奔月之旅步步創(chuàng)新

姜天驕

11月24日，我國成功發(fā)射探月工程嫦娥五號探測器。專家介紹，本次嫦娥五號的科學(xué)探測任務(wù)主要是開展著陸點(diǎn)區(qū)域形貌探測與地質(zhì)背景勘察，獲取與月球樣品相關(guān)的現(xiàn)場分析數(shù)據(jù)，建立現(xiàn)場探測數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室分析數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系;對月球樣品開展系統(tǒng)長期實(shí)驗(yàn)室研究，分析月壤結(jié)構(gòu)、物理特性、物質(zhì)組成，深化月球成因與演化歷史研究。

作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的收官之作，嫦娥五號有望實(shí)現(xiàn)我國航天史上多個“首次”。

首次月面自動采樣與封裝。作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一，月球表面自動采樣封裝是嫦娥五號任務(wù)中最引人注目的一個環(huán)節(jié)。在這個階段，嫦娥五號探測器將在月面選定區(qū)域著陸，并采集月壤，實(shí)現(xiàn)我國首次月面自動采樣與封裝。為此，中國航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們?yōu)殒隙鹞逄柧脑O(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。當(dāng)嫦娥五號著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面后，就會開始為期兩天的月面工作，采集約2千克月壤并密封封裝，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會對接、月地轉(zhuǎn)移與再入回收等過程將月球樣品安全送回地球家園。

首次月面起飛上升。當(dāng)嫦娥五號探測器完成月面工作后，就要踏上“回家”的旅程。回家第一步如果順利邁出，將會突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。嫦娥五號順利完成月壤采樣封裝后，上升器就要準(zhǔn)備月面點(diǎn)火起飛了。運(yùn)載火箭在地球起飛是有一套完備發(fā)射塔架系統(tǒng)的。月面起飛就不一樣了，由于月球表面環(huán)境復(fù)雜，這給著陸器起飛帶來了很大難度。此外，嫦娥五號在月面起飛必須依靠自身力量實(shí)現(xiàn)起飛時的自主定位、定姿。

首次實(shí)現(xiàn)月球軌道交會對接。當(dāng)著陸器托舉上升器實(shí)現(xiàn)月面起飛上升后，嫦娥五號一路飛奔而去。但僅依靠上升器是不可能實(shí)現(xiàn)返回地球的，它需要飛到月球軌道上與軌返組合體交會對接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器。然而，在38萬公里外的月球軌道上實(shí)施無人交會對接不僅在我國尚屬首次，在人類航天史上也是第一次。

首次帶月壤高速再入返回地球。當(dāng)返回器帶著月壤從38萬公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來，這時它的飛行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度，一般從近地軌道返回的航天器速度則大多為每秒8公里的第一宇宙速度。這每秒3公里的差距給航天器再入返回地球帶來巨大難度，一旦速度過猛，返回器就會一頭撞向地球。因此，在這一過程中必須讓返回器減速飛行。對此，科研人員創(chuàng)新提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，就像在太空打水漂一樣，讓返回器先是高速進(jìn)入大氣層初次減速，再借助大氣層提供的升力躍出大氣層，然后再入大氣層二次減速，最后返回地面，確保嫦娥五號安全順利降落。

月球表面有一層廣泛分布的厚2米至15米的月壤，對地球上的人來說，其蘊(yùn)藏著巨大科學(xué)價(jià)值。據(jù)中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）行星科學(xué)研究所教授肖龍介紹，“月壤中有大量月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質(zhì)。科學(xué)家通過研究這些月壤物質(zhì)，既可以了解月球的地質(zhì)演化歷史，也可以為了解太陽活動等提供必要信息”。

此外，月壤還擁有豐富資源。專家介紹，科研人員通過研究發(fā)現(xiàn)，月壤中含有大量微小橘紅色玻璃形式顆粒，這些顆粒一般富含鋁、硫和鋅。通過對樣品的實(shí)驗(yàn)與分析證實(shí)，月壤和月巖中氧化鐵的含量也很高，從中可以制取水和氧，未來可利用月面物質(zhì)支持月球基地運(yùn)行，并為登月飛行器補(bǔ)充燃料。更重要的是，科學(xué)家還在采回的樣品中發(fā)現(xiàn)了核聚變理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗規(guī)模，月球上的氦-3用于核聚變發(fā)電后，能夠滿足人類約1萬年的能源需求。此外，由于月壤處于月球最表層，具有松散、細(xì)顆粒與易于開采的特點(diǎn)，是未來月球科研站建設(shè)、采礦、修路、資源提取的首選目標(biāo)。

此次嫦娥五號的任務(wù)目標(biāo)是從月球上帶回約2千克月壤。具體來說，通過表取的方式在月表采集1.5千克樣品，采樣機(jī)構(gòu)重幾十公斤;通過鉆取的方式采集0.5千克樣品，采樣機(jī)構(gòu)重七八十公斤。這100多公斤采樣機(jī)構(gòu)都要由探測器運(yùn)送到月球表面，對火箭運(yùn)載能力是個巨大考驗(yàn)。