北京時間今天凌晨4:30，嫦娥五號月球探測器在海南文昌航天發(fā)射場，由中國最強火箭——長征五號遙五運載火箭發(fā)射升空。

這是中國探月工程第六次任務，也是中國航天史上最復雜的一次任務，中國將首次在月球上“挖土”并帶回地球。

嫦娥五號幾乎匯聚了目前中國航天所有最頂級的技術，而這次發(fā)射也將是中國載人登月的一次超前預演，為十年后的載人登月進行技術驗證。

4個月前發(fā)射的火星探測器“天問一號”已經(jīng)在太空中飛行了3億公里，嫦娥五號讓中國航天再次開啟了一個全新的篇章。

一、中國航天史上最復雜的一次任務

隨著嫦娥五號的發(fā)射成功，中國的探月工程第一階段的任務也進入尾聲。按照在2004年立項的中國探月工程規(guī)劃，嫦娥工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。

而無人月球探測又分為“繞、落、回”三步完成，即繞月飛行，著陸勘探，采樣返回，其中嫦娥一號到嫦娥四號已經(jīng)完成了前兩步，而嫦娥五號將完成最后的“回”，這也是嫦娥系列迄今為止最復雜、技術難度最高的一次任務。

正因如此，嫦娥五號月球探測器的結構也最為復雜，由4個主要部件——軌道器、著陸器、上升器和返回器組成，而此前的四個嫦娥探測器只有1～3個主要部件組成。

嫦娥五號將實現(xiàn)中國航天史上的的四個“首次”：

首次在月球表面自動采樣；

首次從月面起飛；

首次在 38 萬公里以外的月球軌道上進行無人交會對接；

首次帶著月球土壤以接近第二宇宙速度返回地球。

為什么說嫦娥五號將是中國航天史上最復雜的一次任務？基本就體現(xiàn)在這四個“首次”里了。

首次在月球表面自動采樣

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，距離現(xiàn)在已經(jīng)過去了44年。

讓探測器在月球上軟著陸，并挖一捧土其實并不算難，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。

當嫦娥五號探測器通過打鉆和機械臂采集月壤樣本之后，將送入上升器中，需要進行第一次封裝，防止樣本在離開月球的過程中出現(xiàn)損耗和遭到污染。

“阿波羅”飛船載人登月采集樣本時，就曾因為樣本密封出現(xiàn)了問題，導致月球土壤被污染。

據(jù)探月工程副總設計師于登云介紹，由于月球引力只有地球的六分之一，對采樣封裝技術的要求也將更高，才能保證取回的樣本有效，這是此前從未嘗試過的。

首次從月面起飛

在過去幾次探月任務中，都只需要執(zhí)行一次發(fā)射。而嫦娥五號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難度等級。

關注過火箭發(fā)射的讀者應該也知道，在地球上的發(fā)射任務需要發(fā)射場提供完備的保障體系，除了發(fā)射塔架的固定，還有大量工程師實時的維護和調(diào)整，以保證發(fā)射順利進行。

然而在月球上，這些保障措施幾乎都無法提供，不可控的因素也大大增加，發(fā)射平臺是否平穩(wěn)，角度是否準確，地球上的工程師都不能實時監(jiān)控。

而這一切都需要嫦娥五號自己來完成，因此嫦娥五號采用了更先進的人工智能系統(tǒng)，從著陸點的選取，到對發(fā)射地點的經(jīng)緯度、坡度、高程的調(diào)整，都將由嫦娥五號上的感應器收集數(shù)據(jù)后，再讓AI大腦自主完成。

首次在38萬公里以外的月球軌道上進行無人交會對接

按照計劃，這次嫦娥五號至少將攜帶2kg重的月球土壤樣本返回地球。而蘇聯(lián)過去3次月球采樣返回任務一共才帶回了約330g的土壤樣本。

為什么嫦娥五號一次就能帶回這么多樣本？這主要得益于在這次任務中采用的月球軌道無人交會對接技術。

四十多年前，蘇聯(lián)的月球探測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大大壓縮。

不僅如此，為了裝更多燃料，上升器的重量也會相應增加，這也加大了地面發(fā)射時運載火箭的壓力，那么可能連中國最強的運載火箭“胖五”也無法支持。

而月球軌道無人交會對接技術則解決了這個問題，探測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，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。

不過這個過程也將面臨兩大技術挑戰(zhàn)，一是如何讓上升器和返回器自主交匯對接，二是在樣本轉(zhuǎn)移過程中完成封裝。

其實類似的空間自主交匯對接在我國過去的神舟系列已經(jīng)成熟應用，但都是在地球軌道進行，地面站和人造衛(wèi)星可提供精準測距、定位、導航服務，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鍵，因為能否完好帶回樣本就是判斷嫦娥五號任務成敗的標準。如果沒有嚴密封裝，樣本可能就會在返回大氣層的過程中付之一炬。

因此就像在月面起飛一樣，嫦娥五號的人工智能系統(tǒng)將在這些過程中發(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，速度將達到接近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。

那么要保護返回器就要安裝更厚的防熱盾，這樣一來探測器重量又將增加了，能帶回的樣本也會更少。

因此嫦娥五號采用一種類似“打水漂”的方式進入大氣層，先利用大氣層的升力彈射出去，減速后再度進入大氣層。

其實早在2014年，嫦娥5號T1試驗器已經(jīng)首次試驗“打水漂”再入軌道，還拍下了一張拍地月合影的照片。

中國最強火箭“胖五”

另外值得一提的是，這次運載嫦娥五號上天的運載火箭“胖五”。四個月前“胖五”就已經(jīng)將天問一號送上太空。

之所以叫“胖五”，因為這是中國直徑最大的一支火箭，直徑芯級達到5米，此外還要捆綁4枚3.35米助推器，是個體重869噸的“大胖子”。

正是因為太胖了，“胖五”不能再像過去的火箭一樣通過鐵路運輸，因為這已經(jīng)超過鐵路橋洞的直徑，只能改由兩艘運輸船從海路抵達發(fā)射場。

“胖五”提升的不只是尺寸， 8臺液氧煤油發(fā)動機和4臺氫氧發(fā)動機，賦予了它國產(chǎn)火箭最猛的動力，起飛時的推力可以達到1000多噸。

此外液氧和液氫兩種推進劑分別要零儲存在零下183 ℃和零下253 ℃條件下儲存，這枚火箭又被稱為“冰箭”。

這樣的動力和體積給了“胖五”我國史上最強運載能力，它在近地軌道運載能力為25噸，直接在現(xiàn)役國產(chǎn)火箭基礎上提升了2.5倍以上。

雖然這比不上現(xiàn)役最強運輸火箭重型獵鷹火箭，但已經(jīng)邁入了國際一線行列。目前美俄的主力火箭，運輸能力也主要集中在20～30噸級別。

如果沒有這個量級的火箭，不僅嫦娥五號也無法順利發(fā)射，之后的載人登月和空間站計劃也根本不用想。

二、為什么要上月球“挖土”

如果一切順利，再過一段時間嫦娥五號將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸，這是人類之前從未到訪過的的月球區(qū)域。

為什么我們要千里迢迢來到月球表面“挖土”呢？因為這不僅能讓我們了解月球的演變史，對于研究太陽系45億年的變遷也有著重要意義。

比如嫦娥五號著陸的地區(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、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用后形成的月球土壤中，蘊藏著太陽活動的許多信息。

中國行星科學家團隊不久前在《自然·天文》雜志 發(fā)表的一項研究，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，還為揭示太陽系早期巨行星的動蕩歷史提供了新的思路和線索。

就像中國地質(zhì)大學（武漢）行星科學研究所教授肖龍所說的：

月壤即月球的土壤，雖然在月球上唾手可得，但是對地球人來說卻蘊藏著巨大的科學價值。

可是由于過去只有美蘇有能力從月球采樣，中國想要研究并不容易。目前中國僅有的1g月球土壤樣本，還是上世紀70年代中美建交后美國贈予中國的。

而且阿波羅號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，對于月球研究是不夠全面的。而在嫦娥五號帶回月球樣本后，中國就能對月球進行更進一步的研究。

此外探月工程首席科學家歐陽自遠也曾在一次采訪中提到為什么要探測月球，除了研究月球演變，月球還有豐富的能源。

歐陽自遠認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)在的化學能源、核電站都需要這種原料，這將為人類社會的永續(xù)發(fā)展提供重要的支撐。

三、下一個十年，中國人要登上月球了

在嫦娥五號任務順利完成后，下一階段就是載人登月了。

中國探月工程總設計師、中國工程院院士吳偉仁曾透露，中國載人登月將在2030年左右實現(xiàn)，并在月球南極建立國際月球科研站，在此之前嫦娥六號和七號將先后前往南極進行勘探。

實際上這次嫦娥五號的任務，也可以看作中國載人登月的一次預演。嫦娥五號月球軌道多次分離和對接，其實與美國阿波羅計劃載人登月的技術類似。當年美國在進行載人登月之前，同樣做過這樣的月球軌道交會對接試驗。

就像航天科普博主“太空精釀”所說，阿波羅飛船與嫦娥五號唯一的區(qū)別，就是載人與非載人了。當嫦娥五號的幾個主要器件升級為“艙”，并配備載人航天系統(tǒng)和登月裝備，就可以實現(xiàn)載人登月了。

中國探月工程副總設計師于登云也表示，嫦娥五號任務是在為未來載人登月做技術儲備。

除了中國，美國的NASA也已經(jīng)啟動了重返月球計劃，最快在2024年將再次進行載人登月。不過在十年后，美國很可能不再是唯一一個實現(xiàn)載人登月的國家了。

無論是中國還是美國，載人登月都不會是太空探索的終點。馬斯克希望將月球當作火星移民的中轉(zhuǎn)站，而歐陽自遠同樣認為，月球只是人類的跳板，人類最終可能還是要去火星上的。
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