發射成功!時隔44年,嫦娥五號將為人類再次帶回月球樣品!|行星事務所

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重返月球，採集到更多來自不同地質背景，形成於不同歷史時期的月球樣品。唯有這樣，我們才能完整還原月球的歷史，才能真正全面認識月球，認識地月系統，甚至認識整個太陽系的過去。

出品：科普中國

製作：haibaraemily

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

就在今天凌晨，2020年11月24日4:30，中國的首個月球採樣返回任務「嫦娥五號」在海南文昌發射場，搭乘長徵五號遙五火箭發射升空，奔赴月球！

啥也不說了，就是激動！| 航天科技集團/探月工程

它的目標是採集約2公斤月球樣品並送回地球。

這次是去月球採礦的嫦娥姐姐 | 繪者：渦輪噴氣蛋

這是中國的第六個月球探測任務，它不僅標誌著我國「嫦娥」工程將完成「繞、落、回」三部曲的第三階段目標，也意味著人類時隔44年將再次從月球帶回巖石和土壤樣品——上一次月球採樣返回任務，還是1976年蘇聯的月球24號。

中國探月「繞落回」三步走 | 探月工程

我們為什麼還要去月球挖土？

有些小夥伴可能會感到疑惑，別說44年前的月球24號無人月球任務了，五十多年前NASA的阿波羅載人登月任務不是從月球上帶回過好多次樣品了麼？大老遠地再折騰一番跑去月球挖土，還要辛辛苦苦帶回來的意義在哪裡？

是的，從1969年到1976年，6次阿波羅任務和3次月球號任務帶回了月球表面9個區域共計382公斤的月球巖石和土壤樣品。從量上來說，並不少。

正是這些珍貴的月球樣品，讓我們能夠真正接觸到有明確產地的月球物質，能真正在實驗室裡全方位分析研究這些月球物質——這是月球探測器遙感探測和在地球上分析月球隕石所做不到的。對這些月球樣品的放射性定年，也讓我們真正確定了月球上一部分區域的絕對年齡，並以此建立起了月球45億年的演化歷史。甚至，地球之外的整個內太陽系所有行星的地質演化歷史，都是在參考月球樣品絕對年齡的基礎上建立起來的。

基於阿波羅樣品和撞擊坑定年等方法綜合建立起來的月球地質年代劃分 | 改編漢化自：參考文獻[1]

但僅僅是量大，還不夠。這些樣品對我們認識月球，依然太局限了。

這些樣品大多來自月球正面中低緯度的月海區域，形成年齡集中在42-32億年前(也有部分可能形成於不到10億年前的哥白尼紀）。而在這個範圍之外的月球歷史事件所對應的時間，全部是以此為錨點，參考其他觀測結果（主要是撞擊坑統計）外推來的。

（左）阿波羅（A）和月球號（L）的採樣區分布，改編自 | NASA；（右）以阿波羅樣品定標，基於撞擊坑統計建立的月球45億年歷史，但其實10-30億年這個時間段幾乎完全是空白。Gyr = 10億年 | 參考文獻[1]

相當於之前我們只在月球很有限的一部分區域內，找到了形成於一小段時間裡的「化石記錄」，卻要用來定標整個月球45億年歷史，甚至還用來外推到其他類地行星。

這顯然意味著，我們對月球的認識不管在空間上還是時間上，都是極其不全面的。

而唯一的解決方法，就是重返月球，採集到更多來自不同地質背景，形成於不同歷史時期的月球樣品。唯有這樣，我們才能完整還原月球的歷史，才能真正全面認識月球，認識地月系統，甚至認識整個太陽系的過去。

這正是嫦娥五號的意義所在。

嫦娥五號計劃登陸的是月球正面風暴洋北部的呂姆克山（Mons Rümker）一帶，並在這裡採集樣品。

嫦娥五號計劃著陸採樣區域（白框內），紅點和藍點分別為NASA阿波羅任務和蘇聯月球任務的著陸採樣位置 | Nature [2]

雖然同在月海區域內，但這是一片遠離阿波羅和月球號採樣區的地方，有著豐富的火山活動遺蹟和可能與之前的樣品不同的巖石類型。

著陸區（白色框內）一帶地形圖，越紅表示越高，越藍表示越低。該區域內最典型的地貌特徵是呂姆克山（Mons Rümker，紅黃色區域），一個疑似盾狀火山的遺蹟。呂姆克山周圍被多期形成於不同年齡的月海玄武巖包圍 | 參考文獻 [3]

呂姆克山周圍有著非常年輕的月海玄武巖覆蓋區域，因此嫦娥五號可能採集到形成於10-20億年前的年輕樣品——這將填補月球地質定年和年代劃分上最大的一塊空白。

不同的顏色代表不同的地質單元，形成於不同的年齡。呂姆克山東側的月海玄武巖非常年輕（形成於愛拉託遜紀），按照撞擊坑統計來推算，年齡在10-20億年之間， Ga = 10億年前 | 參考文獻 [3, 4]

另一方面，嫦娥五號的工程意義也是裡程碑式的：採樣返回相比於之前的環繞（嫦娥一號二號）和著陸（嫦娥三號四號）任務，難度係數可以說是上了幾個臺階——嫦娥五號的發射，意味著我國有望成為繼美國、蘇聯之後，第三個實現月球採樣返回的國家。

負責發射嫦娥五號的長徵五號遙五火箭 | CNSA

嫦娥五號如何採回月球樣品？

很多小夥伴還會很疑惑，這嫦娥五號的任務過程怎麼這麼複雜啊？還有啊，這嫦娥一號二號是一件套，三號是兩件套，四號是三件套（鵲橋中繼星和主任務分兩次發射）…

嫦娥一號到四號大家族 | 手繪：寒花

嫦娥五號怎麼東西這麼多啊，居然有…四件套？

嫦娥五號的組成結構 | CAST/Spaceflight101

哎，這個感覺就是特別準確，嫦娥五號相比於之前的幾個嫦娥任務確實特別複雜，因為採樣返回任務要做的事兒真的特別多。

從字面上也可以看出來，月球 採樣 返回 任務需要到飛到月球、採樣、然後返回，把這個過程進一步拆解一下，就是這個探測器需要完成這麼幾個主要步驟：

1）發射火箭，從地球起飛

2）從地球上空飛到月球上空

3）著陸在月球表面

4） 在月球表面採樣

5）從月球表面起飛

6）從月球上空飛回地球上空

7）把樣品扔回地球

光看這個「任務清單」是不是頭都禿了？看看嫦娥五號打算如何一步步完成吧。

首先，長徵五號火箭發射，把嫦娥五號四件套送往地月轉移軌道，然後四件套一起飛往月球。

四件套發射 | New China TV

到了月球軌道之後，四件套兩兩分頭行動：著陸器帶著上升器登陸月球採樣，環繞器帶著返回器在環月軌道待命。

嫦娥五號的工作安排 | CAST/Spaceflight101

兵分兩路 | New China TV

著陸器設計了兩種採樣方式：一種是鑽孔採樣，計劃將鑽孔鑽進月面以下2米深的地方，採集巖芯樣品；

鑽孔採巖芯 | New China TV

另一種是機械臂採樣，用機械臂的頭部鏟取月球表面的土壤樣品。

機械臂鏟土 | New China TV

採完樣品之後，接下來的任務就是從月球表面起飛。這相當於在月球上也要加個類似火箭的發射裝置，當然，我們想要的其實只有樣品，著陸器那麼沉，我們肯定是過河拆橋不帶走了的呀。

嫦娥五號採樣之後的選擇 | TPS/Loren Roberts

於是嫦娥五號就有了這個「上升器」的設計，樣品封裝起來塞進上升器裡，上升器上有發動機，負責從月球表面起飛。

上升器帶著樣品起飛 | New China TV

但如果要上升器自己從月球起飛直接飛回地球的話，那上升器的設計複雜度和重量（帶更多燃料）都要相應飆升，這些壓力層層傳遞最終還是都落在了從地球發射的火箭上。要知道直接返回的蘇聯月球號任務只挖了100多克月球樣品，而嫦娥五號可是打算挖2公斤的。

火箭素材來源：CNSA

所以嫦娥五號採用了類似阿波羅載人登月用的方式來轉移樣品：交會對接。著陸器工作期間，環繞器在環月軌道待命，等上升器起飛之後兩者再次碰頭。當然，碰頭也不是想要一起飛回去，只是為了轉移樣品而已。

上升器和環繞器交會對接 | New China TV

轉移樣品 | New China TV

把樣品轉移到返回艙裡之後，上升器也沒用了，扔。

嫦娥五號採樣之後的安排 | CAST/Spaceflight101

然後環繞器帶著裝著樣品的返回艙一起，輕裝上路，從月球上空飛回地球上空。

返回地球 | New China TV

飛到地球上空之後呢，只把包裹著月球樣品的返回艙扔回地球大氣層就可以了。為了防止在再入地球大氣層過程中溫度過高，返回艙將經過一條精心計算的，類似「打水漂」一般的曲折路徑回到地球表面。

返回艙再入地球大氣層 | New China TV

總結來說，想要採集到月球樣品並送回地球，嫦娥五號全程需要完成兩次發射、兩次著陸、一次月軌交會對接，「繞月」、「落月」、「返回」全部包圓，所以這環繞器、著陸器、上升器、返回器四件套啊一個都不能少。

東西多，操作複雜，需要的燃料多，當然也就重。之前的嫦娥四號主任務兩件套總重3780公斤，天問一號三件套總重近5噸，而到了嫦娥五號四件套，總重直接飆升到了8.2噸——遠超發射嫦娥四號兩件套的長徵三號乙火箭的運力極限。

這也是為什麼天問一號和嫦娥五號都必須等待更大運力的長徵五號火箭才能發射。事實上，嫦娥五號任務原本是打算在2017年底發射的（你沒看錯，嫦娥五號本來是打算在嫦娥四號之前發射的），但由於長徵五號火箭的進度延遲，才推遲到了現在。（詳見：為了去火星，天問一號做了哪些準備？）

不積跬步，無以至千裡

別看嫦娥五號任務這麼複雜，但可一點都不魯莽。如果咱們拆分開來仔細看每個步驟，會發現很多步驟咱們之前已經在其他探測任務上試驗過了，只有幾個步驟是完全的「新題型」。咱穩紮穩打，認真踏實的傳統美德，可絕不是吹的。

同款火箭的發射，長徵五號遙三和遙四均成功完成任務，遙四火箭更是順利把天問一號三件套送入地火轉移軌道。

2020年7月，長徵五號遙四火箭搭載天問一號火星探測器點火升空。拍攝：Tea-tia

從地球飛到月球和環繞月球，咱們十幾年前嫦娥一號、二號就能做到了。

而著陸月球呢，2013年的嫦娥三號、2019年的四號也分別在月球正面和背面都完成了。

嫦娥三號和四號的著陸區位置。來源：LRO WAC/haibaraemily

在月球表面鑽孔和機械臂採樣，這個事兒我國之前是沒做過的。但在月球上操作有一定活動能力的機械臂，嫦娥三號的月球車玉兔一號是做過的，所以也算是有一定技術積累的。

玉兔一號的機械臂 | CCTV

從月球表面起飛，全新題型。

在環月軌道交會對接，這事兒我們之前雖然沒有在環月軌道上做過，但在地球軌道上已經是輕車熟路了，神舟和天宮就做過n次過交會對接了。

2016年，神舟十一號和天宮二號自動交會對接 | CCTV

返回艙再入地球我們也是有經驗的，神舟五號和之後的多個神舟任務都用類似的返回艙，把太空人們安全送回地球表面了。

2016年11月18日，神舟十一號返回艙帶著太空人從太空順利回到地球表面 | 中國軍網

不過，從神舟回來的返回艙，再入速度沒有月球返回艙那麼高。為了不讓接近第二宇宙速度的返回艙在再入大氣層的過程中溫度過高，嫦娥五號的返回艙將採用「打水漂」的方式進入地球大氣層。

嫦娥五號T1試驗器「打水漂」返回示意圖。返回艙第一次再入大氣層後與大氣產生相互作用力，像打入水中的小石子一樣彈跳起來，跳出大氣層然後第二次再入大氣層，這一過程被形象稱之為「太空打水漂」 | CNSA

從月球上空飛回地球上空和返回艙「打水漂」再入地球大氣層，我國也專門用一個試驗任務演習了一遍。早在2014年，嫦娥五號T1試驗任務（暱稱「舞娣」）專程為嫦娥五號任務做了「實地演習」，它由服務艙（模擬環繞器，不過並沒有完整環繞月球）和返回器兩部分組成，完成了從地球飛到月球，從月球返回，然後把返回器扔回地球表面幾項工作。

嫦娥五號T1結構圖 | CNSA

可以簡單理解為除了沒真落上月球採樣（當然也就沒有對接啥的）別的都探了一遍路。

嫦娥五號T1任務為嫦娥五號探路 | CNSA

返回器（裡面當然沒有樣品）最終順利落在內蒙古四子王旗。

嫦娥五號T1試驗任務發射和返回回顧 | 我們的太空

總之，嫦娥五號的整個過程雖然複雜，但其中很多步驟我國是有過類似的成功經驗的。

當然，要完成前所未有的目標，嫦娥五號依然需要面對許多全新的挑戰，依然需要對未知的危險報以充分的謹慎和心理準備。

但從嫦娥一號二號的「繞」，到嫦娥三號四號的「落」，到嫦娥五號T1的實地演習，到長徵五號這樣的大火箭…過去多年的智慧和汗水，都成為了今日的寶貴經驗和堅實基礎。而這些，又將成為我國接下來的深空探測和載人任務最寶貴的財富。

讓我們一起期待著嫦娥五號做完這麼多習題之後交出怎樣一份新答卷吧~

整裝待發的長徵五號遙五火箭 | CNSA

參考資料

[1] St ffler, D., Ryder, G., Ivanov, B. A., Artemieva, N. A., Cintala, M. J., & Grieve, R. A. (2006). Cratering history and lunar chronology.Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 60(1), 519-596.

[2] Mallapaty, S. (2020). China set to retrieve first Moon rocks in 40 years.Nature.

[3] Qian, Y. Q., Xiao, L., Zhao, S. Y., Zhao, J. N., Huang, J., Flahaut, J., ... & Wang, G. X. (2018). Geology and scientific significance of the Rümker region in Northern Oceanus Procellarum: China s Chang E‐5 landing region.Journal of Geophysical Research: Planets, 123(6), 1407-1430.

[4] Xie, M., Xiao, Z., Zhang, X., & Xu, A. (2020). The Provenance of Regolith at the Chang e‐5 Candidate Landing Region.Journal of Geophysical Research: Planets, 125(5), e2019JE006112.

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