史上难度最高的一次嫦娥探月之旅,藏着未来十年的秘密

11月24日凌晨4时30分,长征五号遥五运载火箭搭载着嫦娥五号探测器,成功在海南文昌发射升空。火箭在飞行约2200秒后,顺利将探测器送入预定轨道。

这次发射是嫦娥探月工程第一阶段的收官之战。前4次探月之旅,分别完成了对月球的环绕探测、月面软着陆和月球车在月球表面的行驶。而此次探月,嫦娥五号担负着地外天体采样的任务,操作难度是历次探月中最高的一次,也是人类时隔44年再次进行月壤采样。同时,这次发射也被看作是中国载人登月的一次预演,为十年后的载人登月进行技术验证。
嫦娥五号发射现场
丨嫦娥为这次“探亲”做了哪些准备?
月亮在中国的神话谱系和文化记忆中有着无可取代的地位,嫦娥探月也被认为是“探亲”之旅。但这背后却是长达16年的准备。
2004年3月,中国正式开展月球探测工程,按照三步走的战略,实现“绕”、“落”、“回”,这也就是人们常说的“嫦娥工程”。2007年10月,嫦娥一号探测器发射成功,此后基本保持着固定步伐,二号和三号陆续升空。
2018年12月,嫦娥四号发射成功,经历了长达一个月的太空探亲,最终在月球背面实现软着陆,这在人类历史上属于首次,先进的中继卫星技术让这一切变为现实。
嫦娥五号之所以能够成功发射,离不开这次的交通工具——长征五号遥五运载火箭。2019年12月27日,长征五号复飞成功,曾让很多人感到振奋,这使得很多重要的航天任务成为可能,包括空间站发射、火星探测,还有一年之后的这次月球采样。
从运载能力来看,长征五号在国内远远高于其他型号的运载火箭,跟国际上的重型火箭相比也不落下风。由于这样的重量级地位,长征五号得到了一个很有荣誉感的称呼——“胖五”。为什么长征五号的优势如此显著?头条创作者袁岚峰(头条号:@科技袁人袁岚峰)通过视频做了详细的解答,他在今日头条上拥有150万粉丝,另一个身份是中国科学技术大学副研究员,博士生导师。
袁岚峰在视频中讲解长征五号
在视频里,袁岚峰解释道,问题的关键在于燃料。长征五号芯级发动机使用液氢作为还原剂,液氧作为氧化剂,和此前常用的偏二甲肼和四氧化二氮相比,单位质量燃料释放的化学能提高了很多,喷射速度也得到提升。这直接决定了运载火箭的载荷能力。
丨嫦娥为何不辞辛苦去月球挖土?
1978年,美国卡特总统顾问布热津斯基在访华期间,向中国赠送了一份贵重的礼物——月壤。然而,这份月壤的重量仅有1克。它被放置在凸面镜的装置里,看着跟指甲盖那样大,实际的体积还不如一粒黄豆。
虽然只有一个子儿,也还要掰开来花。其中的0.5克月壤用来做研究,另外的一半被送到了北京天文馆。主持这次研究的科学家叫欧阳自远,他和同事们花了4个月的时间,通过对这0.5克月壤的研究,发表了14篇论文。
多年以后,欧阳自远成为了中国探月工程首任首席科学家,被誉为“嫦娥之父”,负责此次嫦娥五号的探月任务。而此次采集月壤的重量达到2千克,相比于42年前的1克,有了很大的飞跃。《亮剑》里的李云龙可能也会感叹,从来没有打过这么富裕的仗。
对于月壤的研究有助于确定月球的历史,并进一步了解月球上的矿藏情况。梁毅辰是西安航天学院飞行器设计专业的一名讲师,他的另一个身份是科普创作者,在今日头条上的账号“@Mr苟胜”已经积累了44万粉丝。24日凌晨4点30分,嫦娥五号探测器发射升空的时候,Mr苟胜就在海南文昌,受人民视频邀请,参与当晚的发射直播。
两天前,Mr苟胜专门录制了一期视频,讲述月球上的矿藏,发布在今日头条上。据他介绍,月球上矿产丰富,比如钛铁矿和稀土资源。据统计,光是在月球的玄武岩中,就有1000万到2000万亿吨钛铁矿。
Mr苟胜在视频里讲解月球矿藏
但话说回来,月球上最受关注的矿藏是储存量巨大的氦-3。这是氦气的一种同位素,也是一种非常理想的核燃料。虽然我国目前掌握了可控核裂变技术,但这种技术会产生大量的核废料,在很长的时间里都具有危险的放射性。
而氦-3可以帮助实现可控核聚变。要知道,聚变产生的核废料会少很多,放射性危害也就小很多,更加清洁和安全。但问题在于,地球上能够被人类使用的氦-3储量只有半吨左右,而月球上可以被开采的氦-3却足足有70多万吨。
然而,让嫦娥独自把这些成吨的矿藏扛回地球并不现实。据Mr苟胜在视频中介绍,一个可操作的方案是,未来在月球建立基地,提炼出纯度更高的氦-3元素,再运回地球。
经典科幻电影《月球》就讲述了这样的故事。在影片里的未来世界,地球污染越来越严重,能源也面临枯竭。一家公司致力于月球能源开发,在月球上设立了基地,通过采集氦-3来满足地球对能源的需求。
《月球》里的经典一幕
丨如何从太空朝大气层“打水漂”?
把样本从月球上带回地球,并不是一件容易的事情,此前只有苏联和美国做到过。要实现有去有回,除了探测和挖矿设备,还需要一套火箭系统,把探测器从月球发射回来。因此,相比于此前的四次探月,嫦娥这次的“行李”要多也更重,需要更强大的火箭,所以这次使用了我国目前最大的长征5号火箭,也就是人们经常所说的“胖五”。
嫦娥五号分为四个部分,分别是上升器、着陆器、返回器和轨道器。在到达月球之后,只有上升器和着陆器会降落到月球表面,而返回器和轨道器将在月球轨道上待命。着陆将由探测器自主完成,背后是人工智能技术,可以说,探测器很聪明,会判断着落地点是否安全。在完成采矿的任务之后,着陆器会留下来,上升器则发射返回。
Mr苟胜讲解嫦娥五号探测器结构
上升器在返回月球轨道之后,需要跟返回器和轨道器完成无缝对接。中国探月工程首任首席科学家欧阳自远院士在去年曾经表示,这是“针尖与针尖的对接”,地球上根本无法提供数据和测控支持,需要嫦娥五号“自己”来完成,其背后同样是人工智能技术。
对接之后,上升器将月壤样本送到返回器中,再由轨道器推动它们返程,最终,返回器将回到地球。由于速度过快,直接进入大气层,可能无法抵抗住强烈的气动加热。因此,工程师们想出了一个巧妙的方式,让返回器以一个较小的角度切入大气层,遇到大气阻力,可以有效降低返回器自身的速度。
“太空水漂”
同时,大气层会提供升力,让返回器脱离大气层。此时再采取半弹道式的着陆方式,进入大气层,最终降落到内蒙古境内的四子王旗。整个过程类似于打水漂。落地之后,此次探月之旅将完成所有旅程,而新一阶段的探月征程才刚刚开始。

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