嫦娥五號將帶回2公斤「月球寶貝」,是按地球還是月球重量計算?

2020-12-06 時空通訊

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嫦娥五號探測器已經到達月球,正在採樣過程,其一舉一動都牽動著國人和世界很多人的心。大家都知道,嫦娥五號的主要任務是採集帶回月壤和月巖2公斤,那麼這2公斤是地球重量還是月球重量呢?不少人有這種疑惑。

因為地球上2公斤的重量,在月球上只有0.33公斤。這是怎麼回事呢?這是因為地球重力與月球重力不一樣,地球重力是月球重力6倍的緣故。重力是引力的一個分力,與天體質量密切相關,質量越大的天體,引力越大,由此得到的重力就越大。

地球的質量為5.965*10^24kg,月球的質量為7.349*10^22,地球質量是月球的81倍多。根據萬有引力定律F=GMm/r^2,可以得到重力公式為:g=MG/r^2。這裡g為重力,M為天體質量,G為引力常量,r為天體半徑。

地球半徑約6371km,月球半徑約1738km,根據重力公式,我們可以計算出地球重力約為g=9.8N;月球重力加速度約1.62N。因此地球重力是月球重力的約6倍。

物體重量與質量是兩個不同的度量值。

重量是物體受重力大小的度量,而物體質量是物體原子量的量度,這兩個概念有本質的區別。也就是說,物質重量是隨著天體重力大小不一樣而改變的,而質量不管在任何重量條件下都是一樣的。這樣我們就可以得出,在地球上重量6千克的物體,到了月球上只有1千克,因為地球1千克物體受到9.8N的重力,在月球上只有1.62N的重力;而地球上1kg的質量,在月球上還是1kg。

為什麼地球上1kg質量的物體,在月球上還會是1kg呢?這是因為稱重和質量測量採取的是兩種方法。稱重可以用彈簧秤或者手秤,反映的都是地心引力對物體的拉拽力,所以在地球和月球的引力不一樣,物體重量就會有區別;

而測量質量是採取天平的方法,將1kg的砝碼放在一邊,另一邊放上1kg的物質,天平保持了平衡,就說明是該物質具有1kg質量。因此1kg質量的任何物體,在地球、月球,或在任何不同重力星球都一樣。

因為質量度量單位是人類基於地球重力情況下確定的,為了便於地球物質的度量,在地球上就採取了質量和重量相似的做法,也就是在地球上衡量物體質量1kg就相當重量1千克。

當然嚴格意義上來說,由於地球在自轉,重力並不完全等於引力,而是引力的一個分力,這樣在地球不同緯度重力是有微小差別的。比如在赤道重力為9.78N,而在兩極重力為9.832N,一般取值為9.8N,也就是1千克物體受到的重力為9.8牛頓。

嫦娥五號月球採樣2公斤,應該是以質量或地球重量計算。

現在我們知道了重量與質量的區別,就應該知道嫦娥五號在月球取樣不會是按照月球的重量來計算吧,我想應該是取2kg質量的月樣,或者說近似地球2千克的重量。美國阿波羅任務成功載人登月6次,取回月巖月壤382千克,前蘇聯無人探測器採集月樣170克,應該都是按質量或地球重量計算。

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曾表示:我們的目標是採樣返回,2公斤是一個設計值,主要目的是採到樣品返回地球,並不把這2公斤或多或少作為評判任務成功的一個硬指標。

也就是說,這次月球採樣只要將月球樣品帶回地球就是成功的,多點少點沒有嚴格規定。但我想,2公斤雖然不是硬指標,只是一個參考指標,但取回的月樣只會在這個參數上下不遠。因為從設計的鑽取、表取設備和封裝設備,以及返回器升空質量都是以這個參數為依據的,多了會導致起飛返回困難,少了則浪費資源。

現在嫦娥五號月球登陸器即將完成採樣。

北京時間12月1日23點11分,嫦娥五號探測器釋放的登月器在月球正面西經51.8°、北緯43.1°預選區域成功著陸,現在採樣工作還在進行中。這是中國太空飛行器首次在月球採樣並且要送返地球,是世界上第三個從月球拿回點東西的國家。從嫦娥五號著陸器順利降落月球預定地點,以後的每一步都是中國航天嶄新的起點,是沒有經驗的首次運作。

如採樣採取的鑽取和表取兩種辦法,一種是用鑽機鑽到月表以下2米左右採取樣品,一種是用機械臂上的鏟子和挖勺鏟挖表面月壤,並將得到的月樣放入上升器的罐體中封裝。整個過程設計精巧嚴密,整個系統充滿了高科技。

如上升器裡面有高溫高真空環境下工作的空調系統,封裝罐體有三層密封,中心放置鏟挖得到的月壤密封罐,圍繞著中心的密封罐,環繞放置鑽取得到的月樣密封罐,外圍是嚴密的罐體外殼,整個鑽鏟挖和封裝過程全自動。

裝有月樣的罐體和封閉必須十分嚴密,因為月球屬於高度真空,封在裡面的月樣處於高度真空狀態,回到地球後,地球空氣中就有雜塵,如有一絲一毫的氣體吸入,樣品將受到汙染,功虧一簣。

嫦娥五號任務未來每一步都還步步驚心。

嫦娥五號探測器採樣在明天凌晨就要完成了,但任務還只能算完成一半。隨後上升器與登陸器脫離升空,到環月軌道與軌道器對接,將封裝好的樣品轉移到返回器,然後提速脫離環月軌道進入月地轉移高速通道,到達地球後剎車「下高速」進入地球環繞軌道,最後返回器與軌道器脫離返回地球。

這期間,每一個步驟稍有失誤,整個嫦娥五號任務就會前功盡棄,因此步步驚心。中國航天人還要再接再厲睜大眼睛精準操控每一步,一直到那2公斤「月球寶貝」送入特別準備的空間啟封,才算任務圓滿完成。

隨著長徵五號遙五火箭搭載嫦娥五號升空後,每一步都是一個減負過程。長徵五號遙五火箭發射重量達到870噸,最後返回地球的只有那個返回器,大概幾百公斤,而返回器最終保護的就是那2公斤月球寶貝,這點東西是許多科研院校和科學家、航天人們多少年的心血。

因此那2公斤「月球寶貝」,說有多珍貴,就有多珍貴。我們期待著嫦娥五號任務最終圓滿成功,把「月球寶貝」帶回來。

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