嫦娥五號順利升空 時隔44年再從月球挖土

北京時間11月24日凌晨4時30分21秒，在中國海南文昌發射場，長徵五號遙五火箭託舉著嫦娥五號探測器一飛沖天，2186秒後器箭分離，探測器成功入軌，中國無人月球探測階段收官之戰開了一個好頭。

搭載嫦娥五號的長徵五號遙五火箭起飛瞬間（來源：CLEP）

最後一步走

中國探月工程於2004年立項，更為人所熟知的名稱是「嫦娥」工程。「嫦娥」工程從遠景看可分為無人探測、載人登月、月球基地三個階段（即「探、登、駐」）。其中無人探測階段的工程目標通常被概括為「繞、落、回」三步走。2007年的嫦娥一號和2010年的嫦娥二號實現了「繞」月探測，2013年嫦娥三號實現降「落」月面，2019年嫦娥四號更是創造了人類首次月面軟著陸。按照計劃，嫦娥五號探測器將是實現月球取樣返「回」的至關重要的環節。然而要實現有去有回談何容易。除了「繞」、「落」階段所掌握的繞月、落月的技術外，還有很多新的讓人撓頭的新問題有待解決。比如怎麼獲取月壤樣品，如何從月面發射返回，如何在月球軌道上進行交會對接和樣品傳送，如何離開月球軌道進入月地轉移軌道，如何以大速度再入地球大氣……為此，早在2009年探月二期工程（「落」）實施的同時，探月三期工程（「回」）的方案論證和預先研究就已經開始了。

中國探月工程「三步走戰略」（來源：CLEP）

有人說，我們「神舟」飛船都已經上上下下那麼多次了，月球取樣返回那還不容易麼？告訴你幾個數字吧。在此之前，人類成功實現月面取樣返回共計9次，最後一次是1976年蘇聯的「月球」24號。其中美國6次「阿波羅」飛船共帶回了約381千克月球巖石和土壤，但那都是太空人親手「搬」回來的；無人取樣這件事只有蘇聯人幹過，而且僅成功3次，帶回了區區301克樣品，是的，連1斤都不到！而嫦娥五號的目標是取得大約2公斤，也就是2000克樣品！

月巖、月壤採集記錄（數據來源：NASA 制表：水兄）

史上最複雜

於是乎，一個中國航天史上技術最為複雜的項目誕生了。首先我們來認識一下像「合體金剛」一般的嫦娥五號探測器。從整體上說，主要由軌道器、返回器、著陸器和上升器組成，總重約8.2噸。這些部件各自派什麼用場呢？我們把地球和月球之間分成這樣幾段，或許能幫助你理解：A、地球外——月球外；B、月球外——月球表面；C、月球表面——月球外；D、地球外——地球表面。軌道器在A段工作，是往返地球和月球的交通工具；著陸器解決B段，負責把「挖掘機」送到月面；上升器在C段工作，負責把樣品送去軌道器，好比是劃條小船把貨送到停泊在深水港的大船；返回器僅在D段工作，是最後投送快遞的小哥，負責保護樣品安全降落地面。

嫦娥五號「四件套」組合體模型圖（來源：CLEP）

嫦娥五號任務全程概覽（來源：CLEP/水兄）

具體過程是這樣的：

1、「胖五」CZ-5 Y5火箭把嫦娥五號組合體直接送入地月轉移軌道；【分離×1】

2、嫦娥五號組合體在地月轉移軌道中途修正；

3、嫦娥五號組合體近月制動進入環月軌道；

4、組合體分離成兩個小的組合體——留軌部分（軌道器和返回器）和下降部分（著陸器和上升器）；【分離×2】

5、著陸器在月面分別進行鑽孔取樣和表面取樣；

6、將樣品送入上升器封裝；

7、上升器點火起飛，與著陸器分離，帶著樣品返迴環月軌道，著陸器被丟棄；【分離×3】

8、上升器與留軌部分交會對接；【對接×1】

9、將月球樣品從上升器轉移至返回器內；

10、留軌部分與上升器分離，上升器被丟棄；【分離×4】

11、軌道器點火，帶著返回器進入月地轉移軌道；

12、軌道器月地轉移軌道中途修正；

13、返回器與軌道器分離，軌道器被丟棄；【分離×5】

14、返回器再入大氣；

15、回收返回器。

你看，整個嫦娥五號探測任務將面臨飛行狀態多、任務模式多、分離面多的情況，技術複雜度相當之高。光探測器本身就包含了多達5次的分離過程，這在專業上叫5個「分離面」，每一次分離都要做到萬無一失。相較之下，「神舟」飛船只有2個分離面。

上升器與著陸器分離動畫（來源：New China TV）

毫無疑問，嫦娥五號一定會伴隨產生多項記錄，實現我國航天技術的多項突破，其中最重要的可能有以下幾條：

1、首次鑽取月壤並實現無汙染封裝

2、首次從月面起飛

3、首次在月球軌道實現交會對接

4、首次攜帶月球樣品以接近第二宇宙速度返回地球

返回器再入地球大氣將採用「打水漂」的方式以減少大氣摩擦（來源：網絡）

落點有講究

經過4天飛行後，嫦娥五號將進入環月軌道，隨後擇機降落，目標區域為月球正面風暴洋北部的呂姆克山（Mons Rümker）一帶。這一區域是月球上的一個大型火山綜合地貌。呂姆克山中心月面坐標301.9°E、40.7°N，佔地近4000平方公裡，高出周圍地平面200~1300米，75%為緩坡。美蘇當年的取樣點全部是月球中低緯度地區，相對而言嫦娥五號的著陸區緯度是最高的。我們都知道，想要了解一個星球的地質演化歷史，必須獲得足夠多的樣本，包括空間上，也包括時間上。嫦娥五號選擇呂姆克山地區是人類探測器尚未到達的地方，從這點上講意義重大。

月球正面取樣點（來源：Nature/CLEP）

火山穹丘（volcanic dome）是呂姆克山地區最突出的地貌特徵，研究人員依靠環月探測器高解析度圖像和地面雷達共識別出22個火山穹丘，大致可分為兩種類型，它們可能代表著不同的火山活動階段。光譜分析表明，呂姆克山被低鈦玄武巖所覆蓋，主要的鎂鐵質礦物是高鈣輝石，但也發現了高地物質和玄武巖混合的跡象。三個主要的玄武巖的年齡在35億年至37億年左右，東部月海的玄武巖更年輕些，而陡邊的穹丘可能是高原上最年輕的火山，有跡象表明它們直到愛拉託遜紀（Eratosthenian，月球地質年代，約32億年前~11億年前）一直保持活躍。如果是這樣那真的就是價值連城了，因為阿波羅帶回的樣本都來自月球中低緯度地區，樣本地質年齡都偏大，愛拉託遜紀中的記錄幾乎沒有，嫦娥五號的樣品很有可能填補這片空白。

呂姆克山地形剖面（來源：Jiannan Zhao et al. 2017）

嫦娥五號任務在在圈內圈外、國內國外都備受關注，不說別的，就衝這人類時隔44年再次從月球取樣返回，便值得大書特書。有人說，如果成功帶回月壤，雖然只有2公斤，就將成為第三個掌握月球取樣返回技術的國家。而事實上，考慮到美國僅依靠人工帶回樣品，蘇聯解體後的俄羅斯再也沒有飛出過近地軌道，因此中國將成為當前唯一掌握月面無人採樣返回技術的國家。不僅如此，科學目標也具有極強的針對性，有望創造巨大的學術價值。期待嫦娥五號任務圓滿成功！祝好！

嫦娥五號著陸器及其表採機械臂效果圖（來源：New China TV）

參考資料：

[1] 九天攬月星河闊，十六春秋繞落回——中國探月工程三步走戰略

(http://www.clep.org.cn/n5982341/c6810489/content.html)

[2] 嫦娥五號即將升空 「挖土」之旅或可改寫月球歷史

(http://www.clep.org.cn/n5982044/n5988857/c6810516/content.html)

[3] Zhao, J., L. Xiao, L. Qiao, T. D. Glotch, andQ. Huang (2017), The Mons Rümkervolcanic complex of the Moon: Acandidate landing site for the Chang』E-5mission, J. Geophys. Res. Planets, 122,1419–1442, doi:10.1002/2016JE005247.

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Moon_rock

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