嫦五登月，開始“挖土”！取回的月樣到底能幹啥？_風聞
Science_北京-不惧过往，不畏将来！2020-12-02 15:50
國家航天局消息，12月1日23時11分，嫦娥五號探測器成功着陸在月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區，並傳回着陸影像圖。
嫦娥五號落月視頻。視頻來源：央視新聞
北京時間12月1日23時11分，在經歷了為期一週的地月轉移、近月制動、環月飛行之旅後，嫦娥五號探測器成功着陸在月球正面西經51.8度、北緯43.1度附近的預選着陸區，並傳回着陸影像圖。
作為中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰，嫦娥五號任務將從月球採集約2千克月球樣品返回地球。嫦娥五號探測器軟着陸於月球哪個區域？探測器如何穩穩地降落？降落後又將如何開展“挖土”作業呢？
落在哪？
據中國國家航天局消息，12月1日22時57分，嫦娥五號着陸器和上升器組合體從距離月面約15公里處開始實施動力下降，7500牛變推力發動機開機，逐步將探測器相對月球速度從約1.7 公里/秒降為零。
12月1日拍攝的嫦娥五號探測器着陸畫面。新華社記者 金立旺 攝
期間，嫦娥五號探測器進行快速姿態調整，逐漸接近月表。此後進行障礙自動檢測，選定着陸點後，開始避障下降和緩速垂直下降，平穩着陸於月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區。着陸過程中，着陸器配置的降落相機拍攝了着陸區域影像圖。
成功着陸後，着陸器在地面控制下，進行了太陽翼和定向天線展開等狀態檢查與設置工作，將正式開始持續約2天的月面工作，預計將採集2千克左右的月球樣品。
此前，美國阿波羅計劃從月球累計帶回380多千克月球樣品，蘇聯依靠無人飛行器分3次共獲得了300餘克月壤；但美國、蘇聯等國家的航天器均未到訪過呂姆克山脈附近。
中國科學院院士、中國探月工程首任首席科學家歐陽自遠曾表示，中國選擇的着陸點距離阿波羅計劃着陸點有上千公里距離，將會迎來新的現象、新的發現。
全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩告訴記者，月球正面風暴洋相對較年輕，富集鈾、釷、鉀等放射性元素，存在大約13億至20億年前的玄武岩，獲得這些年輕玄武岩的同位素年齡，將有助於推進對月球火山活動和演化歷史的認識。它可以填補科學家對月球火山活動研究的一個重要空白。
“據月球科學家介紹，此前對美、蘇獲取月壤樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峯，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岩，這與嫦娥五號着陸地區的年齡相仿。如果嫦娥五號採回的樣本能夠證實這段時間月球仍在活動，將改寫月球的歷史。”龐之浩説。
怎麼落?
在選定呂姆克山脈以北地區作為着陸點後，嫦娥五號着陸上升組合體如何在短時間內完成一系列難度係數很大的動作，穩穩地降落在月球表面？
中國航天科技集團五院專家告訴記者，歷經主動減速、快速調整、接近、懸停避障、緩速下降和自由下落段，嫦娥五號這穩穩的一落看似輕盈輕鬆，卻藴藏着科研人員的眾多智慧和積澱。此次嫦娥五號落月有四大看點。
看點一：“選址準、落得穩”
嫦娥五號任務的落月和近月制動一樣，有且只有一次機會，必須一次成功。由於涉及採樣後上升器的月面起飛，所以，嫦娥五號落月的過程也是為後續上升器月面起飛選擇“發射場”。
相較於嫦娥三號、四號，嫦娥五號對於着陸點的位置精度和平整度方面的高要求是空前的，這需要着陸區域內無太高的凸起、無太深的凹坑，坡度要符合任務要求。
為實現“選址正確、落得準確”，嫦娥五號採用了五院502所在嫦娥三號和四號上應用的“粗精接力避障”方式。着陸上升組合體在飛到距離月面100米時會懸停一下，通過對選定區域拍照，精確識別選好落點。之後，着陸上升組合體再斜向下飛行，邊下降邊注意避障，飛到選定着陸點的正上方後豎直下降，在距離月面較近時提前關閉主發動機，然後利用着陸腿的緩衝實現軟着陸。
看點二：着陸緩衝“顯身手”
落月的關鍵在於平穩二字。嫦娥五號着陸上升組合體在落月時，撞擊月面會形成較大的衝擊載荷，必須設計相應的着陸緩衝系統，吸收着陸的衝擊載荷，保證探測器不翻倒、不陷落，這是落月的技術難題之一。着陸緩衝機構，通俗地説，就是嫦娥五號的“腿”。
與嫦娥三號的着陸緩衝設計方案相比，由於任務難度增加，嫦娥五號任務的着陸緩衝能力要求提高了30%，但機構重量指標卻減少了5%。嫦娥五號的“腿”繼承了嫦娥三號、嫦娥四號的良好基因，具有完全自主知識產權的“偏置收攏、自我壓緊”式方案，保證收攏簡單、展開可靠，解決了着陸緩衝、着陸穩定性等多方面問題，確保嫦娥五號穩定可靠地完成與月球的“親密擁抱”。
看點三：“天黑請閉眼”
在降落的過程中，嫦娥五號着陸上升組合體距離月面較近時，主發動機會激起月塵，容易觸發月塵污染星敏感器，從而影響上升器後續的月面起飛。
為了不讓月塵“迷了上升器的漂亮眼睛”，科研人員特別設計了一個蓋子。在距離月面一定的高度時把星敏感器的鏡頭蓋起來，待落月之後月塵散去，再通知星敏感器把蓋子打開，這一睜一閉之間，着陸器和上升器組合體已經順利着陸在月亮之上。這一過程被科研人員親切地稱為“天黑請閉眼”。
看點四：定向天線“一線牽”
落月牽動着國人的心。38萬公里外的嫦娥五號正經歷着什麼樣的考驗？所有的訊息，都需通過着陸上升組合體的一口小小的“鍋”來傳送遙測數據。這個“小鍋”就是定向天線——把探測器上的數據傳輸到地面的發射轉換裝置。
從月球把數據發送回地球，通信的距離相比地面手機通信遠了幾萬倍，這就需要採取特殊的對地定向天線來發送數據。科研人員設計的定向天線包含了反射面天線輻射器、雙軸驅動機構。為了使整器減重，此款反射面天線極致輕量化設計，相比同類天線減重40%以上，既輕便又可靠。
中國航天科技集團五院專家表示，雙軸驅動機構就像人的肩關節、肘關節，驅動反射天線輻射器靈活地轉動，確保“小鍋”始終對準地面，向地球傳送嫦娥五號落月的遙測數據。
嫦娥五號着上組合體模擬圖。北京飛控中心供圖
咋“挖土”？
嫦娥五號任務是中國目前技術難度最大、系統組成最複雜的航天任務之一。成功着陸在月球后，嫦娥五號探測器將開展為期約 2 天的月面工作，“使出渾身解數”採集約2千克月球樣本，實現中國首次地外天體採樣。
科研人員為嫦娥五號精心設計了兩種“挖土”模式：鑽取和表取。探測器隨身攜帶了鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將採取深鑽、淺鑽，以及“剷土”“挖土”“夾土”等方式，採集約2千克“月壤”，並進行密封封裝。
“我們的目標是兩公斤，經過論證，兩公斤是數量上不算少，工程上可實現。”中國國家航天局探月與航天工程中心副主任、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇説，“但是作為對這次任務的考核，我們的目標是採樣返回，採到樣品、返回地球，就是成功。不管帶多少，都是成功。”
根據日、地、月的運動關係，以及工程各種約束條件，嫦娥五號任務的總週期是22至23天，各環節環環相扣。此次任務將創造五個“中國第一”。
“一是地外天體的採樣與封裝，二是地外天體的起飛，三是月球軌道交會對接，四是攜帶樣品高速地球再入，五是月球樣品的分析和研究，這在我國都是首次。”裴照宇説。
從發射升空到成功落月，38萬公里，7天抵達，800多秒驚心動魄的下降，嫦娥五號探測器的表現近乎完美。
這是中國探測器第三次在月球表面成功軟着陸，距離月球採樣返回的夢想更前進了一大步。期待嫦娥“五姑娘”圓滿完成“挖土”工作，順利返回地球！
挖回來的“土”有啥用？
很多人都為我國的月球探測器能夠採樣返回而興奮，但是卻不知道採回來的月球樣本所代表的真正意義。
12月1日，在北京航天飛行控制中心拍攝的嫦娥五號探測器落月過程。新華社記者 金立旺 攝
一、研究月球演化
月球的起源還有許多未曾解決的問題，同時月球在形成後的數十億年間又經歷了長期的小行星撞擊與多期次的岩漿活動。不過由於人類在月球的探索依然有限，所以我們對月球本身的演化歷程依然還不甚瞭解，尤其是對於月球從30億年以來的演化情況不甚清楚。
長久以來，我們中國人研究月球的地質演化基本上只能通過撞擊坑的疊置關係以及國外的月球數據來進行，但是從中國的登月計劃開始實施以來，我們逐漸有了豐富的月表探測數據，在這次嫦娥五號所要登陸的風暴洋呂姆克山，我們也可能採回月球在大約11億年前的岩漿活動中所形成的岩石，這些對於我們研究月球的演化歷史無疑具有很重要的作用——往淺處説，能夠讓我們在月球演化領域領先於西方，往深處説研究月球演化是揭示類地行星起源和演化的關鍵，也是我們開拓星辰大海的出發點。
二、月球開發
月壤位於月球的最表層，是本次採樣的重點。月壤與地球的土壤截然不同，地表的土壤是地表岩石受到風霜雨雪等的風化作用後破碎成為沙粒，這些沙粒與死亡生物的有機質混合所形成的物質。但是月壤則主要是由小行星撞擊月面以及在真空中由温差等因素風化所致。
研究這些月壤，一方面能夠揭示出在月球上發生過的隕石撞擊事件的細節，另一方面則能夠為我們揭示在空間中的物質經歷空間風化（温度、太陽風、宇宙射線等等的破壞作用）的過程，為將來的星際建築和設備抵禦空間風化做準備；另外，更為細小的月塵則容易漂浮，在月球條件下，月塵的漂浮會導致宇航員視覺模糊、探測器光學元件污染、能源與熱控系統衰退、機械磨損和故障等，研究這些物質也能夠為將來的月球探測工作和月球基地建設工作提供防塵的方案。
可能要等待月球基地的建立之後，我們才會提出月球採礦的需求來，而在這之前，對於月壤的研究無疑能夠有助於基地的前期建設工作。
三、追趕
自從新中國建立起來之後就一直在追趕西方人的腳步，就從探月這件事情來説，中國人研究地外天體的起點其實起源於隕石，通過這些隕石的研究初步培養出了一些專業的人才，而在這時候美國和蘇聯已經登月了。
幾十年間，我們都在默默進行月球探測的的科學準備，儘管那時候看上去西方人的一騎絕塵，彷彿永遠無法超越。一直到2004年，國家才批准立項進行月球探測，此後從嫦娥一號到現在的嫦娥五號，我們的腳步緩慢而堅定，一直到現在嫦娥五號即將登陸月球的時候，我們回過頭來才發現，哦，我們已經差不多跟西方處於同一水平線了！
來源：綜合中國新聞網、微信公眾號“把科學帶回家”等
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