嫦娥五号取月壤,中国探月的“一小步”

2020-11-24 06:29     新京报

原标题:嫦娥五号取月壤,中国探月的"一小步"

月球上空的嫦娥五号效果图。图/中国航天科技集团八院

月球上空的嫦娥五号效果图。图/中国航天科技集团八院

新京报讯(记者倪伟)自从1976年以后,美苏探月的热情消退,人类零星有不多的探测器飞往月球,但再也没有从月球上带回什么东西。直到今天(11月24日),中国的嫦娥五号探测器从地球出发,计划取回约2千克月球土壤。

整个过程将持续20多天,其中大部分时间都在飞行,月面采样的工作仅有两天时间。这次任务中,嫦娥五号执行的一系列操作都是中国前所未有的,例如月球的采样、月面点火起飞、月球轨道多次交会对接等等。

来自另一个星球的岩石和土壤,蕴含着远古的信息。嫦娥五号计划着陆的风暴洋北缘吕姆克山附近,存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,嫦娥五号将获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

嫦娥五号是中国探月工程第六次任务,也是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一,标志着探月工程"绕、落、回"三步走的圆满完成。

中国探月的"一小步",也将助推中国深空探测的"一大步"。未来一系列航天任务,包括对火星、小行星的采样返回,以及载人登月,都将用上源自于嫦娥五号任务的技术。

嫦娥五号飞行效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号飞行效果图。图/中国航天科技集团八院

从1克岩石开始的月球研究

一块0.5克的月球岩石样品,收藏在北京天文馆,另外0.5克存放在中科院。这总共1克的岩石,是1978年美国总统卡特安全事务顾问布热津斯基访问中国时赠送的礼品,由阿波罗17号飞船的航天员采集回来。

中国学者将其一分为二,一半收藏,一半研究。面对0.5克的月岩,学者花了4个月研究其化学成分、同位素、矿物质、采集地点等,发表了14篇研究文章,研究结果让美国人信服。

这是中国学者研究月球岩石的开始。

目前全球有300多千克从月球采集的样品,其中381.7千克由美国人采集,约300克由苏联人采集。现在,中国计划带回2千克。这是1976年苏联"月球24号"任务后,人类第一次从月球采集样品。

全国空间探测技术首席传播专家庞之浩说,月球没有大气层保护,所以月表的月壤是受地外星体撞击,以及受到宇宙射线辐射和太阳风轰击等空间风化作用后形成的。通过研究月壤,能进一步了解月球状态、物质含量、地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供新的信息,这将帮助中国人在月球研究领域为全球做出贡献。

更长远来看,人类如果有移民外星的远大理想,必然要先在能够触及到的地外天体--月球和火星上试验生存技术,月球是最理想和最现实的中转站。

因此,各国持续地对月球乃至火星进行探测。中国空间技术研究院研究员果琳丽认为,月球距离地球最近,不论是开采资源,还是把月球资源运回地球,甚至是作为探测深空的补给站,都更容易实现。

沉寂40多年以后,近年来,月球再次成为深空探测热土。不仅中国近十几年在月球探测中屡次实现突破,美国和俄罗斯也提出了重返月球的计划,欧洲一直为建设月球村奔走,寻求支持与合作。根据各国发布的计划,2030年之前,多国都希望将航天员送上月球,并谋划建设永久的科研基地。

中国探月一步一个脚印,小尺度来看,探月分为"绕落回"三步,嫦娥一号实现了"绕",嫦娥三号实现了"落",此次嫦娥五号将实现"回"。更大尺度来看,中国月球计划分为"探、登、驻"三个步骤,在探月之后,还将努力实现载人登月,并最终建立无人或有人驻守的月球科研基地。

嫦娥五号意味着我国世纪初规划的探月三步走任务,至此圆满完成,而这只是一个"小目标"。

嫦娥五号着陆器与上升器组合体着陆效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号着陆器与上升器组合体着陆效果图。图/中国航天科技集团八院

四大金刚,兵分两路

月球绕、落、回的每一步,都是一次技术的跨越。嫦娥五号在嫦娥三号、四号落月的基础上,还将实现一系列从未有过的高难度操作。

8.2吨的嫦娥五号,由四个器组成,包含15个分系统。这四个器是单独的个体,也能组合在一起。着陆器和上升器"抱"在一起,就组合成了"着陆上升组合体",即"采样分队";轨道器和返回器组合成"轨道返回组合体",即"绕月分队"。

中国探月工程副总设计师、中国航天科技集团有限公司科学技术委员会副主任于登云接受新京报记者采访时,科普了嫦娥五号整个任务过程:

在月球轨道上,"采样分队"和"绕月分队"分离,"绕月分队"继续环绕在月球轨道,"采样分队"落到月面,采集月表样品;

采集完以后,上升器带着样品在着陆器平台上点火起飞,在月球轨道上与"绕月分队"对接。组合飞行期间,上升器将样品转移给返回器,再次分离,轨道器带着返回器向地球飞;

在距离地球大约5000公里的时候,轨道器与返回器分离,返回器回到地球,落在内蒙古四子王旗着陆场。

最终,着陆器留在月球表面,上升器在月球轨道环绕,轨道器留在地月之间,返回器回到地面,样品就在其中。

返回也是步步惊心。当嫦娥五号以第二宇宙速度向地球冲来,如果一猛子扎进大气层,一旦速度过猛,来不及减速,可能会撞毁。

为此,嫦娥工程中罕见地增加了一次试验飞行的任务,目的是验证一种特殊的返回方式。这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器--"嫦娥-5T"任务。

于登云曾回忆,以王礼恒院士为代表的几位航天权威专家认为,高速返回任务是第一次实施,直接关系到探月三期工程的成败,如果不事先验证,将留下巨大风险。

"嫦娥-5T"当年并没有落月,在月球飞了几圈之后便返回地球,重头戏是在地球大气层打个"水漂"。"嫦娥-5T"进入大气层后,借助大气层的升力又跃出来,然后再次进入。一进一出,便实现了减速,从第二宇宙速度降至第一宇宙速度。

这种半弹道跳跃式再入返回技术方案,使结构和防热系统的压力都得到缓解,也使航程和落点达到理想的结果。这次,嫦娥五号返回器就将这么回来。

嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接效果图,将把月球样品转移到返回器内。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号上升器与轨道器返回器组合体交会对接效果图,将把月球样品转移到返回器内。图/中国航天科技集团八院

高难度方案为载人登月验证技术

"整个过程都很复杂,每个环节都不能出错,否则整个任务就受到影响。"于登云说,其中最重要的创新,是嫦娥五号四个器在月球轨道的分离和对接。

40多年前的航天技术,与当今不可同日而语,嫦娥五号采样方案也与美苏完全不同。苏联无人采样任务中没有采用交会对接,探测器直接从月面返回地球,美国则是由航天员在月面进行人工采样。嫦娥五号虽然也是无人采样返回,却让探测器"分兵作战",以交会对接的方式转移样品和返回。

为什么不像苏联一样,让探测器直接飞回地球呢?主要是因为我国目前火箭运载能力的限制,无法在一开始就携带足够的燃料,让探测器可以整体着陆、起飞。

"可以说,我国无人自动采样返回方案,是在汲取美国有人采样和苏联无人采样的经验教训基础上,结合我国实际情况走出的一条新路,"于登云说,"这是一个创新,当然难度也更大。"

人们常将两个航天器的交会对接形容为"太空之吻"。如果地球轨道上的飞船与空间站对接是"吻",那么,远在月球轨道上的嫦娥五号对接,因为更远的距离、更小的对接机构、自动的对接程序等条件,堪比"太空穿针"。

虽然我国已掌握空间交会对接技术,进行了多次飞船的交会对接,但神舟飞船的交会对接是在400公里左右高度的地球轨道,而嫦娥五号是在距地球38万公里的月球轨道上,难以进行人工干预,完全依靠自主进行。同时,也无法借助导航卫星的帮助,这就需要突破月球轨道测控精度、月球轨道敏感器交互、轻小型航天器对接等多项技术。

选择这一方案,还有另外一个目的,就是尽可能为未来载人登月做技术储备。

据官方介绍,嫦娥五号探测器将重点实现三大工程目标:突破一系列关键技术,提升我国航天技术水平;实现首次地外天体自动采样返回,推进我国科学技术重大跨越。另外,完善探月工程体系,为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。

于登云说,载人登月必然要在月球轨道交会对接,这是最安全也最经济的方式。美国阿波罗计划就是这么做的,他们在载人登月之前,也做过月球轨道交会对接试验。

"所以我们通过无人采样返回兼顾了两件事,这应该是中国方案最大的亮点。"他说。

嫦娥五号轨道器与返回器向地球返回效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号轨道器与返回器向地球返回效果图。图/中国航天科技集团八院

最年轻的月球土壤

自1976年以后,全球再也没有探测器在月面进行过探测。直到2013年起,中国的嫦娥三号、四号和五号,重启了月面探测。

半个世纪前,美苏从月球带回的300多千克样品,为人类认识月球和太阳系,递过来一把钥匙。通过对月壤样品的分析,科研人员确定,月壤由微小的桔红色玻璃形式颗粒构成,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,在月壳部分融化过程中,在月面下约300千米深处形成,后因火山活动而喷出到月面。

美国航天员钻取了3米深的月球岩芯,发现土壤多达57层,每一层就是一次陨石冲击,还测量了月球内部发出的热流,从而结束了100多年来关于月球是冷还是热的争论。尤其重要的是,1985年科学家们通过样品分析,证实了月球上存在核能源氦-3,为后来月球研究和探测注入了巨大动力。

"氦-3是理想、安全、高效的核聚变燃料,这种资源地球上很少,只有10吨到15吨左右,而月球上的氦-3至少有约100万吨。如果开发出来进行核聚变发电,能满足地球上一万年的能源使用。"庞之浩说。

科学家从月球上发现了越来越多可以利用的元素,比如土壤和岩石中可以制取水和氧,氧化铁的含量也很高。这些元素都可以加以利用,成为未来建立月球基地的能量来源。

此次嫦娥五号采集的样品,又将带来什么新的讯息?

根据相关介绍,嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,此地从未有其他国家的探测器到访过。这里存在大约13亿至20亿年前的玄武岩,人类目前尚未有这一时段的月球样本。获得这些年轻玄武岩的同位素年龄,将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。

《自然》杂志近日发表的文章称,此前对月壤样品的研究表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10亿至20亿年前才形成的火山熔岩,这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。

如果嫦娥五号采回的样本能够证实这段时间月球仍在活动,将改写对月球历史的认识。

嫦娥五号着陆器与上升器组合体向月表降落效果图。图/中国航天科技集团八院

嫦娥五号着陆器与上升器组合体向月表降落效果图。图/中国航天科技集团八院

探月16年,进击的航天科技

从2004年正式开展探月,到2007年嫦娥一号发射,到今天嫦娥五号任务实施,一次又一次实现的"史诗级"远征,背后是航天科技和基础工业日复一日的进步。

以航天器核心技术--发动机为例。嫦娥五号地月往返76万多公里的征程中,中国航天科技集团有限公司六院研制了107台大小发动机。其中,长征五号火箭上使用了30台,嫦娥五号上则有多达77台发动机。

为了确保嫦娥五号探测器能平稳在月球着陆,并从月球返回地球,研制团队为探测器量身定做了两款3台新型发动机,成为嫦娥五号探月返乡最重要的核心技术。

其中两台3000N发动机,分别为轨道器和上升器提供动力。上升器上的那台3000N发动机,承担了前所未有的全新任务:在月球表面点火起飞,相当于将上升器变为月球上一枚微缩版的运载火箭。另外,一台7500N变推力发动机,将帮助"采样分队"在月面安全着陆。

这些发动机要求性能指标高、推进剂使用效率高,但质量又要足够轻,能经受严酷的温度环境。这是我国航天器中迄今最复杂的推进系统,难度极高。

7500N发动机流量调节器上的零件加工,公差精度都是微米级,也就是一根头发丝的1/80。在一般机加行业,这超越了现有生产能力,但航天工匠完成了这一目标。

大火箭的成熟,也是航天基础能力中的重要一环。

公开消息中,嫦娥五号的任务时间,经历过多次推迟。最早计划2017年发射,后来推迟到2019年,又再次推迟到2020年。主要原因在于长征五号火箭的研发进度所致。长征五号于2016年首飞,2017年7月的第二次飞行遭遇失利,其后经历了2年多的停顿,才于2019年年末再次成功飞行。

一年来,长征五号系列(包括一次长征五号B)密集进行了4次发射,均取得成功,应用性发射顺利起步,终于将嫦娥五号顺利送入太空。航天科技集团一院长五研制团队人员表示,成熟是在一步一步的严谨工作中逐渐累积起来的,目前长五只经过了几次发射,还处于起步阶段,还得时刻保持警醒。

长征五号的研制和成熟,不仅是航天技术的一项突破,也是其后一系列重大航天任务的基础,例如后续的空间站建设发射任务、行星探测、小行星探测、高轨大卫星发射等。

同样,月球采样返回任务的技术突破,也将成为后续一系列任务的先声。目前的规划中,除了继续在月球实施采样返回的嫦娥六号任务,我国还将实施小行星采样返回探测和火星采样返回探测,都将利用嫦娥五号任务的技术。

据探月元老叶培建院士等在一篇论文中透露,2030年前,我国将实施火星采样返回探测任务。火星采样返回与月球又不同,将进行两次发射,相当于将嫦娥五号的两个"分队"分成两次发射,以满足现有的运载能力。

新京报记者倪伟

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