科学汇 | 嫦娥五号正在奔赴月球,它将如何从月球上“带货”回地球

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钱江晚报·小时新闻 记者 郑琳

据国家航天局消息,2020年11月24日凌晨4时30分,中国首个月球采样返回任务“嫦娥五号”在海南文昌发射场,搭载长征五号运载火箭发射升空,奔赴月球。它的目标是采集约2公斤月球样品并送回地球。

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这是中国的第六个月球探测任务,它不仅标志着中国“嫦娥”工程将完成“绕、落、回”三部曲的第三阶段目标,也意味着人类时隔44年,再次从月球带回岩石和土壤样品。上一次月球采样返回任务,还是1976年苏联的月球24号。

月球采样返回任务为什么那么重要?“嫦娥五号”又有哪些高难度的技术突破呢?本期科学汇就带大家探索一下嫦娥五号任务的秘密。

 

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为啥不能多带点“货”回来

因为这影响着整个火箭的重量

嫦娥五号任务将有11个重大飞行阶段,分别是发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、月地转移、轨道分离、再入回收。整个飞行过程23天,有23次重大的轨道控制和6次重大分离控制。

虽然嫦娥五号的任务非常复杂,但一点也不鲁莽。其实,嫦娥五号任务的很多步骤,已经在此前的其他探测任务上试验过了。

在嫦娥五号即将抵达月球时,需要在火箭与探测器的分离点“踩一脚刹车”减速,这样才能到达环月轨道,并被月球引力捕获,继而按照计划让着陆器着陆月球。

这次,科学家提出的挖土目标是约2公斤——钻取的样品是约0.5公斤,表取的样品是约1.5公斤。很多同学会问,好不容易去一趟,为啥不多挖一点回来?

这是因为,采集量的多少需要与容器的大小相对应,继而影响到整个探测器的体积、重量,以及推进剂的需求。比如为了钻取0.5公斤的样品,探测器上的钻取机构要达到七八十公斤;为了表取1.5公斤的样品,表取机构也要几十公斤;这100多公斤的采样机构都要由探测器送到月球去,会影响到探测器整体的重量、体积和功耗。

所以此次发射质量非常大——嫦娥五号探测器的总重量达到8.2吨。增加样品重量就意味着最后可能会超过火箭的运载能力,所以2公斤的量已不算少了。

其次是在月球上打洞取样,一样不易。嫦娥五号携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等装置,将采取深钻、浅钻,以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集月球样本,并进行密封封装。

接着,也是最重要的步骤之一——月面逃逸。

嫦娥五号飞到月球后,轨道器和返回器会保留在月球轨道上环绕,着陆器和上升器则分离出去,登录在月球上。等到采样任务结束,上升器会以着陆器为发射平台,点火发射脱离月面。这可是一个高难度科目,因为着陆器所在位置很可能凹凸不平甚至在斜坡上。

下一个突破是月球轨道的交会对接。在远离地球的太空里,上升器和轨道器之间的对接堪称“针尖对针尖”,这样高难度的宇宙空间定位,也完全依赖嫦娥五号自身的人工智能系统。

上升器成功对接返回器后,还要逃脱月球的引力,这就首先要达到月球的第一宇宙速度1.68千米/秒。而要脱离月球引力飞向地球,则需要达到月球的逃逸速度2.4千米/秒。


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返回器进入大气层

姿势就像“打水漂”

嫦娥五号返回器返回地球的最后一步,也是难度技术很高的一个环节。因为返回器从38万公里远的月球风驰电掣般飞到地球附近时,速度会逼近第二宇宙速度(11.2千米/秒),这个速度远远高于普通返回式卫星返回地球的第一宇宙速度(7.9千米/秒)级别。

有同学会说,这3公里的速度差,会有很大影响吗?

当然会!以这样的速度直接冲进大气层,巨大的摩擦和冲击足以让返回器快速焚毁。所以,返回器采用了一个很特别的“姿势”回到地球——它将在大气层边缘滑跃,多次减速,就像“打水漂”一样。

但和我们平常靠手感打水漂不同的是,返回器每一次与大气接触都要经过精准计算,最终以安全速度冲入大气,再通过气动减速和降落伞减速等方式,准确、安全降落在预定的着陆场。

为了嫦娥五号返回器的“打水漂”式返回,我国还曾在2014年,用嫦娥五号再入返回飞行试验任务演习了一遍。

那次任务是我国首次采用半弹道式跳跃的返回方式,返回器进入大气层后受控跃起,经过滑行再次进入大气层并飞向落区。但这种方式对控制精度提出了极高要求,返回器如果“跳”得过高会偏离落区,“跳”不起来则可能直接坠入大气被烧毁。然而距地面60—90公里的高层大气变化无穷,受到黑天白夜、太阳风、地磁场等多种因素影响,大气变化误差很大,需要制导导航与控制系统具备很大包容性。

如果此次任务圆满成功,中国将成为世界上第三个从月球采集样本返回地球的国家。但我国的探月任务还远没有结束。从嫦娥一号升空开始,到嫦娥五号探测器发射,我们还处在“无人探月”阶段。探月工程的第二阶段和第三阶段分别是载人登月和建立月球科研站。

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兴趣小组

我们为什么要去月球“挖土”

有些同学可能会有疑问。采集月球样本,美国和前苏联早在上世纪6、70年代就做过了。从1969年到1976年,6次阿波罗任务和3次月球号任务,总共带回月球表面9个区域共计382公斤的月球岩石和土壤样品。美国总统卡特在1978年访华的时候也曾赠送给中国一份月球的土壤样本。

那么,40多年以后,嫦娥五号再次去月球“挖土”,有什么重大意义呢?

虽然,美国和前苏联带回了为数不少的月壤,然而这些样品对于认识月球依然是很局限的。它们大多来自月球正面中低纬度的月海区域,形成年龄集中在42-32亿年前,相当于月球的“童年”时期。

而在这个范围之外的月球历史事件对应的时间,全部是以这些地区为锚点,参考其他观测结果(主要是撞击坑统计)推测得到的。那么,实际上月球45亿年的历史中,在10-30亿年这个时间段几乎完全是空白。这正是嫦娥五号采集任务的意义所在。

这次,嫦娥五号将降落在月球最大的月海——风暴洋底部附近的一个直径70千米山丘---吕姆克山中,这是位于月球西北角的一片暗灰色平原,月面坐标为北纬40.8°、西经58.1°。

这一片远离阿波罗和月球号采样区的地方,有着丰富的火山活动遗迹,以及和之前的样品不同的岩石类型。因此在这片火山区域,嫦娥五号可能采集到形成于10-20亿年前的样品,这将填补月球地质定年和年代划分上最大的一块空白。

这些样本将帮助科学家了解月球在它“成年”以后的事情,能更好地了解地球上已经存在多细胞生物的时候,月球上发生了什么。了解月球的历史也有助于我们了解地球和太阳系中其他天体的演变。


考考你

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如图所示,“嫦娥五号”从月球返回地球的过程可以简单分成四步,第一步将“嫦娥五号”发射至月球表面附近的环月圆轨道Ⅰ,第二步在环月轨道的A处进行变轨进入月地转移轨道Ⅱ,第三步当接近地球表面附近时,又一次变轨,从B点进入绕地圆轨道Ⅲ,第四步再次变轨道后降落至地面,下列说法正确的是(  )

A. 将“嫦娥五号”发射至轨道Ⅰ时所需的发射速度为7. 9km/s

B.“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ需要加速

C.“嫦娥五号”在关闭动力系统情况下从A沿月地转移轨Ⅱ到达B点的过程中其动能一直增加

D.“嫦娥五号”在第四步变轨时需要加速


参考答案

答案:B

解析:月球的第一宇宙速度比地球要小,故A错;

“嫦娥五号”从环月轨道Ⅰ进入月地转移轨道Ⅱ是离心运动,所以需要加速,故B正确;

刚开始时月球对嫦娥五号的引力大于地球对嫦娥五号的引力,所以刚开始动能要减小,故C错误;

“嫦娥五号”降落至地面的运动为为向心运动,需要减速,故D错误。

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傅医生
傅医生

它的目标是采集约2公斤月球样品并送回地球。

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会魔法的阿兹🐱
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名列前矛了

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