嫦娥五号奔月
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据新华社消息，11月24日4时30分，我国在中国文昌航天发射场，用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器，火箭飞行约2200秒后，顺利将探测器送入预定轨道，开启我国首次地外天体采样返回之旅。
嫦娥五号正在执行的是我国探月工程第六次任务，计划实现月面自动采样返回，助力深化月球成因和演化历史等科学研究。
11月24日4时30分，长征五号遥五运载火箭发射升空。
这是首次执行月球采样返回任务，也是迄今为止我国执行的最为复杂的航天任务。
据悉，本次航天任务共有11个重大飞行阶段，23次重大轨道控制，6次重大分离控制等复杂环节，还有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上“无人交会对接”等高风险环节。整个采样返回过程需要持续长达23天，发射起飞只是万里长征第一步。
01
为什么必须用“胖五”？
最胖与最重的“强强联合”。此次担任“嫦娥五号”探测器发射任务的是长征五号遥五运载火箭，这也是长征系列火箭第五次护送“嫦娥”。长征五号运载火箭也被航天迷们亲切地称为“胖五”。之所以称它为“胖五”，就是因为长征五号在长征系列火箭中芯级直径最大，是中国首型5米芯级直径的新一代大推力运载火箭，打破了我国多年来传统运载火箭3.35米箭体直径的限制。
与“胖”相对应的是其运载能力。长征五号运载火箭是我国新一代大推力低温液体运载火箭，总长约57米，捆绑4个3.35米直径助推器，起飞重量约870吨，起飞推力超过1000吨，近地轨道运载能力可达25吨级，地球同步轨道运载能力可达14吨级，运载能力、运载效率等重要性能指标均居世界先进水平，是目前我国运载能力最大的火箭。
此次发射任务是长征系列运载火箭的第353次飞行。
长征五号遥五运载火箭垂直转运
作为我国运载火箭升级换代的重要工程，“胖五”突破了12大项、200多个核心关键技术，创新难点多、技术跨度大、复杂程度高，填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白。
“胖五”主要服务于我国探月三期、载人空间站、火星探测等重大专项任务，也可用于不同地球轨道大型载荷及其他深空探测任务载荷的发射。
此前，长征三号甲火箭、长征三号丙火箭以及长征三号乙火箭承担了发射我国月球探测器的任务，相继发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥四号四个月球探测器，完成了对月球的环绕探测、着陆探测和巡视探测。
但是，执行本次嫦娥五号的发射任务，非长征五号莫属。这是为什么呢？
从原理上讲，采用多大运载能力的火箭发射探测器取决于两个因素：一是看探测器有多重，二是看探测器要飞往哪里。我们来具体看一下嫦娥五号的情况：本次嫦娥五号探测器整体重约8.2吨，目的地是38万公里之外的月球，我国目前运载能力最强的长征五号火箭刚好能够满足要求，因此必须用长征五号火箭发射。最胖的火箭搭载最重的探测器，“强强联合”，堪称2020年中国航天最具分量的一次发射。
2020年7月23日，长征五号运载火箭还成功发射了“天问一号”火星探测器，目前正前往火星的旅途中。
02
嫦娥五号有何不同？
中国月球探测工程的标识。
中国探月工程是我国启动的第一个探月工程，于2004年1月23日正式启动，分为绕、落、回三部曲。历经十六载，成功完成嫦娥一号、二号、三号和四号任务以及嫦娥五号高速再入返回飞行试验，实现了“五战五捷”的辉煌战绩。
“绕”就是发射月球卫星，嫦娥一号和嫦娥二号已经实现；
嫦娥一号的飞行轨道（左），嫦娥二号的飞行轨道（右）。
“落”就是在月球表面软着陆，嫦娥三号已实现在月球的正面软着陆，“嫦娥四号”也已实现在月球背面软着陆，并在月球背面开展科学探测工作，在全球尚属首次。虽然嫦娥四号是嫦娥三号的备份星，但却取得了多方面的创新。
月面上的嫦娥四号着陆器。
“回”就是从月球表面采样返回地球，就是本次嫦娥五号执行的任务，计划把2千克的月壤样品带回地球。
（图片来源：央视新闻）
值得一提的是，后来，我国又拓展了“月球科研站”任务。该任务是由后续的“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”完成。计划在月球南极地区着陆并开展更为复杂的科学研究。
03
任务最复杂，将首次带回月球样品
“嫦娥五号”探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统，由轨道器、返回器、着陆器、上升器4个器以及15个分系统组成。而嫦娥一号与嫦娥二号仅是一个轨道器，嫦娥三号与嫦娥四号也只有一个着陆器和一个巡视器。
在此次任务中，嫦娥五号计划实现三大工程目标：一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术，提升我国航天技术水平；二是实现我国首次地外天体自动采样返回，推动我国科学技术重大进步；三是完善探月工程体系，为我国未来开展载人登月与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础。
嫦娥五号在地面上进行测试的情景。
发射成功后，“嫦娥五号”将经过着陆器落月、月表采样，月球起飞，轨道对接，样品转移，返回器返回等11个阶段，20余天的在轨飞行过程，采集约2千克月球样品返回地球。
根据计划，“嫦娥五号”于11月下旬登陆月球，在月球最大的月海风暴洋北缘的吕姆克山附近，并钻取约2米深的月壤岩芯柱，共采取2千克重的月球土壤样品。
（图片来源：中国探月与深空探测网）
“嫦娥五号”无人采样器通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法获取月球样品后，需要转移到上升器里，上升器与轨道器对接后，又要将上升器里面的样品通过轨道器转移到返回器里面。这也是此次任务技术难度最大的关键环节之一，为科研人员带回中国人采集的第一杯月壤。
嫦娥五号任务的科学目标主要是开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察，获取与月球样品相关的现场分析数据，建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系；对月球样品进行系统、长期的实验室研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究。
能否将来自月球的“土特产”顺利带回地球，是“五妹”此次奔月之旅成功与否的关键。
顺利带回地球后，嫦娥五号将实现我国开展航天活动以来的四个“首次”：首次在月面自动采样；首次从月面起飞；首次在38万千米外的月球轨道上进行无人交会对接；首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。
04
嫦娥五号探测器要经历哪些险关呢？
本次航天任务共有11个重大飞行阶段，23次重大轨道控制，6次重大分离控制等复杂环节，还有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上“无人交会对接”等高风险环节。
火箭发射：即便到了21世纪的今天，火箭发射仍然有比较大的不确定性。2017年，我国长征五号遥二运载火箭曾经出现过故障，未能把有效载荷送入轨道。2019年发射的长五遥三运载火箭和2020年发射的长五遥四运载火箭都完美成功。
探测器落月阶段：此前，嫦娥三号和嫦娥四号月球探测器分别实现了月球正面和月球背面的软着陆，实现月面软着陆的关键是动力下降阶段。由于月球上没有空气，探测器要想在月球软着陆，必须使用反推火箭徐徐下降，并小心翼翼地选择比较平坦的着陆地点，防止“翻车”事故，这也是一个高风险的关键环节。2019年，以色列月球着陆器和印度月球着陆器相继在月球表面坠毁。
“挖土”之后的两次“打包”也是一大挑战。嫦娥五号机械臂在采集月壤样本之后，将之通过一系列方式送入上升器中，予以第一次封装，防止在离开月球的过程中出现损耗。第二次封装则是上升器的月壤转移到再入器中，来保护月壤样品不受再入时恶劣环境的影响。在完全无人操作的情况下，如何做到“严丝合缝”对嫦娥五号而言难度不小。
嫦娥五号降落月面的情形（艺术图）。
月面起飞、月球轨道交汇对接阶段：样品完成后，上升器和轨道器、返回器将在月球轨道完成对接，则是另一大技术难点。虽同名“交会对接”，但“嫦娥五号”采用的对接方式与我们所熟悉的载人航天近地轨道交会对接技术有很大区别。
与距地数百公里的近地轨道对接不同，此次对接是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接。人类此前三次无人月球采样任务，由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术，采用的都是月面起飞直接返回地球的方案。所以此次任务不仅在我国尚属首次，而且也是人类航天史上一次月球轨道无人自动交会对接和样品转移。
当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后，“嫦娥五号”将一路飞到月球轨道，与在轨道上的轨道器、返回器组合体交会对接，把采集到的月壤转移到返回器。
完成“月轨之吻”后，嫦娥五号将带着四个“首次”，即首次月面自动采样、首次月面起飞上升、首次实现月球轨道交会对接、首次带月壤高速再入返回地球，成为嫦娥家族首个奔月后能“回家”的探测器。
嫦娥五号上升器携带月壤样本上升情形（艺术图）。
嫦娥五号的上升器和轨道器正准备月轨交会对接的情形（艺术图）。
返回地球：轨道器启动火箭，搭载返回器离开月球引力直奔地球，接近地球的时候，返回器与轨道器分离。航天器从38万公里之外的月球飞往地球的过程中，相当于从38万公里的高度“掉”向地球，火箭的速度会不断上升，在进入地球大气层时，其速度接近地球的第二宇宙速度（11.2公里每秒）！返回器以这样高的速度进入大气层，一不小心，就有可能像流星一样化为青烟。
“返回舱高速地撞击地球的大气层就会一直燃烧着，会把我们采集回来的样品全部烧掉。”欧阳自远表示，“所以我们采取了一个办法，当返回舱下降到大气层弹道一半的时候，就不能再下降了，让它跳出大气层，再下降。就像小孩儿在水面上用石头打一个水漂，把石头砸进去，再冒出来，再落下去，如此返回舱的速度就慢了。这样的话，我们就可以利用降落伞让它降落下来，就比较安全了。”
2014年11月01日，“嫦娥五号再入返回飞行试验器”在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆。
05
月球样品有什么科研价值？
1978年5月28日，美国派出总统国家安全事务顾问布热津斯基访问中国，并带来了卡特总统向中国赠送的礼物：质量仅1克的月岩样品。月岩样品放在一块有机玻璃内，看上去有指甲盖般大小。这份样品被一分为二：一半珍藏在北京天文馆让公众参观；另外一半用于研究。
我国”嫦娥工程"首席科学家欧阳自远院士带领的科研团队最终利用其中的半克样品开展了大量科学研究，发表了14篇相关研究论文。
1978年，美国赠予我国的月岩样品。现收藏于北京天文馆。
据悉，嫦娥五号按计划将着陆在月球风暴洋北部吕姆克山脉附近，采集月壤和月岩样品返回地球，进而开展系统、长期的实验室分析研究，分析月壤的结构、物理特性、物质组成，深化月球成因和演化历史的研究。
这个地方其他国家从未到访过，该地存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，获得这些年轻玄武岩的同位素年龄，将有助于推进对月球火山活动和演化历史的认识。
这将是44年来，人类首次带回遥远月球的月面样本。
此前对美、前苏获取月壤样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩，这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。
06
采回过多少月球样品？
嫦娥五号是1976年苏联月球24号之后全球第一个月球采样返回任务。本次任务成功，中国将成为继美国和苏联之后第三个从月球上取回样本的国家。
阿波罗15号宇航员采回的月岩。
上个世纪的月球探测，究竟为地球运回了多少月岩？美国在1969年到1972年间的6次阿波罗任务中（Apollo 11/12/14/15/16/17）共带回382公斤月球样本，包括岩石、岩芯样本、卵石和土壤；
苏联在1970年到1976年间的三次月球任务（Luna 16/20/24）中带回301克月球样品。
阿波罗17号宇航员收集的月壤。
按照NASA惯例，样品中约15%的部分被存储在约翰逊中心的远程存储设施（Remote Storage Facility）——位于新墨西哥州拉斯克鲁斯附近的白沙试验设施（White Sands Test Facility）保险库中，以防约翰逊中心被损毁。两处设施相距约1300公里。
样本中的5%提供给全球科学家供研究。截止2019年7月，约翰逊中心已向15个以上国家的500个研究实验室发送了大约50,000个样本。不过，他们规定，用于科学研究的样本在做完研究后必须归还约翰逊中心。还有另外的5%送往世界各地的博物馆展出。
全球仅有的一块可以直接用手触摸的月球样本，陈列在美国华盛顿特区的史密森尼国家航空航天博物馆。这是一块来自阿波罗17号任务的玄武岩，被称为Touch Rock。
来源丨新华社、央视新闻、36氪、中国国家天文杂志等
编辑丨胡可