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「嫦娥五号的太空故事

文|苗千
时至2020年12月中旬,位于内蒙古中部的四子王旗航天着陆场已经被白雪所覆盖,气温达到零下20多度。一群人早已到达此地,带着期待和激动的心情等待着从月球探测取样归来的嫦娥五号探测器从天而降。从20世纪末开始,一系列神舟飞船在返回地球时就都选择在四子王旗着陆场降落。因为嫦娥五号返回器的体积仅仅是神舟飞船返回舱的七分之一,预期它的着陆范围将是神舟飞船的16倍,相比之下回收任务的难度也就更大。

2020 年12 月1 日,嫦娥五号落月时北京航天飞行控制中心指挥大厅现场图(国家航天局 摄/ 中新社供图)
按照计划,嫦娥五号返回器在降至距离地面大约10公里的高度时会打开降落伞,完成最后一步减速,最后平稳完成着陆。早已等候在此的工作人员已经对整个着陆场进行了将近30次的地形勘查,进行搜救的车辆和直升飞机也早已准备就绪。在着陆之后,是负责搜索的直升飞机通过对热量敏感的红外相机首先确定了返回器的位置。现场搜寻的人员迅速赶去,在返回器落地一小时内就完成了回收。
北京时间2020年12月17日1时59分,嫦娥五号返回器在预定区域成功着陆并被顺利回收——这标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。在对返回器进行了必要的处理之后,它所采集到的月球土壤和岩石样品被空运至北京。总共1.731千克的月球样品被转移到北京的中国科学院国家天文台,它们将被保存在氮气环境中。随后研究人员将对这些珍贵的样品进行一系列的检测和研究。
2020 年11 月24 日4 时30 分,长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,运送嫦娥五号探测器至地月转移轨道。(视觉中国供图)
从海南文昌发射升空,又在内蒙古四子王旗顺利归来。嫦娥五号为时23天探月取样又返回地球的太空之旅,为什么引起了全国,乃至全世界的关注和讨论?我们通过从各个层面详细讲述嫦娥五号探月之旅的过程和意义,正是要解答这个问题。
从1970年发射第一颗人造卫星,到嫦娥一号绕月,直至嫦娥五号带着来自月球的样品从月球归来,中国的太空探索之旅虽然起步较晚,却发展迅速,已经成为世界太空探索的一个重要力量。在21世纪登陆月球的三个探测器,全都来自中国。
不止是嫦娥五号。在2020年7月发射的“天问一号”火星探测器,如今已经旅行了超过4亿公里,即将进入火星轨道,然后还将在火星表面登陆,进行难度更高的科学探测。这一切,凝结着几代中国航天人的努力,也承载着所有中国人的梦想。
2020 年11 月24 日,嫦娥五号月球探测器在海南文昌卫星发射基地发射升空(视觉中国供图)
嫦娥五号的成功,和它所取得的月球样品,不仅属于中国,也属于全人类。冷战时代已经过去,美苏两强的太空竞赛已经烟消云散。在21世纪的太空探索理应是为了全人类的共同理想,在各个国家相互协作的基础上进行。
在这一期的报道中,我们不仅尽量详细地讲述了嫦娥五号前往月球,在月球表面收集样品,而后再安全返回地球的过程,还对国家国防科技工业局探月与航天工程中的的专家侯军进行了专访。在讲述整个过程中难度最大的嫦娥五号上升器与轨道器的对接过程时,侯军介绍:
“相比上世纪70年代,如今微波雷达和红外线雷达已经实现微小型化,可以装在航天探测器上,而计算机的算力也有质的提升,诸如此类的条件,是能够实现上升器与轨道器在月球轨道进行无人交会对接的前提。
“与载人航天时,‘神舟八号’与‘天宫一号’在地球轨道的交会对接不同,在月球轨道进行的无人交会对接,不仅距离远,指令传输有延时,而且也没有卫星定位系统,只能依靠雷达。在轨道器和上升器上分别安着一对由雷达主机和应答机组成的微波雷达,这个雷达只有多半个手机那么大,当两器相距约100公里时,这个雷达开始工作,提供两器之间的相对运动参数,并进行双向通信。两器根据雷达提供的信号调整飞行姿态,当两器行驶到同一轨道面,且彼此距离250米后,再用激光雷达精准定位。
嫦娥五号着陆器和上升器组合体着陆月球后的模拟图(国家航天局 供图)
“另一个难点在于,上升器与轨道器(轨返组合体,下同)交会的轨道距离地球38万余公里,而它们交会时的误差不能超过5厘米,且它们交会时又是体积大的轨道器追体积小的上升器,前者的重量有两吨多,后者只有数百公斤,稍有不慎,上升器就会被撞翻或撞飞,所以不能采用以往的撞击式交会,而是用了由3套K形抱爪构成的对接机构。
“这一设计理念是世界首创,就像手握棍子,两个方向用力,就能把棍子握牢。当开始使用激光雷达时,轨道器逐渐接近上升器,并由远及近建立多个相对停泊段,精细调整对接姿态。当到达最后15米距离时,轨道器开始平移靠拢,触碰到上升器后,抱爪机构就一把将上升器揽入怀中,之后三套抱爪自动锁紧两器,形成月轨飞行组合体。这一过程必须非常轻柔,堪称‘太空之吻’。
记者陈璐介绍了她采访的中国地质大学教授肖龙和他的团队,他们最大的作用,就是直接告诉工程团队月球表面土壤的性质,通过模拟月壤的实验数据,帮助工程团队设定钻机的速度参数等。再由工程单位通过上千次实验,分析可能会出现哪些故障,把所有可能遇到的情况总结出来,最后选择一个最佳的方案进行排除。
在专访中,肖龙教授介绍了对月球土壤最可能实现的就是就地利用,他介绍到,“将来最有可能实现的,比如建月球基地。过去几年,我们做了一些模拟月壤,很多做材料工业方面研究的单位也找到我们,他们将这些模拟月壤拿去做了些3D 打印实验,也打印了一些东西。所以我们未来或许可以利用3D 打印技术把月壤制成砖块或者具有其他特性的一些材料,盖房子、搞建筑。但这都是实验室里的研究,到大规模应用还有一段路要走。实际应用上要更复杂,因为月球的环境跟地球完全不同,月球上没有水、没有黏合剂,你要能把这些原材料带上月球才行。但是随着技术的进步,我觉得通过月壤的3D 打印作为建材使用,是最有可能实现的。”
通过分析月球土壤的结构,成分和物理特性,人类可以进一步理解月球的形成过程,也可能解开一系列对月球长久以来的疑问。例如月球的火山活动是从什么时候停止?月球的磁场是在什么时候消失?解答这些问题也有利于人类理解太阳系内的其他行星和小行星。
2020 年12 月17 日,科研人员取出装有月球样品的容器(金立旺 摄/ 新华社供图)
在记者刘怡的文章《百舸争流:进入21世纪的全球太空竞赛》中,回顾了中国航天事业发展的历史,也对当今太空探索的国际格局进行了分析。而在颇有科幻色彩的文章《开采太阳系》中,展望了更加遥远的未来——在那时,人类的宇航员以及无人探测器,将远赴太阳系的各个天体进行研究。人类将有可能开采蕴藏在小行星中的珍贵矿物和水资源。
嫦娥五号的探月和返回之旅,也标志着一个新的开始。中国更多的太空探测计划即将成为现实。而人类对于小行星的探测和开采,也开启了一个全新的太空探索时代,这些都值得我们期待。
就让我们随着嫦娥五号的故事,追寻过去,进入未来。
封面动画设计:黄罡

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“从科普角度来说,我们一方面要对月球抱有好奇,希望去了解它;另外,我也更希望大家用科学的眼光看待人类对月球的一些认识。”2002年,本期的#封面大使#郑永春开始进行科学传播,并见证和参与了中国探月工程的发展,此前曾做过多项有关“嫦娥五号”探测器、火星等科普工作。

“嫦娥5号”实现了半个世纪之后,全世界第一次从月球上采样返回。采访中谈及于此,郑永春更愿意作为一个航天科普者的角色,为大众做更具体的释疑:比如,“嫦娥五号”的月壤和美国阿波罗号带回的月壤有什么不同?为什么会有模拟月壤?月球的背面为何总被科幻小说青睐?……在他看来,航天的发展是一个国家综合实力,特别是科技实力的象征。

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