布熱津斯基訪華，并帶來了卡特總統(tǒng)送給中國的禮物：一個質量只有1克的月球巖石樣本。
月球巖石樣本被放在一塊有機玻璃中，看起來像指甲那么大。這個樣本分為兩部分：一半收藏在北京天文館供公眾參觀；另一半用于研究，研究者發(fā)表過十多篇重要論文。
1978年，美國向中國捐贈了月球巖石樣本?，F(xiàn)收藏于北京天文館。
據報道，嫦娥五號的采樣地點位于月球“風暴洋”北部的呂姆克爾山脈附近，其他國家從未去過。有大約13億到20億年前的玄武巖。獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡將有助于加深對月球火山活動和演化歷史的理解。
嫦娥五號計劃的著陸點(制圖：奇龍圭)
此前對美國和前蘇聯(lián)獲得的月球土壤樣本的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。但對月球表面的觀測表明，部分地區(qū)可能含有10億年至20億年前形成的火山熔巖，與嫦娥五號著陸區(qū)的年齡相近。
如果嫦娥五號采集的樣本能夠證實月球在此期間仍處于活動狀態(tài)，那將改寫月球的歷史。
八、人類探月簡史
從1959年到1976年，前蘇聯(lián)向月球發(fā)射了60多次探測器，創(chuàng)造了許多世界第一，包括第一次拍攝月球背面，三次收集月球巖石返回地球。
到2019年底，美國已經向月球發(fā)射了60多個探測器和載人飛船。中國4次，日本2次，歐洲1次，印度2次，以色列1次。其中，較為成功的包括：
從1961年到1968年，美國“漫游者”系列飛機、“月球軌道”系列飛機和“測量員”系列月球著陸器為后續(xù)的阿波羅登月計劃鋪平了道路。
從1969年到1972年，美國實施了阿波羅計劃，六次成功登月，將12名宇航員送上月球。
1969年，宇航員奧爾德林站在月球上，另一名宇航員阿姆斯特朗，第一個登上月球的人，可以從他頭盔的反光中看到。
在1994年至1999年期間，美國“克萊曼婷”號和“月球探勘者”號的數(shù)據表明，在月球的極地地區(qū)可能存在水冰。
2003年9月27日，歐空局的“智慧一號”探測器發(fā)射升空，這是歐空局第一個飛往月球的探測器。在完成科學任務后，它于2006年9月3日積極撞擊月球表面。
2007-2008年，日本的月亮女神和嫦娥一號成功進入繞月軌道，隨后印度的月船一號相繼進入繞月軌道。
2009年6月18日，美國月球偵察軌道飛行器和月球隕石坑觀測與遙感衛(wèi)星同時發(fā)射。
2010年10月1日，搭載嫦娥二號衛(wèi)星的長征三號丙運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射。
2011年9月10日，美國發(fā)射了圣杯，旨在準確探測和繪制月球重力場，判斷月球內部結構。
2013年9月6日，美國發(fā)射了月球大氣和塵埃環(huán)境探測器，用于探測月球大氣和周圍塵埃中的沉降層。探測器于2014年4月18日墜毀在月球背面，結束了任務。
2013年12月14日，嫦娥三號成功降落在月雨海西北部，成為繼1976年農歷24后第一個登陸月球表面的探測器，也是世界上第三個登陸月球表面的國家。
2014年10月23日，“嫦娥五號再入返回飛行試驗器”發(fā)射升空，為嫦娥五號探測器以第二宇宙速度重返大氣層提供實驗驗證。2014年11月1日，返回艙順利降落在內蒙古四子王旗預定區(qū)域，中國探月三期再入飛行試驗圓滿成功。
2019年1月3日，嫦娥四號探測器實現(xiàn)了人類探測器在月球背面的首次軟著陸。