「嫦娥五號」,去月球挖土

2021-02-15 南風窗

就在今天,11月24日凌晨4點30分,在文昌航天發射場上,長徵五號運載火箭成功發射嫦娥五號探測器,並且將其順利地送入軌道。

「嫦娥五號」將要在月球上「挖土」了——這是迄今為止,中國獨立執行的最複雜航天任務。

「嫦娥五號」的任務是在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,收集土壤和塵埃,並將其送回地球——這片區域還沒有其他國家的探測器到訪過。

 

按照計劃,「嫦娥五號」有望實現中國航天史上的四個「首次」:首次在月球表面自動採樣,首次從月面起飛,首次在38萬公裡外的月球軌道上進行無人交會對接,首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

「嫦娥五號」挖土的特色之一,是「拿得多」。

 

1969年7月至1972年12月,美國通過阿波羅11號到阿波羅17號載人飛船實施了7次載人登月任務,除了阿波羅13號因發生故障中途返回,其餘6艘飛船皆完成登月,成功將12名航天員送上月球,共帶回月壤和月巖樣品約381.7千克。

 

蘇聯月球16號、月球20號和月球24號3個無人月球探測器進行了3次月球採樣返回任務,帶回的月球土壤樣品僅約330克。

 

「嫦娥五號」1個探測器,計劃帶回的月球樣品就有2千克。

 

蘇聯帶回來的樣品比較少,主要由於當時蘇聯尚未掌握月球軌道無人交會對接技術,3次月球採樣任務採用的都是月面起飛直接返回地球方案,這樣,上升器就需要克服返回艙與大量燃料帶來的負重,極大壓縮了採樣重量。

 

那麼,「嫦娥五號」的月球軌道無人交會對接技術是怎麼做到的?

 

這要從它的構造說起。

 

「嫦娥五號」要帶著月球土壤「回家」,構造就比「兄弟姐妹」複雜:包括著陸器、上升器、軌道器和返回器。而「嫦娥一號」與「嫦娥二號」僅僅是一個軌道器,「嫦娥三號」與「嫦娥四號」也只有一個著陸器與一個巡視器。

 

當「嫦娥五號」到達月球軌道後,著陸器將攜上升器一同降落至月球表面,軌道器與返回器繼續環繞月球,等待「月面小分隊」的歸來。接著,「月面小分隊」開始進行月面採樣、樣品封裝等操作。之後,樣品將由上升器攜帶發射升空進入月球軌道,與在月球軌道上的軌道器對接,將樣品轉移到返回器內部。最後,軌道器攜帶返回器點火機動,從環月軌道直接返回地球,返回器將在再入大氣層前分離,最後降落在中國北方的內蒙古草原上。

 

另外,「嫦娥五號」在月球著陸的地方,從地球上可以觀測到——那是1300米高的火山群,組成了廣闊、黑暗的熔巖平原。

「嫦娥五號」的最大挑戰在哪裡?

 

主要是挖完土之後的封裝環節。封裝分為月面封裝與月軌封裝兩個不同的任務。

 

月面上的封裝,主要是裝土(月壤)。「嫦娥五號」的機械臂在採集月壤樣本之後,將其通過一系列操作送進上升器並,進行第一次封裝,防止其在離開月球的過程中出現損耗。

 

月軌封裝,則是第二次封裝,把上升器的月壤轉移到再入器中,保護月壤樣品不受再入地球時惡劣環境的影響。

 

萬一封裝不當,「嫦娥五號」這一趟就白折騰了。比如月面封裝時沒裝好,離開月球時少了不少,然後月軌封裝又沒裝好,不僅當場損失了一些,又在回到地球時直接燒沒了,那真是功虧一簣了。

 

所以封裝必須要完全密封,最大程度減少損耗。過去的再入器,要麼不打開封裝蓋(返回式生物衛星、無人飛船),要麼是有人飛船,航天員能夠進行細緻檢查。

 

「嫦娥五號」可是完全無人操作的。月壤「採集-包裝-轉移-封裝」一條龍,全靠自動化步驟,任何一個小細節都不能出錯。

千辛萬苦挖土帶回來,有什麼用?

 

「嫦娥五號」拿回來的樣本,可以填補人們對月球火山活動理解上的一個重要空白。

之前美國和蘇聯的月球任務所獲得的巖石表明,月球上的火山活動在35億年前達到頂峰,然後減弱並停止。不過,後來對月球表面的觀測發現,某些區域可能含有最近10~20億年前才形成的火山熔巖。

 

如果「嫦娥五號」的樣本證實這段時間月球仍在活動,就有可能「改寫月球的歷史」。

 

同時,研究月壤的成分,也可以澄清是什麼為「熱活動」提供了燃料。因為月球很小,熱引擎應該在很久以前就已經耗盡了。

 

另外,根據計算隕石坑的方法,月球也是為其他行星「測歲數」的重要參考。一般來說,古老的區域有更多和更大的隕石坑,而較年輕的區域則有較少和較小的隕石坑。根據這些隕石坑的「年紀」,再利用月球上的土壤樣本,就可以得出絕對日期。

 

但是,從8.5億年前到32億年前這段時間,人們還沒有月壤樣本。「嫦娥五號」也許可以提供這個謎團的答案。

據悉,大部分月球樣本將存放在北京的中國科學院國家天文臺。部分樣本將單獨存放,免受自然災害的影響,還有一些將被留作公開展示。

 

樣本會不會和其他國家「分享」,目前還未有消息透露。據參與選擇著陸點的中國地質大學行星地質學家肖龍說,中國國家航天局支持國際合作,如果中國以外的研究人員與中國科學家合作,他們就可以獲取樣本。

 

美國就有此先例。但肖龍也指出,由於美國政府限制美國宇航局與中國直接合作,中國機構的科學家無法獲得阿波羅帶回來的樣本。

 

筆者曾經在馬爾地夫的國家博物館看到過美國贈送的月球土壤樣本——大概只有黃豆大小,密封在玻璃盒子內,下方的說明並沒有提及其成分、構成。顯然,這是一份外交意義上的饋贈。但無論如何,這份來自三十八萬公裡之外的宇宙「禮物」,就算極其微小,也足以令人心嚮往之。

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