經過23天的太空之旅後，嫦娥五號返回器攜帶2千克月壤樣品成功在內蒙古中部四子王旗著陸場著陸。
騰訊太空 文/喬輝
據央視新聞消息，2020年12月17日凌晨2點左右，經過23天的太空之旅後，嫦娥五號返回器攜帶2千克月壤樣品成功在內蒙古中部四子王旗著陸場著陸，標誌著我國首次月球採樣返回任務圓滿完成！
圖註：空中紅外相機已經看到了返回器。
圖註：地面搜索人員趕到。
據悉，嫦娥五號返回器的體積只有神舟飛船返回艙的七分之一，落區範圍（著陸面積）卻是後者的16倍，加上著陸場高寒冰雪的環境，這些都給搜尋工作造成了一定困難。按計劃，回收後的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作後將空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。
從1976年前蘇聯月球20號探測器最後一次月球採樣返回算起，這是時隔44年後人類再次採回月球樣品。
一、為什麼選擇在內蒙古四子王旗著陸？
除了本次嫦娥五號之外，此前我國神舟系列載人飛船也都選擇在內蒙古四子王旗著陸場著陸。
資料顯示，四子王旗海拔1000米到1200米，屬沙質草原，地勢平坦開闊，沒有大的河流湖泊，屬中溫帶大陸性氣候，全年乾燥少雨，空氣能見度高。這一地區以畜牧業經濟為主，牧民基本定居，大多孤門獨戶，人煙稀少，每平方公裡人口不超過10人，房屋和高大樹木佔地面積遠小於草地總面積的千分之一。因此，非常適合作為飛船的著陸場。
二、為什麼嫦娥五號返回要採用「
打水漂」
的方式？
圖註：嫦娥五號返回器在地球大氣層上空打水漂（動畫模擬）。
這段時間，關心嫦娥五號探月的朋友可能已聽說，嫦娥五號採用所謂的「打水漂」的方式返回。為什麼要採用這種方式？其實這種返回方式絕不是為了好玩兒，其背後有深刻的科學道理。
返回器從38萬公裡之外的月球飛往地球的過程中，相當於從38萬公裡的高度「掉」向地球，來到地球附近的時候，其速度已接近地球的第二宇宙速度（11.2公裡每秒）！
我們知道，此前我國神舟飛船是在近地軌道上圍繞地球運動，其速度接近地球的第一宇宙速度（7.9公裡每秒）。
也就是說，嫦娥五號返回器的速度比神舟飛船返回器的速度要快得多，需要採用在地球大氣層上」打水漂「的方式來延長減速過程和冷卻時間，降低氣動加熱和衝壓對艙體的危害。
根據此前官方給出的圖片顯示，返回器在深入地球大氣層60公裡處開始反彈上升，爬升到100公裡到140公裡的高度後，重新進入大氣層降落。
從上面可以看出，返回器在進入大氣層的第一階段所積累的熱量，在躍回高空後得到了有效耗散，重新進入大氣層後，速度就小得多了。
其實，這種「打水漂」的返回方式在科學上稱為「半彈道跳躍式再入」，其中有兩個關鍵詞「半彈道」和「跳躍」。
所謂「半彈道」是指太空飛行器在進入地球大氣層時，可在一定程度上通過控制氣動升力來控制落點方向，區別於「彈道式」返回的完全無升力協助。
所謂的「跳躍」是指太空飛行器進入大氣層後，由於氣動升力的作用，再向上躍起，做出飛出地球大氣層的動作。隨後，太空飛行器會在地球引力作用下，重新返回地球大氣層。當然，這只是一個極簡化的說法，專業上的解釋要複雜和嚴格得多。
講到這裡，可能有朋友會問，為什麼不採用火箭反推的方式減速？
我們知道，嫦娥五號抵達月球的時候，就是利用火箭發動機反推的方式進行的減速，那是因為嫦娥五號抵達月球的時候速度本身已經比較低了，不像返回地球一樣擁有幾乎接近地球第二宇宙速度的速度。
月球沒有大氣層，無法利用大氣層減速，使用火箭發動機反推減速是必須的。但使用火箭發動機反推減速需要消耗燃料，就需要火箭在發射的時候攜帶更多的燃料，這無疑給火箭增加了負擔，降低有效載荷的重量。地球既然有濃密的大氣層，肯定要使用氣動減速了。
圖註：科幻電影《星際穿越》中的劇照。男主駕駛徘徊者號飛船靠「米勒星球」上的大氣阻力進行減速降落，捨不得用寶貴的燃料。
其實，早在2015年我國就進行了「嫦娥五號再入返回飛行試驗器」，提前成功進行了高速返回測試，為確保本次嫦娥五號任務順利實施和探月工程持續推進奠定了堅實基礎。但由於本次是攜帶樣品返回，樣品儲存裝置以及樣品的質量要疊加在上面，還是有少許不同。
當嫦娥五號返回器降低到一定高度，速度達到開傘的條件後，降落傘展開進一步降低其速度，並最終安全落地。
三、嫦娥五號挖回的月壤存放在哪裡？
根據此前的報導，國家天文臺已建成國內首個「月球樣品實驗室」，為避免月球樣品受到地球大氣、水等環境汙染做好了準備，已具備「地外樣品」存儲、處理和分析的能力。月球樣品返回地球後，地面應用系統將與探測器系統完成月球樣品交接，在月球樣品實驗室完成表取和鑽取樣品的解封、分樣和存儲。月球返回樣品經初步測試分析、描述和建庫後，根據授權進行發布，開展長期的實驗室研究。
四、嫦娥五號挖回的月壤主要用途是什麼？
此前，科學家通過對美國和前蘇聯帶回的月球樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然後減弱並停止。
但通過對月球表面的其他特徵觀測表明，某些區域可能含有最近10至20億年前才形成的火山熔巖，這又說明月球上的火山活動可能停止得相對較晚。
圖註：月球正面主要的月海。左上角紅圈就是呂姆克山，也是本次嫦娥五號著陸區域。
根據此前的報導，嫦娥五號是從呂姆克山脈附近採集的月壤樣品，那裡存在大約13億至20億年前的玄武巖。科學家通過對這些巖石樣本的研究，能夠最終確認該區域火山活動是何時停止的，這將對月球的演化歷史提供最重要的線索。
因此，當嫦娥五號把呂姆克山脈附近的樣品帶回地球後，科學家在實驗室通過對這些樣品進行分析，有望解決這個經典的難題。
圖註：1978年，美國贈予我國的月巖樣品。現收藏於北京天文館。
大家應該都聽說過這個故事了，1978年5月28日，美國派出總統國家安全事務顧問布熱津斯基訪問中國，並帶來了卡特總統向中國贈送的禮物：質量僅1克的月巖樣品。月巖樣品放在一塊有機玻璃內，看上去有指甲蓋般大小。這份樣品被一分為二：一半珍藏在北京天文館讓公眾參觀；另外一半用於研究，研究人員竟然發表了十多篇重要論文。
那小小的半克月巖樣本都能發表十多篇重要論文，我們自己採回的2千克樣本，肯定能發表更多豐富成果的論文了，為人類認識月球做出更多貢獻。
五、採回來的月壤樣品能夠揭開更多氦-3
的秘密嗎？
關注科學的朋友應該還會聯想到另外一個重要問題，我們這次取回的樣品是否也是為了研究月壤中的氦-3？我們知道，氦-3是氦的一種同位素，未來理論上可以作為核聚變的理想核燃料，能解決重大的能源問題。
對於這個問題，騰訊新聞知識官，地球和行星科學家，中國地質大學（武漢）肖龍教授表示，氦-3不是月球自己產生的，主要跟太陽風的注入有關，因此在月面上，越老的地方氦-3積累的越多。
嫦娥五號此次選擇採集年輕地帶的月壤，並不是衝著氦-3而去。理論上，氦-3確實有很大的利用價值，可以作為可控核聚變的原料。但是氦-3的提取是一個極其複雜的過程，它的豐度要達到一定含量才會有提取利用的可能。目前人類技術水平還遠遠達不到開發、運輸和利用的程度，從實際應用的角度來講現在還為時尚早。
六、嫦娥五號從月球返回地球經歷了哪些過程？
嫦娥五號已經安全回家，最後讓我們來回顧一下它從月球返回地球的這十幾天經歷了什麼？
12月3日23點10分，嫦娥五號上升器搭載著從月球採集的樣品從月面順利起飛並成功進入月球軌道，完成了我國探測器首次在地外天體起飛的壯舉。
12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，並於6時12分將樣品容器安全轉移至返回器中，實現我國首次月球軌道無人交會對接與樣品轉移。
12月12日9時54分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體經歷了約6天的環月等待，實施了第一次月地轉移入射，從近圓形軌道變為近月點高度約200公裡的橢圓軌道。月地轉移入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌道器和返回器組合體進入月地轉移軌道。
12月13日9時51分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體實施第二次月地轉移入射，在距月面約230公裡處成功實施四臺150牛發動機點火，約22分鐘後，發動機正常關機。根據實時遙測數據監視判斷，軌道器和返回器組合體成功進入月地轉移軌道。
12月14日11時13分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上的兩臺25牛發動機工作約28秒，順利完成第一次月地轉移軌道修正。
12月16日9時15分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上兩臺25N發動機工作約8秒鐘，順利完成第二次月地轉移軌道修正。
12月17日凌晨2點，經過23天的太空之旅後，嫦娥五號返回器攜帶2千克月壤樣品成功在內蒙古中部四子王旗著陸場著陸。