探索未知世界,是人類與生俱來的本能。
2020年11月24日,長徵五號遙五運載火箭搭載嫦娥五號月球探測器成功發射並進入預定軌道。標誌著我們已經進入了全新的太空探索時代。
搭載嫦娥五號月球探測器的長徵五號遙五運載火箭發射瞬間
2004年,我國探月工程立項實施,確定了第一階段繞、落、回三步走戰略規劃。從嫦娥一號到嫦娥四號,圓滿完成三步走戰略的前兩步。本次嫦娥五號計劃首次實現從月球採樣並且返回,有望為我國探月工程三步走發展戰略畫上一個圓滿的句號。
這也是自1976年以來,人類再一次發射月球無人採樣器前往月球表面取樣並返回地球。
本期簡單回顧一下嫦娥工程,嫦娥五號任務,以及討論一下探月的重大意義。
嫦娥五號
嫦娥工程計劃分為無人月球探測、載人登月以及建立月球基地3個階段。目前已經發射的嫦娥一號到嫦娥五號探測器,都屬於無人月球探測階段,這一階段分為繞落回三步走。
繞
第一步繞的主要任務是研製和發射能夠探測月球的衛星,為後續工作鋪路。繞月時可利用很多儀器對月球拍照、觀測。
2007年10月24日,嫦娥一號發射成功,首次實現我國自主研製的衛星進入月球軌道並獲得全月圖,在軌有效探測16個月,實現我國探月工程第一步戰略目標。
嫦娥一號
落
第二步落的任務是讓無人探測器無損地降落在月球上。
2010年10月1日,嫦娥二號作為二期工程先導任務發射成功,為嫦娥三號勘測了落月區域,驗證了部分關鍵技術,獲得了世界上首幅7米解析度全月圖;拓展任務實現飛赴日地L2點開展探測,與圖塔蒂斯小行星近距離交會。
2013年12月14日嫦娥三號在月球表面成功軟著陸,隨後,著陸器與玉兔號月球車完成互拍並將圖像傳回地面,實現我國探月工程第二步戰略目標。
嫦娥三號著陸器與月兔號月球車
2014年10月24日,探月工程三期再入返回飛行試驗器從地球出發,成功繞月後,11月1日,返回器以半彈道跳躍方式再入地球大氣層,安全精確著陸,為嫦娥五號任務奠定了堅實技術基礎。
探月工程三期再入返回飛行試驗器
2018年5月21日,嫦娥四號任務的中繼通信衛星鵲橋發射成功。鵲橋穩定運行在地月引力平衡點軌道,解決了月球背面與地球的通訊問題。
嫦娥四號的中繼通信衛星鵲橋
2019年1月3日嫦娥四號探測器成功著陸在月球背面南極-艾特肯盆地馮·卡門撞擊坑的預選著陸區,實現人類探測器首次月球背面軟著陸。之後玉兔二號月球車從嫦娥四號著陸器完成分離,成為第一輛踏上月球背面的月球車。玉兔二號月球車攜帶有全景相機、探月雷達、紅外成像光譜儀和與瑞典合作的中性原子探測儀等設備。
嫦娥四號
玉兔二號
回
回是三步走的最後一步,目標是讓登上月球的探測器先採集樣品再回到地球,這個任務就是由嫦娥五號來完成的。科學家就能夠在地球對月球車採集的樣品進行分析。
嫦娥五號任務
嫦娥五號探測器全重8.2噸,由軌道器、返回器、著陸器、上升器4個部分組成。嫦娥五號發射要實現多項技術突破,主要在於4個方面:月面採樣、月面起飛、月球軌道的交會對接和高速返回。
嫦娥五號探測器
嫦娥五號的降落地點很特殊,具有很高的研究價值。這個位置位於月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克(Rumkel)山脈附近,這裡從來沒有其他國家的探測器到訪過。
成功落月後,嫦娥五號將在月球表面採集約2公斤重的月面土壤等樣本。取樣方式有兩種,其一是在月面打鑽,為了取得較深層的月壤;其二是用機械臂在月球表面取樣。
嫦娥五號採集月球土壤
然後封裝樣品放進上升器,從月面點火升空進入月球軌道,並與軌道器和返回器的聯合體對接,將樣品轉移至返回器內。
上升
對接
隨後,軌道器攜帶返回器點火飛向地球,在進入大氣層前分離,軌道器脫離於太空中,返回器將降落在內蒙古境內的草原上。
返回
至此,將實現我國探月工程第三步戰略目標。
取回2公斤月球土,如此大費周章,到底是為了什麼
此前對美國、前蘇聯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。但近來對月球表面的觀測發現,某些地區可能含有最近10至20億年前才形成的火山熔巖。
嫦娥五號著陸點
嫦娥五號著陸地區所在的風暴洋相對較年輕,富集鈾、釷、鉀等放射性元素,這裡的某些區域可能含有大約13億至20億年前才形成的火山熔巖。
通過研究這些月壤物質,既可以填補月球地質演化歷史的空白時期,也可以為了解太陽系形成、太陽活動等提供必要的信息。
月球探索的重大意義
除了對月球土壤研究以外,月球探索還有許多重大意義,比如。
1、可以充分展示綜合國力,增強民族凝聚力
人造地球衛星發射、載人航天和深空探測,是人類航天活動的三大領域。月球探測是深空探測的首選目標。月球探測是一個國家綜合國力的體現,是航天技術發展水平的象徵,是提升國家地位的載體,是一個國家科學技術發展水平的重要標誌。
尤其是近幾年來,隨著探測技術的新發展和月球資源的新發現,月球探測再度成為人類航天深空探測活動的重點和熱點。我國已經在人造衛星發射和載人航天技術領域裡取得了重大突破,適時開展以月球探測為主的深空探測,加深對月球的了解,為參與月球資源的開發利用做出應有貢獻,是中國航天活動的必然選擇。
2、維護中國月球權益的需要
儘管聯合國在1984年通過的《指導各國在月球和其他天體上活動的協定》(簡稱《月球條約》)中規定,月球及其自然資源是人類共同財產,任何國家、團體不得據為己有。但是,近期美國聯合澳大利亞、加拿大、日本、盧森堡、義大利、英國以及阿聯籤署了《阿爾忒彌斯協議》,這個協議很有可能被拿來鑽《月球條約》中的一些模糊條款的空子,從而在月球劃分勢力範圍。如何維護我國的空間利益已成為必須關注的問題。我國只有開展月球探測並取得一定成果,才具有分享開發月球權益的實力,才能維護合法的月球權益。
3、將帶動和促進中國基礎科學和高科技的發展
月球探測是促進科學技術進步和發展的重要載體。實施月球探測工程將會促進宇宙科學、物理學、材料科學等的創新與發展,這些科學的進展又將帶動更多的基礎學科發展。
月球探測工程是一項多學科高技術集成的系統工程,實施這樣的戰略工程將推動航天工程系統集成、深空測控通信、新型大推力運載火箭和航天發射等航天技術的跨越式發展,帶動信息技術、微機電技術、光電子技術、機器人、人工智慧、遙感科學、新能源技術、新材料技術、遙科學等其他高技術的發展,促進科技進步,具有重要的作用。
4、將為人類開發利用月球資源做準備
人類已取得的月球探測成果表明,月球上特有的能源和礦產,是對地球資源的重要補充和儲備。
比如,月球上存在大量的氦-3,能在核聚變反應中釋放巨大能量,而且幾乎不產生放射性汙染,被認為是未來人類社會的完美能源。據初步估算,月球上蘊藏的氦-3大約為100萬噸到500萬噸,可供人類使用一萬年以上。通過研究本次取得的月球土壤,將能夠更精確的估算月球上氦-3儲量。
另外,由於月球上太陽輻射強,每年可產生12億千瓦的能量,因此,在月球建立太陽能發電站也可能成為人類獲取新能源的途徑之一。
同時,利用月球具有高真空、低重力的特殊環境,既能生產特殊強度、塑性等性能優良的合金和鋼材,還能生產諸如超高純金屬、單晶矽、光衰減率低的光導纖維和高純度藥品等。
在月球上尋找製造可以製造氧氣、水和燃料的資源,能夠為未來人類月球基地創造有利條件。
5、將促進深空探測活動的發展
深空探測是一個重要的航天領域,月球探測是深空探測的首選目標。由於月球上沒有人為改造和破壞,研究月球,了解月球的成因、演變和構造等諸方面的信息,有助於了解地球的遠古狀態、太陽系乃至整個宇宙的起源和演變,有助於搞清空間現象和地球自然現象之間的關係,可以極大地豐富人類對地球、太陽系以至整個宇宙起源和演變及其特性的認識,從中尋求有關地球上生命起源和進化的線索。
6、將促進中國經濟可持續發展
中國月球探測工程所帶動的基礎科學和高新技術的進步,取得的成果會逐步在國民經濟各方面進行推廣應用,對於促進經濟的發展將帶來牽引和推動作用。
7、將促進空間天文觀測和研究的深入
月球環境,是進行空間天文學研究得天獨厚的場所。月球表面的地質構造極其穩定,沒有大氣層對光線和電波的吸收、散射和折射等幹擾,沒有塵埃汙染,沒有磁場,月球的背面沒有地球的光反射,屏蔽了地球的低頻噪聲,月震很微小。月球有漫長的黑夜,這種環境為建造高精度天文觀測臺提供了理想的場所,在月球赤道附近架設望遠鏡可以進行全波段的天文觀測,獲取地面觀測系統所無法得到的信息。
直觀一點說,在月球上用40釐米口徑望遠鏡的觀測效果能夠達到地球8米口徑望遠鏡的效果。
做太空探索時代的領導者
五百年前歐洲國家主導的大航海時代,奠定了歐洲繁榮的基礎。而今天,太空探索時代的勝利者,將有可能成為未來世界的領導者。
以嫦娥工程為代表的月球探測工作是我國邁出航天深空探測的第一步,實現了我國航天深空探測零的突破。祝嫦娥五號任務圓滿成功。