嫦娥五號(hào)發(fā)射成功,中國航天再次開啟全新的篇章

北京時(shí)間今天凌晨4:30，嫦娥五號(hào)月球探測器在海南文昌航天發(fā)射場，由中國最強(qiáng)火箭——長征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

這是中國探月工程第六次任務(wù)，也是中國航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù)，中國將首次在月球上“挖土”并帶回地球。

嫦娥五號(hào)幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級(jí)的技術(shù)，而這次發(fā)射也將是中國載人登月的一次超前預(yù)演，為十年后的載人登月進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。

4個(gè)月前發(fā)射的火星探測器“天問一號(hào)”已經(jīng)在太空中飛行了3億公里，嫦娥五號(hào)讓中國航天再次開啟了一個(gè)全新的篇章。

一、中國航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù)

隨著嫦娥五號(hào)的發(fā)射成功，中國的探月工程第一階段的任務(wù)也進(jìn)入尾聲。按照在2004年立項(xiàng)的中國探月工程規(guī)劃，嫦娥工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個(gè)階段。

而無人月球探測又分為“繞、落、回”三步完成，即繞月飛行，著陸勘探，采樣返回，其中嫦娥一號(hào)到嫦娥四號(hào)已經(jīng)完成了前兩步，而嫦娥五號(hào)將完成最后的“回”，這也是嫦娥系列迄今為止最復(fù)雜、技術(shù)難度最高的一次任務(wù)。

正因如此，嫦娥五號(hào)月球探測器的結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜，由4個(gè)主要部件——軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，而此前的四個(gè)嫦娥探測器只有1～3個(gè)主要部件組成。

嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)中國航天史上的的四個(gè)“首次”：

首次在月球表面自動(dòng)采樣；

首次從月面起飛；

首次在 38 萬公里以外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(huì)對接；

首次帶著月球土壤以接近第二宇宙速度返回地球。

為什么說嫦娥五號(hào)將是中國航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù)？基本就體現(xiàn)在這四個(gè)“首次”里了。

首次在月球表面自動(dòng)采樣

人類上次在月球上采樣帶回，還要追溯到1976年的蘇聯(lián)月球24號(hào)，距離現(xiàn)在已經(jīng)過去了44年。

讓探測器在月球上軟著陸，并挖一捧土其實(shí)并不算難，嫦娥系列也早已能夠做到。真正難的是完好地封裝月球土壤。

當(dāng)嫦娥五號(hào)探測器通過打鉆和機(jī)械臂采集月壤樣本之后，將送入上升器中，需要進(jìn)行第一次封裝，防止樣本在離開月球的過程中出現(xiàn)損耗和遭到污染。

“阿波羅”飛船載人登月采集樣本時(shí)，就曾因?yàn)闃颖久芊獬霈F(xiàn)了問題，導(dǎo)致月球土壤被污染。

據(jù)探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云介紹，由于月球引力只有地球的六分之一，對采樣封裝技術(shù)的要求也將更高，才能保證取回的樣本有效，這是此前從未嘗試過的。

首次從月面起飛

在過去幾次探月任務(wù)中，都只需要執(zhí)行一次發(fā)射。而嫦娥五號(hào)除了要在地球上升空，還要在月球表面發(fā)射，一下就提高了好幾個(gè)難度等級(jí)。

關(guān)注過火箭發(fā)射的讀者應(yīng)該也知道，在地球上的發(fā)射任務(wù)需要發(fā)射場提供完備的保障體系，除了發(fā)射塔架的固定，還有大量工程師實(shí)時(shí)的維護(hù)和調(diào)整，以保證發(fā)射順利進(jìn)行。

然而在月球上，這些保障措施幾乎都無法提供，不可控的因素也大大增加，發(fā)射平臺(tái)是否平穩(wěn)，角度是否準(zhǔn)確，地球上的工程師都不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。

而這一切都需要嫦娥五號(hào)自己來完成，因此嫦娥五號(hào)采用了更先進(jìn)的人工智能系統(tǒng)，從著陸點(diǎn)的選取，到對發(fā)射地點(diǎn)的經(jīng)緯度、坡度、高程的調(diào)整，都將由嫦娥五號(hào)上的感應(yīng)器收集數(shù)據(jù)后，再讓AI大腦自主完成。

首次在38萬公里以外的月球軌道上進(jìn)行無人交會(huì)對接

按照計(jì)劃，這次嫦娥五號(hào)至少將攜帶2kg重的月球土壤樣本返回地球。而蘇聯(lián)過去3次月球采樣返回任務(wù)一共才帶回了約330g的土壤樣本。

為什么嫦娥五號(hào)一次就能帶回這么多樣本？這主要得益于在這次任務(wù)中采用的月球軌道無人交會(huì)對接技術(shù)。

四十多年前，蘇聯(lián)的月球探測器在采樣后都是從月球表面直接起飛返回地球，那么上升器自然需要更大的動(dòng)力，因此必需裝載更多的燃料，留給月球土壤樣本的空間就會(huì)大大壓縮。

不僅如此，為了裝更多燃料，上升器的重量也會(huì)相應(yīng)增加，這也加大了地面發(fā)射時(shí)運(yùn)載火箭的壓力，那么可能連中國最強(qiáng)的運(yùn)載火箭“胖五”也無法支持。

而月球軌道無人交會(huì)對接技術(shù)則解決了這個(gè)問題，探測器采樣后不直接飛回地球，而是由上升器將土壤樣本轉(zhuǎn)移到月球軌道上飛行的返回器中，再由返回器帶回地球。

這樣一來，上升器需要飛行的距離就大大縮短，只需要少量燃料，那就能將更多的空間給土壤樣本了。

不過這個(gè)過程也將面臨兩大技術(shù)挑戰(zhàn)，一是如何讓上升器和返回器自主交匯對接，二是在樣本轉(zhuǎn)移過程中完成封裝。

其實(shí)類似的空間自主交匯對接在我國過去的神舟系列已經(jīng)成熟應(yīng)用，但都是在地球軌道進(jìn)行，地面站和人造衛(wèi)星可提供精準(zhǔn)測距、定位、導(dǎo)航服務(wù)，可在月球軌道上這些資源則匱乏得多。

而樣本的封裝同樣關(guān)鍵，因?yàn)槟芊裢旰脦Щ貥颖揪褪桥袛噫隙鹞逄?hào)任務(wù)成敗的標(biāo)準(zhǔn)。如果沒有嚴(yán)密封裝，樣本可能就會(huì)在返回大氣層的過程中付之一炬。

因此就像在月面起飛一樣，嫦娥五號(hào)的人工智能系統(tǒng)將在這些過程中發(fā)揮重要作用。

首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球

此外在返回器帶著樣本返回地球時(shí)，速度將達(dá)到接近11.2km/s的第二宇宙速度，比神舟系列飛船返回地球時(shí)的第一宇宙速度快得多，如果直接沖入大氣層，將產(chǎn)生更大的熱量。

那么要保護(hù)返回器就要安裝更厚的防熱盾，這樣一來探測器重量又將增加了，能帶回的樣本也會(huì)更少。

因此嫦娥五號(hào)采用一種類似“打水漂”的方式進(jìn)入大氣層，先利用大氣層的升力彈射出去，減速后再度進(jìn)入大氣層。

其實(shí)早在2014年，嫦娥5號(hào)T1試驗(yàn)器已經(jīng)首次試驗(yàn)“打水漂”再入軌道，還拍下了一張拍地月合影的照片。

中國最強(qiáng)火箭“胖五”

另外值得一提的是，這次運(yùn)載嫦娥五號(hào)上天的運(yùn)載火箭“胖五”。四個(gè)月前“胖五”就已經(jīng)將天問一號(hào)送上太空。

之所以叫“胖五”，因?yàn)檫@是中國直徑最大的一支火箭，直徑芯級(jí)達(dá)到5米，此外還要捆綁4枚3.35米助推器，是個(gè)體重869噸的“大胖子”。

正是因?yàn)樘至?，“胖五”不能再像過去的火箭一樣通過鐵路運(yùn)輸，因?yàn)檫@已經(jīng)超過鐵路橋洞的直徑，只能改由兩艘運(yùn)輸船從海路抵達(dá)發(fā)射場。

“胖五”提升的不只是尺寸， 8臺(tái)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，賦予了它國產(chǎn)火箭最猛的動(dòng)力，起飛時(shí)的推力可以達(dá)到1000多噸。

此外液氧和液氫兩種推進(jìn)劑分別要零儲(chǔ)存在零下183 ℃和零下253 ℃條件下儲(chǔ)存，這枚火箭又被稱為“冰箭”。

這樣的動(dòng)力和體積給了“胖五”我國史上最強(qiáng)運(yùn)載能力，它在近地軌道運(yùn)載能力為25噸，直接在現(xiàn)役國產(chǎn)火箭基礎(chǔ)上提升了2.5倍以上。

雖然這比不上現(xiàn)役最強(qiáng)運(yùn)輸火箭重型獵鷹火箭，但已經(jīng)邁入了國際一線行列。目前美俄的主力火箭，運(yùn)輸能力也主要集中在20～30噸級(jí)別。

如果沒有這個(gè)量級(jí)的火箭，不僅嫦娥五號(hào)也無法順利發(fā)射，之后的載人登月和空間站計(jì)劃也根本不用想。

二、為什么要上月球“挖土”

如果一切順利，再過一段時(shí)間嫦娥五號(hào)將在月球正面最大的月海風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，這是人類之前從未到訪過的的月球區(qū)域。

為什么我們要千里迢迢來到月球表面“挖土”呢？因?yàn)檫@不僅能讓我們了解月球的演變史，對于研究太陽系45億年的變遷也有著重要意義。

比如嫦娥五號(hào)著陸的地區(qū)，就存在著大約13億至20億年前的玄武巖。而月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風(fēng)轟擊和宇宙射線輻射等空間風(fēng)化作用后形成的月球土壤中，蘊(yùn)藏著太陽活動(dòng)的許多信息。

中國行星科學(xué)家團(tuán)隊(duì)不久前在《自然·天文》雜志 發(fā)表的一項(xiàng)研究，就根據(jù)月球土壤的演變，發(fā)現(xiàn)地月系統(tǒng)遭受的撞擊物在35億年前后發(fā)生了變化，還為揭示太陽系早期巨行星的動(dòng)蕩歷史提供了新的思路和線索。

就像中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)研究所教授肖龍所說的：

月壤即月球的土壤，雖然在月球上唾手可得，但是對地球人來說卻蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)價(jià)值。

可是由于過去只有美蘇有能力從月球采樣，中國想要研究并不容易。目前中國僅有的1g月球土壤樣本，還是上世紀(jì)70年代中美建交后美國贈(zèng)予中國的。

而且阿波羅號(hào)帶回的月球樣本大多集中在月球正面中低緯度的月海區(qū)域，年齡集中在42～32億年前，對于月球研究是不夠全面的。而在嫦娥五號(hào)帶回月球樣本后，中國就能對月球進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。

此外探月工程首席科學(xué)家歐陽自遠(yuǎn)也曾在一次采訪中提到為什么要探測月球，除了研究月球演變，月球還有豐富的能源。

歐陽自遠(yuǎn)認(rèn)為月球的土壤里面還含有一種非常重要的終極能源原料，我們現(xiàn)在的化學(xué)能源、核電站都需要這種原料，這將為人類社會(huì)的永續(xù)發(fā)展提供重要的支撐。

三、下一個(gè)十年，中國人要登上月球了

在嫦娥五號(hào)任務(wù)順利完成后，下一階段就是載人登月了。

中國探月工程總設(shè)計(jì)師、中國工程院院士吳偉仁曾透露，中國載人登月將在2030年左右實(shí)現(xiàn)，并在月球南極建立國際月球科研站，在此之前嫦娥六號(hào)和七號(hào)將先后前往南極進(jìn)行勘探。

實(shí)際上這次嫦娥五號(hào)的任務(wù)，也可以看作中國載人登月的一次預(yù)演。嫦娥五號(hào)月球軌道多次分離和對接，其實(shí)與美國阿波羅計(jì)劃載人登月的技術(shù)類似。當(dāng)年美國在進(jìn)行載人登月之前，同樣做過這樣的月球軌道交會(huì)對接試驗(yàn)。

就像航天科普博主“太空精釀”所說，阿波羅飛船與嫦娥五號(hào)唯一的區(qū)別，就是載人與非載人了。當(dāng)嫦娥五號(hào)的幾個(gè)主要器件升級(jí)為“艙”，并配備載人航天系統(tǒng)和登月裝備，就可以實(shí)現(xiàn)載人登月了。

中國探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云也表示，嫦娥五號(hào)任務(wù)是在為未來載人登月做技術(shù)儲(chǔ)備。

除了中國，美國的NASA也已經(jīng)啟動(dòng)了重返月球計(jì)劃，最快在2024年將再次進(jìn)行載人登月。不過在十年后，美國很可能不再是唯一一個(gè)實(shí)現(xiàn)載人登月的國家了。

無論是中國還是美國，載人登月都不會(huì)是太空探索的終點(diǎn)。馬斯克希望將月球當(dāng)作火星移民的中轉(zhuǎn)站，而歐陽自遠(yuǎn)同樣認(rèn)為，月球只是人類的跳板，人類最終可能還是要去火星上的。
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