记者从国家航天局获悉,11月24日4时30分,我国在中国文昌航天发射场,用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约2200秒后,顺利将探测器送入预定轨道,开启我国首次地外天体采样返回之旅。

嫦娥五号升空瞬间。本报记者 高兴贵 摄

抛开那些专业术语,其实这次的探月任务可以形象地概括为:我们派嫦娥五号去月球出了个差,并请它带回一些“土特产”即月壤回来以便科学研究。

嫦娥五号是我国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战,我国探月工程自2004年1月立项并正式启动以来,已连续成功实施嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、再入返回飞行试验和嫦娥四号等五次任务。那么嫦娥五号与前几次的探测有什么不同之处?工程有哪些难点需要突破?将要实现哪些科学目标呢?

西昌卫星发射中心文昌发测站副站长、嫦娥五号任务01指挥员胡旭东(中)激动鼓掌庆祝发射任务成功。本报记者 高兴贵 摄

旅程步步创新

嫦娥五号由轨道器、返回器、着陆器、上升器四个部分共15个分系统组成,是中国首个实施无人月面取样返回的航天器。

嫦娥五号计划实现三大工程目标:

一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术,提升我国航天技术水平;

二是实现我国首次地外天体自动采样返回,推动我国科学技术重大进步;

三是完善探月工程体系,为我国未来开展载人登月与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础。

月面自动采样和封装是此次任务的核心关键之一。在这个阶段,嫦娥五号探测器将在月面选定区域着陆,并使出浑身解数采集月壤,实现我国首次月面自动采样返回。为此,中国航天科技集团五院的设计师们为嫦娥五号精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。当“嫦娥五号”的着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面后,就要开始为期2天的月面工作了。它随身携带的挖土“神器”,将科学分工,精密配合,采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等各种方式,采集约2千克月壤并进行密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将月球样品安全送至地球家园。

当嫦娥五号探测器完成月面工作后,就要踏上“回家”的旅程。

月面起飞上升是回家的第一步。要知道,运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的,点火起飞的位置、飞行轨道等也要经过精确测算。而月面起飞就不一样了,由于月球表面环境复杂,着陆器很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,这给起飞带来了很大的难度。此外,“嫦娥五号”在月面起飞无法做到像运载火箭一样,在发射前由地面人员完成测调和确认,必须依靠自己的力量,实现起飞时的自主定位、定姿。

嫦娥五号在回家路上还要实现月球轨道交会对接。在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接在我国尚属首次。设计师们像训练一名体操运动员一样,为嫦娥五号精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作,助推嫦娥五号实现完美对接,这项月球轨道交会对接技术具有世界先进水平。

当返回器带着月壤,从38万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来,这时它的飞行速度接近每秒11公里,称之为第二宇宙速度。这和一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度有很大不同。速度过快很容易让航天器一头撞向地球,后果不堪设想。为此,设计师们提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再入大气层,最后返回地面。

挖土意义重大

此次嫦娥五号任务的科学目标主要是开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,深化月球成因和演化历史的研究。

月球的土壤,对地球人来说却蕴藏着巨大的科学价值。

据中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙介绍,月壤是研究月球的样本,由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成,其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

除科学意义外,月壤还含有丰富的资源。

据航天科技集团五院相关专家介绍,科研人员通过研究发现,月壤中含有大量微小的橘红色玻璃形式颗粒,这些颗粒一般富含铝、硫和锌,它们是在月幔部分融化过程中,于月球表面下约300千米深处形成,因火山活动而喷出到月球表面。通过对样品的分析与实验证实,月壤和月岩中氧化铁的含量很高,从中可以制取水和氧,未来可利用月面物质支持月球基地的运行,并为登月飞行器补充燃料。

更重要的是,科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模,月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。此外,由于月壤处于月球的最表层,具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点,是未来月球科研站建设、采矿、修路、资源提取的首选目标。

据专家介绍,在可预见的相当长的时间内,月壤的经济价值远高于下伏的基岩。因此,通过对月壤的精细研究,可提供月球资源开发利用前景的重要信息,并为月球基地的选址提供重要的科学依据。需要说明的是,目前所谓的月球资源,是指对地球上的人类具有潜在的开发价值,还不具备商业开发的价值。

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