「嫦娥五號」月球探測器發射升空,這八大知識點你應該知道

撰文 | 喬輝

來源：騰訊太空

2020年11月24日凌晨4點30分，我國長徵五號運載火箭在海南文昌航天發射場發射升空，搭載的是我國嫦娥五號月球探測器。

這是我國首次執行月球採樣返回任務，也是迄今為止我國執行的最為複雜的航天任務。

據悉，本次航天任務共有11個重大飛行階段，23次重大軌道控制，6次重大分離控制等複雜環節，還有太空飛行器月面降落、月面起飛以及月球軌道上「無人交會對接」等高風險環節。整個採樣返回過程持續長達23天，發射起飛只是萬裡長徵第一步。

一、為什麼必須用長徵五號火箭執行本次任務？

長徵五號火箭（俗稱「胖五」）是我國目前運載能力最強的火箭，近地軌道的運載能力達25噸，地火轉移軌道的運載能力為6噸，地月轉移軌道的運載能力為8.2噸。

長徵五號遙五運載火箭垂直轉運。

此前，長徵三號甲火箭、長徵三號丙火箭以及長徵三號乙火箭承擔了發射我國月球探測器的任務，相繼發射了嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號和嫦娥四號四個月球探測器，完成了對月球的環繞探測、著陸探測和巡視探測。

但是，執行本次嫦娥五號的發射任務，非長徵五號莫屬。這是為什麼呢？

從原理上講，採用多大運載能力的火箭發射探測器取決於兩個因素：一是看探測器有多重，二是看探測器要飛往哪裡。我們來具體看一下嫦娥五號的情況：本次嫦娥五號探測器整體重約8.2噸，目的地是38萬公裡之外的月球，我國目前運載能力最強的長徵五號火箭剛好能夠滿足要求，因此必須用長徵五號火箭發射。

2020年7月23日，長徵五號運載火箭還成功發射了「天問一號」火星探測器，目前正前往火星的旅途中。

二、嫦娥五號與以往的中國探月任務有什麼不同？

圖註：中國月球探測工程的標識。

中國探月工程是我國啟動的第一個探月工程，於2004年1月23日正式啟動，分為繞、落、回三部曲。

1、「繞」就是發射月球衛星，嫦娥一號和嫦娥二號已經實現；

嫦娥一號的飛行軌道（左），嫦娥二號的飛行軌道（右）。

2、「落」就是在月球表面軟著陸，嫦娥三號已實現在月球的正面軟著陸，「嫦娥四號」也已實現在月球背面軟著陸，並在月球背面開展科學探測工作，在全球尚屬首次。雖然嫦娥四號是嫦娥三號的備份星，但卻取得了多方面的創新。

月面上的嫦娥四號著陸器。

3、「回」就是從月球表面採樣返回地球，就是本次嫦娥五號執行的任務，計劃把2千克的月壤樣品帶回地球。

值得一提的是，後來，我國又拓展了「月球科研站」任務。該任務是由後續的「嫦娥六號」、「嫦娥七號」和「嫦娥八號」完成。計劃在月球南極地區著陸並開展更為複雜的科學研究。

三、美國和前蘇聯曾經採回過多少月球樣品？

我們知道，到目前為止，成功從月球帶回樣品的國家只有兩個：美國和前蘇聯。

圖註：阿波羅15號太空人採回的月巖。

其中，美國上世紀60、70年代通過阿波羅計劃中的6次載人登月，從月球總共取回381千克月壤和月巖樣品。

阿波羅17號太空人收集的月壤。

而前蘇聯上世紀70年代通過月球16號、月球20號和月球24號三個無人探測器取回月壤樣品總共330克。

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，人類已經44年沒有獲得月球樣品了。

四、嫦娥五號探測器什麼樣子？

嫦娥五號探測器由四大部分組成：軌道器、著陸器、上升器和返回器。

軌道器是指月球軌道器，在嫦娥五號進入月球軌道後，軌道器先駐留在軌道上，等待後續搭載返回器重返地球之用。

著陸器安裝有反推火箭，執行月面軟著陸，並自動進行月面採樣、樣品封裝等操作。

上升器以著陸器作為發射架，從月面動力起飛，攜帶月壤樣品飛入月球軌道，並把月壤轉移到返回器。

返回器是最終搭載月壤樣品返回地球的結構部分，承受高速進入地球大氣層時的高溫和衝擊，保護樣品不受影響。

嫦娥五號在地面上進行測試的情景。

五、嫦娥五號探測器要經歷哪些險關？

文章開頭我們提到，本次航天任務共有11個重大飛行階段，23次重大軌道控制，6次重大分離控制等複雜環節，還有太空飛行器月面降落、月面起飛以及月球軌道上「無人交會對接」等高風險環節。在不談技術性細節的情況下，我們主要看這5個關鍵點就夠了。

1、火箭發射：即便到了21世紀的今天，火箭發射仍然有比較大的不確定性。2017年，我國長徵五號遙二運載火箭曾經出現過故障，未能把有效載荷送入軌道。高興的是，2019年發射的長五遙三運載火箭和2020年發射的長五遙四運載火箭都完美成功。

2、探測器落月階段：我們知道，此前，嫦娥三號和嫦娥四號月球探測器分別實現了月球正面和月球背面的軟著陸，實現月面軟著陸的關鍵是動力下降階段。

由於月球上沒有空氣，探測器要想在月球軟著陸，必須使用反推火箭徐徐下降，並小心翼翼地選擇比較平坦的著陸地點，防止「翻車」事故，這也是一個高風險的關鍵環節。2019年，以色列月球著陸器和印度月球著陸器相繼在月球表面墜毀。

嫦娥五號降落月面的情形（藝術圖）。

嫦娥五號在月面上的情形（藝術圖）。

3、月面起飛階段：當嫦娥五號從月球表面獲得了足夠的樣品，上升器就以著陸器為發射架，攜帶樣品從月面點火升空，然後加速到月球的第一宇宙速度進入繞月軌道，準備與等待在月軌上的軌道器對接。

雖然月面的引力只有地面的六分之一，但是在38萬公裡之外的月球上起飛還是難度挺大的，而且這還是我們的首次嘗試，存在很大的不確定性。

圖註：嫦娥五號上升器攜帶月壤樣本上升情形（藝術圖）。

4、月球軌道交匯對接：當攜帶者樣品的上升器進入月球軌道，然後要與等待在那裡的軌道器進行對接，把樣品轉移到軌道器和返回器組合體中。地球軌道上太空飛行器的交匯對接我們玩的很熟練，但月球軌道上的交匯對接我們還是第一次，還有很多要摸索的技術細節。

圖註：嫦娥五號的上升器和軌道器正準備月軌交會對接的情形（藝術圖）。

5、返回地球：軌道器啟動火箭，搭載返回器離開月球引力直奔地球，接近地球的時候，返回器與軌道器分離。

圖註：嫦娥五號的返回器與軌道器分離，正準備進入地球大氣層的情形（藝術圖）。

我們知道，太空飛行器從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，其速度接近地球的第二宇宙速度（11.2公裡每秒）！返回器以這樣高的速度進入大氣層，一不小心，就有可能像流星一樣化為青煙。

圖註：2014年11月01日，「嫦娥五號再入返回飛行試驗器」在內蒙古四子王旗預定區域順利著陸。

好在我們2015年就進行了「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。

六、嫦娥五號任務將創造我國哪些首次？

通過文章以上部分，我們可以看出，嫦娥五號任務將創造我國數個首次，包括：

1、太空飛行器首次在地外天體採樣與封裝。

2、太空飛行器首次在地外天體起飛。

3、太空飛行器首次在月球軌道交會對接。

4、太空飛行器首次攜帶樣品高速再入地球。

七、月球樣品有什麼科研價值？

2005年，本文作者還在大學時代就有幸聆聽過歐陽自遠院士的科普講座，歐陽自遠院士是我國探月工程首席科學家。

當時他回憶說，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。

1978年，美國贈予我國的月巖樣品。現收藏於北京天文館。

據報導，本次嫦娥五號採樣的地點位於月球「風暴洋」北部呂姆克山脈附近，這個地方其他國家從未到訪過，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。

嫦娥五號計劃的著陸地點（製圖：Chirongui ）

此前對美、前蘇獲取月壤樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然後減弱並停止。但對月球表面的觀測發現，某些區域可能含有最近10至20億年前才形成的火山熔巖，這與嫦娥五號著陸地區的年齡相仿。

如果嫦娥五號採回的樣品能夠證實這段時間月球仍在活動，將改寫月球的歷史。

八、人類探月極簡史

1959年至1976年，前蘇聯曾60多次向月球發射探測器，創造了多項世界第一，包括第一次拍攝到月球背面，以及三次採集月巖返回地球。

截至2019年底，美國向月球發射的探測器和載人太空飛行器也已超60多次。中國4次，日本2次，歐洲1次，印度2次，以色列1次。其中比較成功的包括：

1961年至1968年，美國「徘徊者」系列飛行器，「月球軌道」系列飛行器以及「勘測者」系列月球著陸器，為後續阿波羅登月計劃鋪平了道路。

1969年至1972年，美國實施阿波羅計劃，共6次登月成功，把12名太空人送上過月球。

1969年，登月太空人奧爾德林站在月面上，從頭盔的反光中可見另一位太空人，正是登月第一人阿姆斯特朗。

1994年至1999年期間，美國「克萊門汀」和「月球探勘者」的數據表明，月球兩極區域可能存在著水冰。

2003年9月27日，歐空局的「智慧一號」探測器發射升空，這是歐空局第一個飛向月球的探測器，完成科學任務後，於2006年9月3日主動撞擊月球表面。

2007年至2008年，日本「月亮女神」，以及「嫦娥一號」成功進入月球軌道，隨後印度「月船1號」相繼進入月球軌道。

2009年6月18日，美國的「月球勘測軌道飛行器」和「月球環形山觀測與遙感衛星」同時發射。

2010年10月1日搭載著「嫦娥二號」衛星的長徵三號丙運載火箭在西昌衛星發射中心點火發射。

2011年9月10日，美國發射了「聖杯號」，這項任務旨在精確探測並繪製月球的重力場圖以判斷月球內部構造。

2013年9月6日，美國發射「月球大氣與粉塵環境探測器」，用於探測月球大氣層的散逸層和周圍的塵埃，該探測器於2014年4月18日撞向月球背面而結束任務。

2013年12月14日，嫦娥三號成功軟著陸於月球雨海西北部，成為繼1976年「月球24號」後首個在月球表面軟著陸的探測器，也是世界上第三個實現在月面著陸的國家。

2014年10月23日，「嫦娥五號再入返回飛行試驗器」發射升空，為本次「嫦娥五號」探測器以第二宇宙速度再入大氣層提供試驗驗證。2014年11月01日，返回器在內蒙古四子王旗預定區域順利著陸，我國探月工程三期再入返回飛行試驗獲得圓滿成功。

2019年1月3日，「嫦娥四號」探測器首次實現人類探測器在月球背面軟著陸。