北京時(shí)間今天凌晨4:30,嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng),由中國(guó)最強(qiáng)火箭——長(zhǎng)征五號(hào)遙五運(yùn)載火箭發(fā)射升空。
這是中國(guó)探月工程第六次任務(wù),也是中國(guó)航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù),中國(guó)將首次在月球上“挖土”并帶回地球。
嫦娥五號(hào)幾乎匯聚了目前中國(guó)航天所有最頂級(jí)的技術(shù),而這次發(fā)射也將是中國(guó)載人登月的一次超前預(yù)演,為十年后的載人登月進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。
4個(gè)月前發(fā)射的火星探測(cè)器“天問(wèn)一號(hào)”已經(jīng)在太空中飛行了3億公里,嫦娥五號(hào)讓中國(guó)航天再次開啟了一個(gè)全新的篇章。
一、中國(guó)航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù)
隨著嫦娥五號(hào)的發(fā)射成功,中國(guó)的探月工程第一階段的任務(wù)也進(jìn)入尾聲。按照在2004年立項(xiàng)的中國(guó)探月工程規(guī)劃,嫦娥工程分為“無(wú)人月球探測(cè)”“載人登月”和“建立月球基地”三個(gè)階段。
而無(wú)人月球探測(cè)又分為“繞、落、回”三步完成,即繞月飛行,著陸勘探,采樣返回,其中嫦娥一號(hào)到嫦娥四號(hào)已經(jīng)完成了前兩步,而嫦娥五號(hào)將完成最后的“回”,這也是嫦娥系列迄今為止最復(fù)雜、技術(shù)難度最高的一次任務(wù)。
正因如此,嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器的結(jié)構(gòu)也最為復(fù)雜,由4個(gè)主要部件——軌道器、著陸器、上升器和返回器組成,而此前的四個(gè)嫦娥探測(cè)器只有1~3個(gè)主要部件組成。
嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)中國(guó)航天史上的的四個(gè)“首次”:
首次在月球表面自動(dòng)采樣;
首次從月面起飛;
首次在 38 萬(wàn)公里以外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接;
首次帶著月球土壤以接近第二宇宙速度返回地球。
為什么說(shuō)嫦娥五號(hào)將是中國(guó)航天史上最復(fù)雜的一次任務(wù)?基本就體現(xiàn)在這四個(gè)“首次”里了。
首次在月球表面自動(dòng)采樣
人類上次在月球上采樣帶回,還要追溯到1976年的蘇聯(lián)月球24號(hào),距離現(xiàn)在已經(jīng)過(guò)去了44年。
讓探測(cè)器在月球上軟著陸,并挖一捧土其實(shí)并不算難,嫦娥系列也早已能夠做到。真正難的是完好地封裝月球土壤。
當(dāng)嫦娥五號(hào)探測(cè)器通過(guò)打鉆和機(jī)械臂采集月壤樣本之后,將送入上升器中,需要進(jìn)行第一次封裝,防止樣本在離開月球的過(guò)程中出現(xiàn)損耗和遭到污染。
“阿波羅”飛船載人登月采集樣本時(shí),就曾因?yàn)闃颖久芊獬霈F(xiàn)了問(wèn)題,導(dǎo)致月球土壤被污染。
據(jù)探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云介紹,由于月球引力只有地球的六分之一,對(duì)采樣封裝技術(shù)的要求也將更高,才能保證取回的樣本有效,這是此前從未嘗試過(guò)的。
首次從月面起飛
在過(guò)去幾次探月任務(wù)中,都只需要執(zhí)行一次發(fā)射。而嫦娥五號(hào)除了要在地球上升空,還要在月球表面發(fā)射,一下就提高了好幾個(gè)難度等級(jí)。
關(guān)注過(guò)火箭發(fā)射的讀者應(yīng)該也知道,在地球上的發(fā)射任務(wù)需要發(fā)射場(chǎng)提供完備的保障體系,除了發(fā)射塔架的固定,還有大量工程師實(shí)時(shí)的維護(hù)和調(diào)整,以保證發(fā)射順利進(jìn)行。
然而在月球上,這些保障措施幾乎都無(wú)法提供,不可控的因素也大大增加,發(fā)射平臺(tái)是否平穩(wěn),角度是否準(zhǔn)確,地球上的工程師都不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。
而這一切都需要嫦娥五號(hào)自己來(lái)完成,因此嫦娥五號(hào)采用了更先進(jìn)的人工智能系統(tǒng),從著陸點(diǎn)的選取,到對(duì)發(fā)射地點(diǎn)的經(jīng)緯度、坡度、高程的調(diào)整,都將由嫦娥五號(hào)上的感應(yīng)器收集數(shù)據(jù)后,再讓AI大腦自主完成。
首次在38萬(wàn)公里以外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接
按照計(jì)劃,這次嫦娥五號(hào)至少將攜帶2kg重的月球土壤樣本返回地球。而蘇聯(lián)過(guò)去3次月球采樣返回任務(wù)一共才帶回了約330g的土壤樣本。
為什么嫦娥五號(hào)一次就能帶回這么多樣本?這主要得益于在這次任務(wù)中采用的月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)。
四十多年前,蘇聯(lián)的月球探測(cè)器在采樣后都是從月球表面直接起飛返回地球,那么上升器自然需要更大的動(dòng)力,因此必需裝載更多的燃料,留給月球土壤樣本的空間就會(huì)大大壓縮。
不僅如此,為了裝更多燃料,上升器的重量也會(huì)相應(yīng)增加,這也加大了地面發(fā)射時(shí)運(yùn)載火箭的壓力,那么可能連中國(guó)最強(qiáng)的運(yùn)載火箭“胖五”也無(wú)法支持。
而月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接技術(shù)則解決了這個(gè)問(wèn)題,探測(cè)器采樣后不直接飛回地球,而是由上升器將土壤樣本轉(zhuǎn)移到月球軌道上飛行的返回器中,再由返回器帶回地球。
這樣一來(lái),上升器需要飛行的距離就大大縮短,只需要少量燃料,那就能將更多的空間給土壤樣本了。
不過(guò)這個(gè)過(guò)程也將面臨兩大技術(shù)挑戰(zhàn),一是如何讓上升器和返回器自主交匯對(duì)接,二是在樣本轉(zhuǎn)移過(guò)程中完成封裝。
其實(shí)類似的空間自主交匯對(duì)接在我國(guó)過(guò)去的神舟系列已經(jīng)成熟應(yīng)用,但都是在地球軌道進(jìn)行,地面站和人造衛(wèi)星可提供精準(zhǔn)測(cè)距、定位、導(dǎo)航服務(wù),可在月球軌道上這些資源則匱乏得多。
而樣本的封裝同樣關(guān)鍵,因?yàn)槟芊裢旰脦Щ貥颖揪褪桥袛噫隙鹞逄?hào)任務(wù)成敗的標(biāo)準(zhǔn)。如果沒(méi)有嚴(yán)密封裝,樣本可能就會(huì)在返回大氣層的過(guò)程中付之一炬。
因此就像在月面起飛一樣,嫦娥五號(hào)的人工智能系統(tǒng)將在這些過(guò)程中發(fā)揮重要作用。
首次帶著月壤以接近第二宇宙速度返回地球
此外在返回器帶著樣本返回地球時(shí),速度將達(dá)到接近11.2km/s的第二宇宙速度,比神舟系列飛船返回地球時(shí)的第一宇宙速度快得多,如果直接沖入大氣層,將產(chǎn)生更大的熱量。
那么要保護(hù)返回器就要安裝更厚的防熱盾,這樣一來(lái)探測(cè)器重量又將增加了,能帶回的樣本也會(huì)更少。
因此嫦娥五號(hào)采用一種類似“打水漂”的方式進(jìn)入大氣層,先利用大氣層的升力彈射出去,減速后再度進(jìn)入大氣層。
其實(shí)早在2014年,嫦娥5號(hào)T1試驗(yàn)器已經(jīng)首次試驗(yàn)“打水漂”再入軌道,還拍下了一張拍地月合影的照片。
中國(guó)最強(qiáng)火箭“胖五”
另外值得一提的是,這次運(yùn)載嫦娥五號(hào)上天的運(yùn)載火箭“胖五”。四個(gè)月前“胖五”就已經(jīng)將天問(wèn)一號(hào)送上太空。
之所以叫“胖五”,因?yàn)檫@是中國(guó)直徑最大的一支火箭,直徑芯級(jí)達(dá)到5米,此外還要捆綁4枚3.35米助推器,是個(gè)體重869噸的“大胖子”。
正是因?yàn)樘至?,“胖五”不能再像過(guò)去的火箭一樣通過(guò)鐵路運(yùn)輸,因?yàn)檫@已經(jīng)超過(guò)鐵路橋洞的直徑,只能改由兩艘運(yùn)輸船從海路抵達(dá)發(fā)射場(chǎng)。
“胖五”提升的不只是尺寸, 8臺(tái)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),賦予了它國(guó)產(chǎn)火箭最猛的動(dòng)力,起飛時(shí)的推力可以達(dá)到1000多噸。
此外液氧和液氫兩種推進(jìn)劑分別要零儲(chǔ)存在零下183 ℃和零下253 ℃條件下儲(chǔ)存,這枚火箭又被稱為“冰箭”。
這樣的動(dòng)力和體積給了“胖五”我國(guó)史上最強(qiáng)運(yùn)載能力,它在近地軌道運(yùn)載能力為25噸,直接在現(xiàn)役國(guó)產(chǎn)火箭基礎(chǔ)上提升了2.5倍以上。
雖然這比不上現(xiàn)役最強(qiáng)運(yùn)輸火箭重型獵鷹火箭,但已經(jīng)邁入了國(guó)際一線行列。目前美俄的主力火箭,運(yùn)輸能力也主要集中在20~30噸級(jí)別。
如果沒(méi)有這個(gè)量級(jí)的火箭,不僅嫦娥五號(hào)也無(wú)法順利發(fā)射,之后的載人登月和空間站計(jì)劃也根本不用想。
二、為什么要上月球“挖土”
如果一切順利,再過(guò)一段時(shí)間嫦娥五號(hào)將在月球正面最大的月海風(fēng)暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,這是人類之前從未到訪過(guò)的的月球區(qū)域。
為什么我們要千里迢迢來(lái)到月球表面“挖土”呢?因?yàn)檫@不僅能讓我們了解月球的演變史,對(duì)于研究太陽(yáng)系45億年的變遷也有著重要意義。
比如嫦娥五號(hào)著陸的地區(qū),就存在著大約13億至20億年前的玄武巖。而月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽(yáng)風(fēng)轟擊和宇宙射線輻射等空間風(fēng)化作用后形成的月球土壤中,蘊(yùn)藏著太陽(yáng)活動(dòng)的許多信息。
中國(guó)行星科學(xué)家團(tuán)隊(duì)不久前在《自然·天文》雜志 發(fā)表的一項(xiàng)研究,就根據(jù)月球土壤的演變,發(fā)現(xiàn)地月系統(tǒng)遭受的撞擊物在35億年前后發(fā)生了變化,還為揭示太陽(yáng)系早期巨行星的動(dòng)蕩歷史提供了新的思路和線索。
就像中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)行星科學(xué)研究所教授肖龍所說(shuō)的:
月壤即月球的土壤,雖然在月球上唾手可得,但是對(duì)地球人來(lái)說(shuō)卻蘊(yùn)藏著巨大的科學(xué)價(jià)值。
可是由于過(guò)去只有美蘇有能力從月球采樣,中國(guó)想要研究并不容易。目前中國(guó)僅有的1g月球土壤樣本,還是上世紀(jì)70年代中美建交后美國(guó)贈(zèng)予中國(guó)的。
而且阿波羅號(hào)帶回的月球樣本大多集中在月球正面中低緯度的月海區(qū)域,年齡集中在42~32億年前,對(duì)于月球研究是不夠全面的。而在嫦娥五號(hào)帶回月球樣本后,中國(guó)就能對(duì)月球進(jìn)行更進(jìn)一步的研究。
此外探月工程首席科學(xué)家歐陽(yáng)自遠(yuǎn)也曾在一次采訪中提到為什么要探測(cè)月球,除了研究月球演變,月球還有豐富的能源。
歐陽(yáng)自遠(yuǎn)認(rèn)為月球的土壤里面還含有一種非常重要的終極能源原料,我們現(xiàn)在的化學(xué)能源、核電站都需要這種原料,這將為人類社會(huì)的永續(xù)發(fā)展提供重要的支撐。
三、下一個(gè)十年,中國(guó)人要登上月球了
在嫦娥五號(hào)任務(wù)順利完成后,下一階段就是載人登月了。
中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師、中國(guó)工程院院士吳偉仁曾透露,中國(guó)載人登月將在2030年左右實(shí)現(xiàn),并在月球南極建立國(guó)際月球科研站,在此之前嫦娥六號(hào)和七號(hào)將先后前往南極進(jìn)行勘探。
實(shí)際上這次嫦娥五號(hào)的任務(wù),也可以看作中國(guó)載人登月的一次預(yù)演。嫦娥五號(hào)月球軌道多次分離和對(duì)接,其實(shí)與美國(guó)阿波羅計(jì)劃載人登月的技術(shù)類似。當(dāng)年美國(guó)在進(jìn)行載人登月之前,同樣做過(guò)這樣的月球軌道交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。
就像航天科普博主“太空精釀”所說(shuō),阿波羅飛船與嫦娥五號(hào)唯一的區(qū)別,就是載人與非載人了。當(dāng)嫦娥五號(hào)的幾個(gè)主要器件升級(jí)為“艙”,并配備載人航天系統(tǒng)和登月裝備,就可以實(shí)現(xiàn)載人登月了。
中國(guó)探月工程副總設(shè)計(jì)師于登云也表示,嫦娥五號(hào)任務(wù)是在為未來(lái)載人登月做技術(shù)儲(chǔ)備。
除了中國(guó),美國(guó)的NASA也已經(jīng)啟動(dòng)了重返月球計(jì)劃,最快在2024年將再次進(jìn)行載人登月。不過(guò)在十年后,美國(guó)很可能不再是唯一一個(gè)實(shí)現(xiàn)載人登月的國(guó)家了。
無(wú)論是中國(guó)還是美國(guó),載人登月都不會(huì)是太空探索的終點(diǎn)。馬斯克希望將月球當(dāng)作火星移民的中轉(zhuǎn)站,而歐陽(yáng)自遠(yuǎn)同樣認(rèn)為,月球只是人類的跳板,人類最終可能還是要去火星上的。
責(zé)任編輯:tzh
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