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嫦娥五號凌晨奔月：挑戰中國航天史四個首次，將帶回2千克月壤。
作者 | 信儀
編輯 | 漠影
智東西11月24日消息，剛剛，北京時間凌晨4時30分21秒806，我國搭載「嫦娥五號」月球探測器的「長徵五號」火箭在我國文昌航天發射場成功發射升空，這是「嫦娥五號」首次從月球採樣返回任務的第一步！
3！2！1！點火！振奮人心的一刻！
▲長徵五號發射升空 來源：央視新聞正直播
這次「嫦娥」可不止是去往月球繞一圈，探探路拍些照片回來，這次她要做的是到月球上「挖土」，並將月球上的土壤和巖石帶回國，可以稱得上是無人版的「阿波羅登月」。
美國和蘇聯分別在20世紀六七十年代通過載人飛船和月球探測器為人類帶回了月球上的土壤樣本，但從1976年8月18日蘇聯的「月球24號」探測器最後一次採集月球樣本至今，人類已經有44年沒有再更新月壤樣本，而今天中國終於也要採集月壤了！
▲阿波羅15號帶回的月土樣本
中國月球探測工程首席科學家，被譽為「嫦娥之父」的中國科學院院士歐陽自遠說，「嫦娥五號」將實現我國4個重大首次的突破：
1、 首次在月球表面自動採樣；
2、 首次從月面起飛；
3、 首次在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接；
4、 首次帶著月壤以接近第二宇宙速度（若不計空氣阻力，它的數值大小為11.2km/s，是第一宇宙速度的√2倍）返回地球。
中國的探月計劃嫦娥工程於2004年正式啟動，嫦娥工程分為「無人月球探測、載人登月、建立月球基地」三個階段。目前我國仍處於「無人月球探測」階段，又分為「繞、落、回」三步走。
目前，「嫦娥一號」到「嫦娥四號」任務已經圓滿完成「繞、落」前兩步的任務，「嫦娥五號」這次任務如果成功，將實現探月工程第三步戰略目標。
據稱，這次「嫦娥五號」要完成的任務被稱為至今為止我國最複雜的航天任務之一。這次任務到底複雜在哪？以前的「嫦娥」探測器都完成了什麼任務？如果這次「挖土」任務完成對我國和地球人類有什麼意義？今天讓我們一起跟隨文章探尋。
01.從昨晚6點至今，智東西一直在屏幕前關注著「嫦娥五號」的發射進展。隨著發射塔周邊的燈越來越亮，我們知道，這意味著距離發射的時間越來越近……
今夜的月亮在肉眼看來略微有些發紅，不知道是不是月兔紅了眼，在迎接著「嫦娥五號」的到來。
4時30分，一瞬間，火箭點火發射，耀眼的紅光照亮了黑夜！我們能夠看到火箭發動機噴出的尾焰。
▲長徵五號發射升空 來源：央視新聞正直播
隨著視覺上火焰逐漸由紅色變為金黃色再變為偏藍色，4時33分，助推器分離。
▲助推器分離 來源：央視新聞正直播
4時36分，整流罩分離，嫦娥五號露出真容。
▲整流罩分離 來源：央視新聞正直播
4時39分，一二級火箭分離。
4時43分，火箭二級一次關機。
5點05分，火箭二級二次關機。
5時06分，主發動機關機。
5時07分，調姿結束，器件分離，意味著嫦娥五號開始自主在太空中工作了。
▲調姿結束，器件分離 來源：央視新聞正直播
這一瞬間的迸發，以及屏住呼吸的半個小時，背後包含的是無數人日日夜夜的努力。
2020年11月17日，也就是在發射前一周，長徵五號遙五運載火箭和「嫦娥五號」探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試後，垂直轉運至發射區101發射工位，做好發射的準備，等待窗口期的出現。
▲長徵五號遙五運載火箭垂直轉運至發射區 來源：新華社
對於為什麼選擇凌晨發射這個問題，中國航天科技集團一院總體設計部博士錢航說：首先，在凌晨發射最有利於火箭奔月軌道的設計；二是減少太陽活動對於「嫦娥五號」的影響；三是晚上天空雲層較少，有利於信號傳播；四是凌晨整體環境亮度較低，方便觀測。
「長徵五號」火箭算起來已經是中國航天的老朋友了，從去年12月到今年，我們的「胖五」——「長徵五號」系列運載火箭在一年之內完成了四發飛行任務，這也是史無前例的。
「胖五」總長56.97米，起飛重量863噸，箭體直徑5米，將捆綁4個助推器，「嫦娥五號」探測器在發射前就安座在「胖五」的整流罩裡。
工作人員表示，這次「長徵五號」依靠的動力是液氫液氧燃料，能實現無毒無汙染髮射。
據央視網消息稱，由於地球和月球的位置關係一直在變化，「嫦娥五號」任務的窗口只有三天，11月兩天，12月1天，每天50分鐘。
因此「長徵五號」此次採用「窄窗口 多軌道」方案發射「嫦娥五號」，即每一條彈道都覆蓋10分鐘的一個窗口，通過5條彈道可以實現50分鐘的一個窗口。
「窄窗口 多軌道」是提高發射概率和發射可靠性的一個重要措施，即使射前某個時段出現異常，應急處置延遲幾分鐘，還可以有發射機會，此前「天問一號」的發射也採用了相同的技術。
再來說我們這次任務的重中之重——「嫦娥五號」探測器。
「嫦娥五號」探測器，是由中國空間技術研究院（中國航天科技集團五院）研製的中國首個實施無人月面取樣返回的太空飛行器，全重8.2噸，由軌道器、返回器、著陸器、上升器四個部分以及15個分系統組成。
▲「嫦娥五號」結構圖 來源：人民日報客戶端
要知道「嫦娥一號」和「嫦娥二號」僅僅有一個軌道器，「嫦娥三號」與「嫦娥四號」也只有一個著陸器和一個巡邏器。與此相比，「嫦娥五號」的裝備可算是目前「嫦娥界頂配」。
從2013年轉入初樣研製階段，到2014年探路兵發射升空，我國對「嫦娥五號」探月任務的布局和努力遠不止十年。
02.中國探月工程的「無人月球探測」階段分為「繞、落、回」三步走，目前繞月和落月任務已經在前幾個月球探測器的出色表現中圓滿完成。
▲「繞、落、回」三步走
據探月三期的計劃來看，「嫦娥五號」要實現的是月球取樣並返回地球的任務，替我國帶回月球上的第一抔土。這次任務也被稱為「迄今為止，我國最複雜的航天任務。」
為什麼稱這一任務是最複雜的呢？
去年，中國科學院院士歐陽自遠在介紹「嫦娥五號」任務過程和關鍵節點的時候說：「我們將要發射『嫦娥五號』，軟著陸在月球上，隨後取樣返回。」
「『嫦娥五號』目前實現突破的核心技術包括：運載發射、地月轉移、近月制動、環月飛行、月面下降、月面採樣、月面上升、交會對接、環月等待、月地轉移、軌道分離、再入回收12個部分。」
此外，據「長徵五號」任務型號團隊總體主任設計師彭德雲稱，這次飛行任務共計23天，有23次重大的軌道控制，還有6次重大分離控制，以及動力下降和月面起飛、交會對接等相關的歷史上很多風險比較高的項目。團隊在火箭正式發射前進行了多次演練，才能保證任務的順利進行。
據我們整理，「嫦娥五號」從發射到回收至少要經歷以下高難度動作：
發射→軌道器和著陸器太陽翼展開→地月轉移→近月制動→環月飛行→軌道器和著陸器分離→動力下降→月面鑽取採樣→月面表取採樣→上升器月面起飛→軌道器和上升器月球軌道交會對接→月球樣品由上升器轉移至返回器→軌道器和上升器分離→進入地月轉移軌道→月地轉移→軌道器和返回器分離→返回器再入大氣→返回器降落傘打開→返回器著陸回收
從任務的操作來看，一次探月飛行包括兩次發射（地面發射與月面發射），兩次著陸（月面著陸與地球著陸），採樣和兩次封裝（月面封裝與月軌封裝），一次交會對接（月軌對接）。
1、 發射難點
（1） 地面發射：難點在於「長徵五號」發射本身。
（2） 月面發射：相對地面發射來說不可控因素較多，最突出的是落月位置。著陸器的落月範圍是存在誤差的，為此「嫦娥五號」必須能精確知道自己的位置和狀態信息，從而為其發射提供依據。此外，上升器在點火瞬間的一個較強衝擊也是影響它是否能正常起飛的重要因素。
▲上升器在月面起飛模擬動畫 來源：人民日報
2、 著陸難點
（1） 月面著陸：有「嫦娥三號」和「嫦娥四號」的經驗，月面著陸需要克服的問題僅有因為攜帶上升器導致質心較高產生的穩定性減弱的問題。
（2） 地面著陸：「嫦娥三號」在離開月球返回地球的路上，其速度會不斷上升，在進入地球大氣層時，會以第二宇宙速度左右的高速返回地球，著陸於內蒙古四子王旗。
針對這一難題的解決方法有兩個：一是增加熱盾厚度以抵抗高溫，但會增重；二是調整返回角度，延長返回時間，這樣以來可以控制重量但返迴路徑長，也相應延長了再入時間。
由於「嫦娥五號」的返回器將攜帶有至少2千克重的月壤樣本，增加熱盾厚度會使探測器增重，因此我國選擇了第二種方式。
由於返回角度特殊，「嫦娥五號」的返回器可能會在大氣密度變化的部分發生跳躍，跳出大氣層後又二次返回，俗稱「太空打水漂」。
▲返回器跳躍式再入大氣層，而後打開降落傘著陸 來源：人民日報客戶端
但這一決定並非冒險，因為早在2014年，我國就利用「嫦娥五號T1」試驗器「舞娣」進行了一次測試，返回器樣件在經過了長時間的再入之後，安安穩穩地落在了預定的落區範圍內，圓滿完成了任務，驗證了返回技術的可靠性。
3、 採樣和封裝難點
（1） 採樣：蘇聯當年做了好幾次只成功了三次，共取回300多克月壤。「嫦娥五號」計劃採樣2公斤，深孔鑽取式採樣器和鏟挖式複合功能採樣器聯合完成採樣，要鑽進月球地表2米獲取原原本本的月壤，還必須封裝好拿回來。
其中難點在於人們對月表之下的情況不得而知，很可能遇到鬆軟的土壤、堅硬的巨石或是不同含量的礦物質，因此發射前研究人員在實驗室反覆的試驗就顯得尤為重要。
▲鑽取採樣 來源：NEW CHINA
▲表取採樣 來源：NEW CHINA
（2） 月面封裝：「嫦娥五號」的機械臂在採集月壤樣本之後，將其通過一系列方式送入上升器中，進行第一次封裝，防止其在離開月球的過程中出現損耗。
（3） 月軌封裝：第二次封裝則是上升器的月壤轉移到返回器中，來保護月壤樣品不受返回時惡劣環境的影響。
封裝難點在於它是無人操作的，要想全自動地實現月壤「採集—包裝—轉移—封裝」一條龍服務，難度可想而知。
▲月軌樣品轉移封裝 來源：青蜂俠
4、 月軌對接難點
中國科學院院士歐陽自遠說：「『嫦娥五號』在採樣結束後還回不到地球，它不可能在來到月球時就攜帶足夠返回的燃料。」
上升器將在月球表面首次起飛，進行一段短距離的飛行。然後在月球軌道會有一條「飛船」等著跟它交會對接並轉移土壤。歐陽自遠稱這是「針尖」對「針尖」的對接，地球上看不見數據和測控，只能依靠「嫦娥五號」自主控制的「大腦」和「眼睛」來完成對接任務。
▲月軌對接 來源：NEW CHINA
除了以上難點外，探測器表面溫度控制、即時通信、部件連接強度等都是此次任務中需要航天工作人員一一面對的。
此外，即便「嫦娥五號」任務完成之後，返回器內部的環境仍然要求是真空的，在我們揭開蓋子的時候，仍然需要在設施完善的特殊實驗室內進行，以防止地球大氣的湧入對樣本造成影響。
03.如果仔細觀察不難發現，我國的探月工程從「嫦娥一號」到「嫦娥五號」，一直遵循著嚴謹的「繞、落、回」邏輯穩步向前發展。
▲「嫦娥工程」歷次內容概況
「嫦娥一號」和「嫦娥二號」完成繞月拍攝任務，「嫦娥三號」和「嫦娥四號」完成落月任務，再加上「嫦娥五號T1」任務，我國的探月任務五戰五捷，連續突破掌握了繞月飛行、月面軟著陸、月面巡視、月地軌道返回等一系列核心工程技術。
據悉，這次，「嫦娥五號」將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，此地從未有其他國家的探測器到訪過。
美國《科學》雜誌報導稱，此處可能在大約13億年前發生過火山噴發。
▲「嫦娥五號」著陸地點(紅圈處)：呂姆克山脈 來源：中國新聞網
風暴洋相對較年輕，富有鈾、釷、鉀等放射性元素，該地存在大約13億至20億年前的玄武巖，獲得這些年輕玄武巖的同位素年齡，將有助於推進對月球火山活動和演化歷史的認識。
04.地月之間平均單程距離約為38萬公裡，走一個來回將近80萬公裡，月球樣品中究竟有哪些奧秘值得我們如此費力去挖掘？回顧歷史，人類在去月球「挖土」這件事上都做過哪些努力？
早在40多年前，美蘇太空競賽時期，美國和蘇聯都很熱衷於去月球採樣，不過戲劇性的是，美蘇當時一共為地球帶回了約382.335千克的月球樣本，其中的382千克是美國通過登月的太空人帶回的，其餘的0.335千克是蘇聯使用無人月球探測器帶回來的。
▲美蘇分別帶回的月球樣本重量 來源：b站博主「基德」視頻
1969年7月至1972年12月，美國豪擲250億美元，將人類的航天技術強行拔高到登陸月球的水平。
美國通過阿波羅11號到阿波羅17號載人飛船實施了7次載人登月任務，除了阿波羅13號因發生故障中途返回，其餘6艘飛船皆完成登月，成功將12名航天員送上月球，共帶回月壤和月巖樣品約382千克。
蘇聯月球16號探測器、月球20號探測器和月球24號探測器則分別從月球豐饒海、阿波羅尼厄斯高地和月球危海採集到了共約335克樣本。
隔了接近半個世紀，我國的「嫦娥五號」雖說與蘇聯的探測器相同，都是無人採樣，而相比來說「嫦娥五號」對月壤的採樣能力更強。
中國空間技術研究院研究員龐之浩說，我國僅「嫦娥五號」一個探測器就計劃能帶回2千克的月球樣本。
據介紹，採樣重量會出現這麼大的差別，是因為當時的蘇聯尚未掌握月球軌道無人交會對接技術，所以其3次無人月球採樣任務採用的都是月面起飛直接返回地球方案，這樣其上升器需要克服返回艙與大量燃料帶來的巨大負重，因此極大壓縮了採樣重量。
而「嫦娥五號」計劃採用月球軌道無人對接方案轉移月壤，上升器不用搭載返回艙，所需燃料大大減少，因此採樣重量也呈幾何級提高。
▲「嫦娥五號」渲染圖
龐之浩說，科學家們通過對月球的樣品分析研究發現，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過程中，於月球表面下約300千米深處形成，因火山活動而噴出到月球表面。
通過對樣品的分析與實驗證實，月壤和月巖中氧化鐵的含量很高，從中可以製取水和氧，未來可利用月面物質支持月球基地的運行，並為登月飛行器補充燃料。
更重要的是，科學家還在採集回來的樣品中發現了核聚變的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規模，月球上的氦-3用於核聚變發電後能夠滿足人類約1萬年的能源需求。
如果「嫦娥五號」這次的任務能夠圓滿完成，其獲取的月球樣本將為今後載人登月和月球基地選址等提供數據，為人類探索太空中的其他星球奠定堅實的基礎，是人類進軍太空的一大步。
此外，這也意味著我國將成為世界上第三個將月球樣本帶回地球的國家，為我國提高在世界上的競爭力和話語權來說有重要意義。
05.獲取月壤樣本並不只有「去月球—挖土—回地球」這麼簡單，短短23天的旅程需要跨越近80萬公裡，凝聚的是我國航天人十幾年的心血。而今天「長徵五號」帶領「嫦娥五號」成功發射也只是任務開始的第一步，困難還在後面。
去往月球表面的「嫦娥五號」已經發射，去往火星表面的「天問一號」還在路上。下一步，據中國探月工程總設計師吳偉仁透露，未來十年中國將在月球南極建立國際月球科研站，並在未來十年左右實現載人登月。
中國航天，正在一步一個腳印穩步向前。我們也祝願此次「嫦娥五號」月球取樣任務圓滿成功！
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原標題：《中國航天歷史性一天！嫦娥五號發射成功，44年後人類再去月球「挖土」》
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