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嫦娥五號安全到家,一文看懂我國探月工程“三步走”

2020-12-17  造就Talk

今日凌晨1時59分,大部分人都已經進入夢鄉,而在內蒙古四子王旗著陸場,已經離家23天的嫦娥五號,帶著月球“土特產”,悄悄著陸。

圖源:新華社

2020年11月24日凌晨4時30分,長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空,將嫦娥五號探測器運送至地月轉移軌道。

嫦娥五號的發射,標志著我國月球探測第一階段已進入收官之戰。而今晨的順利著陸,宣告我國首次月球采樣返回任務圓滿完成。

 
100秒回顧嫦娥五號探月任務

來源:人民網微博

嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器和上升器四大部分組成,重達8.2噸,可以說是我國探月史上最復雜、重量最大的探測器。

當嫦娥五號進入月球軌道后,著陸器與上升器與航天器分離,落在月球上,軌道求和返回器則繼續在月球軌道上飛行,等待后續任務。

四大部分各司其職:

  • 著陸器負責月面著陸,以及在月球上的采樣封裝;

  • 上升器負責從月球上起飛,與軌道器對接,將樣品交接給返回器;

  • 軌道器負責繞月環行,等待著陸器與上升器完成它們的使命后,將攜帶樣品的返回器送回地球;

  • 返回器接過這場接力賽的最后一棒,帶著樣品回家。

作為中國探月過程的收官之戰,嫦娥五號被寄予厚望,要實現中國航天史上五個第一次:

第一次打包:在月球表面全自動挖2千克土打包帶回地球,使我國將成為繼美國、蘇聯之后第三個帶回月壤的國家。


第一次從地外天體起飛:采集土壤后,上升器要從月面起飛,與軌道上的航天器會和。

在地球上發射火箭有發射架,有科研人員精心計算好的時間角度,但月球上什么也沒有,航天器只能從臨時變身發射架的著陸器上起飛,還得自力更生,自己找好角度方位,保證能順利飛向月球軌道。

第一次太空之吻:上升器與軌道器和返回器組合體在月球軌道上成功交會對接,牽手成功。

第一次回家:從月球采樣并以接近每秒11公里的第二宇宙速度返回地球。

嫦娥五號模擬圖

第一次親密接觸:我國第一次對自己采集的月壤樣品的存儲、分析和研究。

但是,每一個第一次背后,都隱藏著無數技術難題:

  • 采樣的機械臂在月球的特殊環境下能否順利完成工作?

  • 如何密封保存樣品才能使其不受污染?

  • 如何保證38萬公里外月球軌道上的順利對接?

  • 返回器地球著陸時怎么保證不過因為溫度過高導致再入失???

  • 探測器之間怎樣實現即時通信?

……

很多問題,沒有先例,沒有答案,也沒有辦法參考國外的經驗,我們的科學家只能摸著石頭過河,一點點克服這些技術問題,最終交出了嫦娥五號這份也許不算完美,但仍然稱得上優秀的最終答卷。

我國在月球表面首次實現國旗的“獨立展示”

就比如這次嫦娥五號回家時,是以11.2km/s的第二宇宙速度從38萬公里外的月球飛回來。

物體與空氣或其他氣體作高速相對運動時所產生的摩擦力會轉化為熱力,所以我們看電影時從天而降的隕石往往是一個大火球。

如果不采取有效措施,嫦娥五號的返回艙等不到落地就燒成了灰。為此,我國使用了半彈道跳躍式再入大氣層的方法。

這個技術簡單來說,就像在太空中打水漂一樣,返回艙先以較高的第二宇宙速度進入大氣層,然后再借助大氣層提供的升力跳起來,跳到大氣層外。

然后再以較低的7.9 km/s的第一宇宙速度重新進入大氣層,最終落地。

被稱為未來海陸空殺手锏的高超音速飛行器也借鑒了類似的技術。

我國2018年首次試驗的“星空2號”高超音速飛行器,因為飛行航道較低,速度特別快,較難被防御衛星和雷達檢測到。

在航天人的不懈努力下,我們一一克服了所有難題,才有了近日嫦娥五號返回艙的順利回歸。

曾經,我們利用美國送給我們的0.5克月巖樣品,做了很多研究,發表了40多篇論文。如今,嫦娥五號的回歸,為我們帶回了屬于中國自己的2千克月壤。

這不僅是我國航天史上的里程碑,也為科學界的研究打開了一扇新的大門,為我們研究月球演化和行星起源提供了關鍵和寶貴的資料,也為探月工程的第二、三階段打下了良好的基礎。

我們之所以這么努力要去月球,是因為邁向星辰大海的第一站,就是月球。

從古至今人類都幻想著如何飛向月亮。在工業革命的推動,20世紀美蘇冷戰的大背景下,美國和蘇聯兩個超級大國展開了一場轟轟烈烈的“登月競賽”:

  • 1959年9月,蘇聯發射的無人月球探測器月球2號,成為世界上第一個在月球表面硬著陸的航天器;

  • 1967年1月,美國發射阿波羅1號,但因為意外起火使三名宇航員遇難;

  • 1968年10月,美國發射的阿波羅8號完成了首次環月飛行;

  • 1969年2月,蘇聯發射的首輛月球車在起飛52秒后爆炸;

  • 1969年7月20日,美國發射阿波羅11號,宇航員尼爾·奧爾登·阿姆斯特朗成為第一個登上月球的人

……

在美蘇兩國冷戰結束后,因為航空花費的高昂費用,探月活動逐漸降溫。

但20世紀90年代后,隨著科技的發展和國力的強大,許多國家又把目光投向了月球。

美國、俄羅斯等國家都制定了探月計劃,我們也制定了探月計劃,2004年正式開始實施月球探測“嫦娥工程”,用中國古代神話傳說中的月中神女嫦娥為其命名,宣告向月球進發。

整個探月工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。其中第一階段“無人月球探測”又分為“繞”、“落”、“回”三步走,預計將在2020年前后完成。

三步走計劃出爐后,我國就緊鑼密鼓地開始了準備工作,一步步向“無人月球探測”的目標逼近。

2007年10月24日18點03分,西昌衛星發射中心發射了我國第一顆繞月人造衛星嫦娥一號,正式邁出了我國探月的第一步。

在之后一年的在軌運行中,嫦娥一號為我國科學家了解月球提供了許多珍貴資料,共傳回1.37TB有效科學探測數據。

從這些影像資料中,我們獲得了全月球影像圖,構建了月球的三維立體模型圖。

嫦娥一號傳回的第一幅月面圖像

圖源:國防科工委網站

之后我國又發射了第二顆繞人造月衛星,嫦娥二號。

最初,嫦娥二號是作為嫦娥一號的備份衛星發射,但隨著嫦娥一號的探測任務圓滿完成,嫦娥二號又轉變為嫦娥三號的先導衛星。

除了繞月任務之外,嫦娥二號還肩負了一些特殊任務:獲取更高分辨率的月球表面三維影像和元素分布圖,探測地月與近月空間環境,為日后嫦娥三號的月球軟著陸做好準備。

嫦娥三號的預選著陸區虹灣地區的高分辨率圖像,就是由嫦娥二號負責拍攝探測的。

嫦娥二號拍攝的7米分辨率全月正射投影圖

在“繞”由嫦娥一號、二號完美完成后,2013年12月2日,為“落”而生的嫦娥三號由長征三號乙運載火箭送入太空,肩負著“測月、巡天、觀地”的重任。

在萬眾矚目之下,經過2天的飛行,背負全國希望的嫦娥三號于14日成功在月球實現軟著陸,成為我國首個實現地外天體軟著陸的探測器,它的成功也是我國航天發展史上的里程碑事件。

著陸后,嫦娥三號上的著陸器和玉兔號巡視器分離,然后,它們兩個就開始了激情互拍。能移動的玉兔號還圍繞著陸器行駛一周,從ABCED五個方位與著陸器互拍,留影為念。

著陸器和玉兔號在五個方位上的互拍照

圖源:中科院之聲

拍完照片后,玉兔號揮別著陸器,獨自開始了它的科學探測之旅。

著陸器拍攝的玉兔號離去背影

雖然月兔號個頭不大,走得也很慢,為了省電和對抗低溫,還得嚴格遵守“日出而作,日落而息”的良好作息標準,但它能做的事情可不少:

  • 利用測月雷達對月球土壤的化學成分、結構進行分析,發現著陸區表面下至少分為9層結構,證明發生過多次地質活動;

  • 在沒有大氣干擾的情況下觀測星系、恒星活動,觀測到23顆星象;

  • 拍攝了大量影像資料,為研究月球的地質地貌提供了一手資料;

……

不幸的是,在短短的41天探月之旅后,2014年1月25日,玉兔號發生了機構控制故障,雖然探測功能正常,卻無法移動。

對于故障原因,有科學家猜測是因為月塵比地球上的沙子細小,部分月塵進入月球車內部造成短路,導致玉兔的移動系統發生故障。

也有科學家猜測,是玉兔號的設計出了問題,設計結構過于復雜,導致出問題的幾率增大。

無論如何,無法移動的玉兔號永遠停留在N209點處。

雖然地球方面多次嘗試喚醒玉兔號,但都沒有成效。在苦苦堅持了兩年后,2016年7月31日,玉兔號徹底停止工作。

玉兔號的最后一條微博

玉兔號停止工作后不久,月球就迎來了玉兔號的接任者——玉兔二號。

2018年12月8日凌晨,搭載著玉兔二號的嫦娥四號探測器由長征三號乙運載火箭搭載升空,在中國西昌衛星發射中心發射。

經過26個日夜的飛行,在太空中過了個陽歷年的嫦娥四號,在2019年1月3日在月背著陸,成為世界上第一個在月球背面著陸的探測器。

之所以要去月背著陸,是因為在地球上我們永遠看不到月球的背面,人類也從未踏足過月背,那里古老而神秘,對我們而言始終是一個謎。

并且那里沒有地球大氣層的影響,也沒有來自地球的電磁波干擾,是開展天文觀測和研究的理想之地。

嫦娥四號探測器拍攝的第一張月背圖像

著陸后,玉兔二號與著陸器分離,開始了它的月背探秘之旅。

相比前輩玉兔號,玉兔二號上配置的科學載荷更加齊全,包括全景相機、測月雷達、紅外光譜儀、中性原子探測儀,用于月球地質探測、宇宙天文科學等領域的科學研究。

月背上第一道腳印

我國科研人員根據玉兔二號的探測數據進行研究分析后,得出三個重大發現:

  • 月球南極艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑下方存在著2100萬億噸的重金屬元素;

  • 著陸區爆發過多次巖漿,說明月球也曾像現在的地球一樣存在著活躍的內部活動,后來不知因何原因停止了;

  • 在隕石坑中發現膠狀物,疑似是由高速流星撞擊月壤產生出的瞬間高溫融化所致。

除了月球車,嫦娥四號上還搭載一項由重慶大學牽頭研制的科普載荷——“月面微型生態圈”,搭載了棉花、油菜、土豆、擬南芥、酵母和果蠅六種生物。


2019年1月15日,第一棵來自地球的植物在月球上發芽了,我們成為了第一個在月球種棉花種土豆的民族。

第一棵來自地球的植物在月球上發芽

嫦娥四號的圓滿成功,標志著我們的探月工程進入了三步走的最后一步,“回”。

2020年11月24日凌晨4時30分,長征五號遙五運載火箭在中國文昌航天發射場點火升空,運送嫦娥五號探測器至地月轉移軌道。

嫦娥五號的發射,是我國月球探測第一階段的“收官之戰”,它的成功標志著我國成為了繼美國、蘇聯之后第三個從月球運送樣本返回地球的國家。

中國探月工程的三步走的目標,逐步的都實現了,然而這并不是終點,而是一個全新的開始。

下一步,我們要將宇航員送到月球上去,還要在月球上建設基地。

未來,我們還可以開采月球資源,在月球建造火箭,從月球出發,去往更廣闊的星辰大海!

(本文未經造就授權,禁止轉載。)

作者 | 田曉娜
版面 | 顧天紅

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