嫦五成功落月,「挖土」有何期待?

2020-12-16 澎湃新聞

海報：嫦娥五號探測器成功落月新華社發

記者從國家航天局獲悉，12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功著陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選著陸區，並傳回著陸影像圖。

12月1日，在北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥五號探測器落月瞬間。新華社記者金立旺攝

12月1日22時57分，嫦娥五號探測器著陸器和上升器組合體從距離月面15公裡處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器相對月球縱向速度從約1.7公裡/秒降為零。

期間，探測器進行快速姿態調整，逐漸接近月表；此後進行障礙自動檢測，選定著陸點後，開始避障下降和緩速垂直下降，平穩著陸在位於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。著陸過程中，著陸器配置的降落相機拍攝了著陸區域影像圖。

這是嫦娥五號探測器動力下降過程降落相機拍攝的圖像。新華社發（國家航天局供圖）

這是嫦娥五號探測器軟著陸後降落相機拍攝的圖像。新華社發（國家航天局供圖）

成功著陸後，著陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，將正式開始持續約2天的月面工作，採集月球樣品。

12月1日，在北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥五號探測器落月瞬間。新華社記者金立旺攝

12月1日，在北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥五號探測器落月過程。新華社記者金立旺攝

12月1日，在北京航天飛行控制中心，航天科技人員在監測嫦娥五號探測器工作狀態。新華社記者金立旺攝

12月1日，在北京航天飛行控制中心，航天科技人員在監測嫦娥五號探測器落月過程。新華社發（國家航天局供圖）

12月2日，在北京航天飛行控制中心拍攝的落月後的嫦娥五號探測器。新華社記者金立旺攝

圖表：嫦娥五號探測器實施動力下降並成功著陸將在預選區域開展月面採樣工作新華社記者陳琛編制

嫦娥五號是怎麼落月的？和近月制動一樣，落月也要由嫦娥五號自主完成。距離月面比較遠的時候，嫦娥五號通過拍照避開大型障礙物；到了距離月面100米時，懸停，拍照，精確識別，選好落點；隨後，向斜向下飛行，邊下降邊避障，飛到選定著陸點的正上方後豎直下降，並在距離月面較近時提前關閉主發動機，利用著陸腿的緩衝實現軟著陸。

落在哪兒？月球正面風暴洋的預選著陸區。這裡是嫦娥五號的登陸點，即採樣點，還是一片處女地，尚無人類或探測器到訪。

為何選擇這個點？風暴洋是月球上最大的月海，是一片廣闊的灰色平原，由遠古火山噴發形成的玄武巖構成。根據目前研究成果，這塊區域形成的地質年代較短，約37億年左右，能幫助科學家對月球形成演化過程有更整體的了解。此外，上升器上升後要跟軌道器、返回器組合體在月球軌道對接，通過月球著陸區經緯度的選擇，儘量和軌道器所在的太空軌道面一致，有助於減少燃料消耗，而這一落點正符合要求。

嫦娥五號上升器和著陸器在月面站穩後，將同時使用兩種方式採樣：機械臂在月球表面抓取，以及鑽具鑽取。嫦娥五號隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等「神器」各顯神通，只為帶一捧月壤回地球。

「挖土」聽上去簡單，但由於施工地在月球，情況複雜得多。月球引力只有地球的六分之一，在這種環境下鑽孔、鏟挖、把樣品封裝進上升器，對探測器技術要求極高。「採樣時序緊張，動作多，裝置也是全新研製的，需要考慮探測器的測控、光照條件、月面高溫等約束，不確定因素多。」中國航天科技集團五院技術專家說。

按計劃，嫦娥五號將鑽取約2米深的月壤巖芯柱，採集約2千克重的月壤樣品。也許有人會問：去一趟月球可謂千辛萬苦，為何不多帶點「土」特產回來？

「採集量的多少會影響到容器的大小，進而影響到整個探測器的體積、重量，以及推進劑的需求。」國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師裴照宇解釋，以2千克的採樣量作為初始值來設計探測器，嫦娥五號探測器的總重量達到8.2噸。如果增加樣品量，探測器很多指標都會增長，8.2噸很可能不夠，最後會超過火箭的運載能力，目前的設計是平衡後的結果。「2千克的數量不算少，工程上可實現。」

對天文物理學家和行星科學的研究者來說，嫦娥五號採集到的樣本，或如跋涉沙漠中的一汪清泉那樣寶貴。距離上一次成功採集月壤，已經過去了40多年。

嫦娥五號採集的樣品，將被用來研究月球的起因和演化。《自然》雜誌還提到，嫦娥五號樣本可以填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。這些來自月球的物質還可以幫助研究人員更精準地確定地球、火星和水星等行星表面的年代。根據計算隕石坑的方法，月球也是為其他行星測年的重要參考。

「在月球表面鑽探取樣獲得巖芯，這是最大的期待之一。」行星科學專家、中國科學院國家天文臺研究員鄭永春博士表示，上一次月球鑽探取樣已經是在上世紀六、七十年代美國「阿波羅」登月計劃時期了，深度也尚淺。

「巖芯是一層一層堆積起來的，記錄著月壤不斷翻轉、掩埋、堆積的過程，而我們只有通過巖芯樣品才能更好地知道月壤形成過程。」鄭永春說，探測器在鑽探過程中會遇到各種問題，甚至會被卡住，如果嫦娥五號鑽取到完整的巖芯，那這個巖芯價值巨大。

完成2天的辛苦工作後，嫦娥五號就該啟程回家了。第一步是月面上升，上升器和著陸器迎來「分別」時刻。接下來是月面上升段，「月面工作完成後，上升器以著陸器為平臺起飛，經過垂直上升、姿態調整、軌道入射，進入近月點15公裡、遠月點180公裡的上升目標軌道，飛行時間約6分鐘。」中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器總體副主任設計師李青說，上升器進入目標軌道後，實施四次軌道機動，最終導引至高度為210公裡的環月圓軌道上。

「此次月面發射的窗口期很短，上升器和軌道返回組合體要精準考慮測控需求、光照需求以及姿態控制要求，以確保交會對接的順利完成。」李青說。

據了解，交會對接完成後，嫦娥五號將等待月地入射窗口的到來，經歷多次中途修正之後，在距離地球 5000公裡高度處，實現軌道器和返回器的分離。返回器將以第二宇宙速度衝向地球，在進入地球大氣後，通過半彈道跳躍式再入返回技術重新跳出大氣層，再以第一宇宙速度進行降落，最終返回器打開降落傘，降落在預定地點。