24日4時(shí)30分，我國(guó)在文昌航天發(fā)射場(chǎng)用長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭成功發(fā)射探月工程嫦娥五號(hào)探測(cè)器，火箭飛行約2200秒后，順利將探測(cè)器送入預(yù)定軌道，開(kāi)啟我國(guó)首次地外天體采樣返回之旅。這是長(zhǎng)征五號(hào)系列運(yùn)載火箭的第六次發(fā)射，也是2020年第三次執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

北京青年報(bào)記者從國(guó)家航天局了解到，長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭發(fā)射升空后，先后實(shí)施了助推器分離、整流罩分離、一二級(jí)分離以及器箭分離等四次分離。嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成，在經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行后，著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離，軌道器攜帶返回器留軌運(yùn)行，著陸器承載上升器擇機(jī)實(shí)施月球正面預(yù)選區(qū)域軟著陸，按計(jì)劃開(kāi)展月面自動(dòng)采樣等后續(xù)工作。

三問(wèn)月球“挖土”

月球“挖土”需要多長(zhǎng)時(shí)間?

月面工作約2天 總飛行時(shí)間約23天

此次采樣包括月球表面的抓取和鉆取巖芯兩種方式，計(jì)劃采集2千克月壤樣品并嚴(yán)格密封后送回地球。嫦娥五號(hào)在月面工作的時(shí)間約2天，總飛行時(shí)間約23天。嫦娥五號(hào)有望實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天史5個(gè)“首次”：首次月面自動(dòng)采樣，首次月面起飛上升，首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會(huì)對(duì)接，首次帶月壤高速再入返回地球，首次大規(guī)模進(jìn)行月壤樣品的存儲(chǔ)、分析和研究。其中，月球表面自動(dòng)采樣是最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)階段，嫦娥五號(hào)計(jì)劃在月球呂姆克山附近著陸并采集月壤。為此，來(lái)自航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式，精心設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。著陸器和上升器組合體順利軟著陸在月球表面后，嫦娥五號(hào)隨身攜帶的鉆取采樣裝置、 表取采樣裝置、表取初級(jí)封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”將科學(xué)分工，精密配合，花2天時(shí)間采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等各種方式，采集約2千克月壤并密封封裝送回地球。

月面采樣技能有哪些?

超強(qiáng)鉆頭+機(jī)械臂 助力月面自動(dòng)“挖土”

“有了金剛鉆，才攬瓷器活”，在月面鉆取式“挖土”靠的是鉆取子系統(tǒng)，其核心部件就是鉆頭。嫦娥五號(hào)鉆取子系統(tǒng)的研制歷時(shí)十余年之久，而其獨(dú)創(chuàng)的鉆頭，是研制者們通過(guò)建立鉆進(jìn)與取芯能力評(píng)價(jià)體系，對(duì)比16種設(shè)計(jì)方案，最終確定了雙排鉆牙階梯構(gòu)型，經(jīng)過(guò)千錘百煉，保證鉆進(jìn)過(guò)程順暢可控，具備對(duì)8級(jí)硬度巖石的鉆進(jìn)能力。同時(shí)有針對(duì)不同顆粒度月壤進(jìn)行切削、撥、擠、排的能力，雙排出刃形成多個(gè)切削面，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證能夠撥動(dòng)與突破臨界顆粒與顆粒集群，具有較好解決危險(xiǎn)工況和大顆粒的能力。

至于表取式“挖土”，靠的則是特定的機(jī)械臂。這個(gè)機(jī)械臂和人手幾乎是一樣的：在末端，即腕關(guān)節(jié)上有兩個(gè)采樣器，其中一個(gè)采樣器類(lèi)似一個(gè)鏟子，樣子有點(diǎn)像帶鉤子的鐵鍬，接近月面的時(shí)候通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)從月面挖取樣品;另一個(gè)采樣器末端為花瓣?duì)罱Y(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)旋轉(zhuǎn)將黏結(jié)在一起的月壤破碎掉，從而獲得相對(duì)較深的樣品。

如何把月壤樣品帶回地球?

太空“打水漂” 攜月壤返回

懷揣著辛苦“挖”來(lái)的月壤樣品，嫦娥五號(hào)的返回器將啟程返回地球。返回器將首先以第二宇宙速度沖向地球，在進(jìn)入地球大氣層后，通過(guò)半彈道跳躍式再入返回技術(shù)重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進(jìn)行降落，最終返回器打開(kāi)降落傘，平穩(wěn)安全地降落在四子王旗著陸場(chǎng)。

當(dāng)返回器帶著月壤，從38萬(wàn)公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來(lái)，這時(shí)它的飛行速度是接近每秒11千米的第二宇宙速度，而一般從近地軌道返回的航天器速度大多為每秒8千米的第一宇宙速度。可別小看了這每秒3千米的差距，因?yàn)榫秃孟袢邮^，同樣一塊石頭從一層樓扔下來(lái)和從十幾層樓扔下來(lái)的速度肯定不一樣。同理，航天器從數(shù)百公里高的近地軌道返回和從38萬(wàn)公里遠(yuǎn)的月球返回必然不同，而且差距巨大。一旦速度過(guò)猛，返回器一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想，必須讓返回器減速飛行。為此，航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們創(chuàng)新提出了“半彈道跳躍式再入返回”技術(shù)方案，就像在太空打水漂一樣，整個(gè)再入返回過(guò)程就是讓返回器先是高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后以第一宇宙速度扎入大氣層，返回地面。整個(gè)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣，確保嫦娥五號(hào)能安全順利地降落。

主要科學(xué)目標(biāo)

開(kāi)展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測(cè)和地質(zhì)背景勘察，獲取與月球月壤樣品相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系;對(duì)月球樣品進(jìn)行系統(tǒng)、長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤的結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化月球成因和演化歷史的研究。

三大工程目標(biāo)

一是突破窄窗口多軌道裝訂發(fā)射、月面自動(dòng)采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月球樣品儲(chǔ)存等關(guān)鍵技術(shù)，提升我國(guó)航天技術(shù)水平;

二是實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次地外天體自動(dòng)采樣返回，推動(dòng)我國(guó)科學(xué)技術(shù)重大進(jìn)步;

三是完善探月工程體系，為我國(guó)未來(lái)開(kāi)展載人登月與深空探測(cè)積累重要的人才、技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

11個(gè)階段任務(wù)

●發(fā)射入軌階段，由運(yùn)載火箭發(fā)射后進(jìn)入到地月轉(zhuǎn)移軌道的飛行階段;

●地月轉(zhuǎn)移階段，嫦娥五號(hào)完成器箭分離并展開(kāi)相應(yīng)太陽(yáng)翼，逐步進(jìn)入預(yù)定軌道，此階段大約飛行112小時(shí)，其間要進(jìn)行多次中途修正;

●近月制動(dòng)階段，在目標(biāo)環(huán)月飛行軌道正常行進(jìn)，并在近月點(diǎn)進(jìn)行2次減速制動(dòng)，以合適的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)入到環(huán)月圓軌道，最終進(jìn)入的軌道距離月面200千米左右;

●環(huán)月飛行階段，在環(huán)月飛行軌道中行進(jìn)到動(dòng)力下降初始點(diǎn)，并在該階段完成軌道返回組合體和著陸上升組合體的分離，等待上升器的到來(lái);

●著陸下降階段，著陸上升組合體將從下降初始點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行月面軟著陸，并經(jīng)過(guò)主減速段、接近段、懸停段、避障段、緩速下降段和自由下落段等階段，尋找合適的月面完成軟著陸，整個(gè)下降過(guò)程15分鐘左右;

●月面工作階段，著陸上升組合體將在月面停留2天，其間通過(guò)有效載荷設(shè)備完成月面科學(xué)探測(cè)，通過(guò)采樣封裝設(shè)備完成月壤的鉆取、表取以及封裝;

●月面上升階段，上升器將經(jīng)歷垂直上升、姿態(tài)調(diào)整和軌道射入三個(gè)階段，進(jìn)入到相應(yīng)的環(huán)月飛行軌道;

●交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移階段，從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開(kāi)始，通過(guò)遠(yuǎn)程導(dǎo)引和近程導(dǎo)引技術(shù)，上升器與軌道返回組合體逐步完成交會(huì)對(duì)接，上升器中存放的月球月壤樣品通過(guò)軌道器轉(zhuǎn)移到返回器中;

●環(huán)月等待階段，嫦娥五號(hào)軌道返回組合體從對(duì)接艙分離并進(jìn)入月地入射點(diǎn)，等待月地入射窗口的到來(lái);

●月地轉(zhuǎn)移階段，軌道返回組合體帶著月球采樣品從月球滿(mǎn)載而歸，經(jīng)歷多次中途修正后，在距離地球5000千米高度處實(shí)現(xiàn)軌道器和返回器的分離;

●再入回收階段，返回器帶著月壤樣品降落在地面預(yù)定地點(diǎn)。

權(quán)威解讀

采樣位置“選址十分明智”

我們?yōu)槭裁匆绱舜筚M(fèi)周章地去月球“挖土”呢?據(jù)全國(guó)空間探測(cè)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩介紹，通過(guò)研究目前已有的月壤，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)月壤中含有大量微小的橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅，它們是在月幔部分融化的過(guò)程中，在月球表面下約300千米的深處形成，因?yàn)榛鹕交顒?dòng)而噴出到月球表面。對(duì)樣品的分析與實(shí)驗(yàn)證實(shí)，月壤和月巖中氧化鐵的含量很高，從中可以制取水和氧，未來(lái)可利用月面物質(zhì)支持月球基地的運(yùn)行，并為登月飛行器補(bǔ)充燃料。更重要的是，科學(xué)家還在采集回來(lái)的樣品中發(fā)現(xiàn)了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規(guī)模，月球上的氦-3用于核聚變發(fā)電后能夠滿(mǎn)足人類(lèi)約1萬(wàn)年的能源需求。

此外，在地球上，通過(guò)測(cè)量巖石中微量放射性化合物的衰變，人類(lèi)已經(jīng)知道火山爆發(fā)、物種大規(guī)模滅絕發(fā)生的時(shí)間。但在太陽(yáng)系其他地方，這個(gè)時(shí)間線是混亂甚至未知的，原因就是記錄太少，目前有關(guān)的月球數(shù)據(jù)都來(lái)自美國(guó)和前蘇聯(lián)帶來(lái)的月壤樣品。而“嫦娥五號(hào)”的采樣目的地在月球呂姆克山附近，它位于月球風(fēng)暴洋地區(qū)，形成時(shí)間相對(duì)較晚，這一地點(diǎn)的采樣將進(jìn)一步完善月球歷史的全貌，同時(shí)為不穩(wěn)定的隕石坑年齡測(cè)算方法提供新的定位點(diǎn)。

國(guó)際頂尖科學(xué)期刊《自然》(Nature)近日就嫦娥五號(hào)任務(wù)發(fā)表文章，評(píng)價(jià)嫦娥五號(hào)月面采樣的位置“選址十分明智”，表示其采回的樣本可以填補(bǔ)科學(xué)家對(duì)月球火山活動(dòng)理解上的一個(gè)重要空白。之前美國(guó)和前蘇聯(lián)采回的月壤和月巖樣品表明，月球上的火山活動(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。但對(duì)月球表面的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，某些區(qū)域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖，這與嫦娥五號(hào)著陸地區(qū)的年齡相仿。如果嫦娥五號(hào)的樣本證實(shí)這段時(shí)間月球仍在活動(dòng)，將改寫(xiě)月球的歷史。(記者 雷嘉)