出品：科普中國

　　制作：太空精釀

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　據(jù)國家航天局消息，2020年11月24日04時(shí)30分，中國文昌航天發(fā)射場，長征五號運(yùn)載火箭將我國嫦娥五號探測器成功送入奔向月球的旅程！

　　火箭起飛瞬間（圖片來源：央視新聞）

　　從嫦娥一號到五號，中國航天再上新高度

　　月球是地球最近的鄰居，也是唯一的天然衛(wèi)星，是出現(xiàn)在各個(gè)人類文明中的重要元素，也是幾千年來中國神話傳說和文人騷客們魂?duì)繅衾@的所在。

　　經(jīng)過幾十年的發(fā)展，中國航天在新世紀(jì)進(jìn)入新階段，把深空探測列入重點(diǎn)發(fā)展方向之一。對月球的探測也成為焦點(diǎn)，這便是著名的嫦娥探月工程。它正式始于2004年，采用“繞、落、回”三步走發(fā)展戰(zhàn)略全方位研究月球，目前已經(jīng)取得了數(shù)次任務(wù)的巨大成功。

　　△2014年10月發(fā)射的嫦娥五號T1試驗(yàn)器拍攝的地球和月球合影國家航天局

　　2007年10月24日，嫦娥一號掀開了嫦娥探月工程的大幕，全方位研究了月球的總體情況。

　　2010年10月1日，嫦娥二號發(fā)射，進(jìn)一步挑戰(zhàn)全新技術(shù)，結(jié)束月球探測任務(wù)后，飛過距離地球150萬千米的日地拉格朗日二點(diǎn)，隨后，飛掠圖塔蒂斯小行星。

　　2013年12月14日，嫦娥三號和玉兔一號成功軟著陸月球，成為37年內(nèi)再次訪問月球的人類使者，嫦娥三號至今仍保有一定工作能力，工作時(shí)長創(chuàng)下了人類月球探測的新紀(jì)錄。

　　2014年11月1日，嫦娥五號T1試驗(yàn)器出發(fā)，驗(yàn)證嫦娥五號采樣返回任務(wù)的技術(shù)儲(chǔ)備。

　　2018年5月21日，鵲橋號出發(fā)，成為人類唯一地球/月球背后通信中繼衛(wèi)星；2019年1月3日，嫦娥四號和玉兔二號成功著陸月球背面南極-艾特肯盆地，實(shí)現(xiàn)人類探測器首次在月球背面軟著陸。

　　△嫦娥四號/玉兔二號/鵲橋號任務(wù) 國家航天局

　　而嫦娥五號是嫦娥探月工程中“回”（采樣返回）這一步的核心任務(wù)，在任務(wù)執(zhí)行期間，它將連續(xù)實(shí)現(xiàn)一系列極限挑戰(zhàn)，都是中國航天前所未有的新高度，標(biāo)志著嫦娥探月工程的歷史性突破。這次任務(wù)更是人類在時(shí)隔44年后再次嘗試獲取月球土壤樣本，對中國探月、乃至整個(gè)人類探月有著劃時(shí)代的重要意義。

　　探測器重8.2噸 人類史上最復(fù)雜無人探月任務(wù)有多難？

　　嫦娥五號探測器組合體總重達(dá)8.2噸，是人類無人探月史上最復(fù)雜、最重的探測器。

　　這樣的重量意味著，把它發(fā)射到38萬千米外的月球并非易事，這項(xiàng)重任交給了中國航天目前最為強(qiáng)大的長征五號系列運(yùn)載火箭。目前，長征五號已有基本型和長征五號B兩個(gè)型號：前者采用兩級半構(gòu)型，已發(fā)射4次、專注于高軌大型任務(wù)，例如天問一號和實(shí)踐二十號等著名載荷；后者采用一級半構(gòu)型，已發(fā)射1次、專注于近地重型任務(wù)，例如我國新一代載人飛船試驗(yàn)船。

　　嫦娥五號的重量已非常接近長征五號火箭基本型對理論地月轉(zhuǎn)移軌道極限運(yùn)力，也將通過這次“長五遙五送嫦五”的任務(wù)全面證明“胖五”的強(qiáng)大實(shí)力。

　　△長征五號基本型和B型運(yùn)載火箭對比圖Memorian-QN

　　嫦娥五號由軌道器、返回器、著陸器和上升器四大部分組成。

　　其中，軌道器主要負(fù)責(zé)往返月球期間的動(dòng)力、能量、通信和交會(huì)對接需求等；著陸器負(fù)責(zé)攜帶上升器順利降落月球，完成月面打鉆采樣、機(jī)械臂抓取采樣和相關(guān)科研任務(wù)；上升器負(fù)責(zé)攜帶收集的月壤樣本，離開月球表面，與軌道器再次對接，將月壤轉(zhuǎn)移至返回器中；返回器負(fù)責(zé)保管月壤采樣樣本，重返地球大氣并被安全回收。

　　△嫦娥五號月球采樣返回任務(wù)全程（圖片來源見水?。?/p>

　　嫦娥五號探測器要實(shí)現(xiàn)組合體制動(dòng)繞月、軟著陸月球、兩種方式采集月壤樣本、月球上空交會(huì)對接、返回地球并著陸等一系列高難度操作，它的軌道器、著陸器和上升器都需要攜帶獨(dú)立卻各自功能不同的復(fù)雜推進(jìn)系統(tǒng)，是人類無人探測月球的難度之最。整體難度可以說是大幅超過1976年的蘇聯(lián)月球24號任務(wù)，那是人類最近一次月球采樣返回。

　　在搭乘長征五號火箭離開地球后，嫦娥五號的軌道器負(fù)責(zé)主要推進(jìn)工作，它需要完成軌道保持和數(shù)次修正，瞄準(zhǔn)月球?？拷虑蚝?，制動(dòng)工作，進(jìn)入環(huán)月軌道。

　　隨后，著陸器攜帶上升器擇機(jī)分離并著陸月球。為最大限度獲得高質(zhì)量月壤樣本，著陸器會(huì)通過打鉆和機(jī)械臂抓取兩種方式采集約2千克月壤并封存。

　　上升器依托著陸器為發(fā)射平臺(tái)，脫離月球引力后，還需要與軌道器在距離地球38萬千米外的月球附近完成高難度的自動(dòng)交會(huì)對接。

　　隨后，上升器需要把所有樣本轉(zhuǎn)移到返回器中。軌道器與上升器分離，僅攜帶返回器飛回地球。

　　最后，軌道器再與返回器分離，僅返回器著陸地球。

　　嫦娥五號要面對的技術(shù)突破眾多，且難度極高，我們這里不詳細(xì)展開，只看返回器返回地球這最后一步，大家就知道我所言非虛。

　　返回器經(jīng)由軌道器送到地球附近時(shí)，速度會(huì)逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），這個(gè)速度實(shí)在太快了，要知道，普通返回式衛(wèi)星返回地球時(shí)基本都是第一宇宙速度（7.9千米/秒）級別。如果以接近11.2千米/秒的速度直接沖進(jìn)大氣層，巨大的摩擦和沖擊可能會(huì)讓返回器焚毀。因此，返回器將采取在大氣層邊緣多次“打水漂”的滑躍式返回方式，進(jìn)行多次減速。其中每一次與大氣的接觸都需要經(jīng)過精準(zhǔn)計(jì)算，最終讓返回器以安全速度沖入大氣，通過氣動(dòng)減速和降落傘減速等方式，準(zhǔn)確安全地降落在預(yù)定著陸場。

　　最后一小步的難度尚且如此，整個(gè)嫦娥五號任務(wù)的難度可想而知！

　　△阿波羅登月載人飛船與嫦娥五號探測器的對比圖（圖片來源見水?。?/p>

　　我們甚至可以將嫦娥五號與阿波羅登月飛船進(jìn)行對比，二者都包括四大組成模塊、都要實(shí)現(xiàn)近乎完全相同的技術(shù)步驟，最大的區(qū)別就在于載人探測和無人探測，這也從另一個(gè)角度說明嫦娥五號的難度已然遠(yuǎn)超其他無人探月任務(wù)。阿波羅登月的背后，有徘徊者、勘測者、月球軌道計(jì)劃三個(gè)無人月球探測項(xiàng)目做鋪墊，前后發(fā)射了21個(gè)任務(wù)。而我國的嫦娥探月工程在嫦娥五號時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了最大的技術(shù)難度跨越，效率和執(zhí)行力都非常值得肯定。

　　嫦娥五號已經(jīng)出發(fā) 六七八號還遠(yuǎn)嗎？

　　在通過嫦娥一號到五號任務(wù)完成探月工程“繞、落、回”三步之余，我國探月的腳步仍未停止，探月四期任務(wù)已經(jīng)在規(guī)劃中。嫦娥六號計(jì)劃在月球南極進(jìn)行采樣返回，嫦娥七號計(jì)劃開展對月球地形地貌、物質(zhì)成份、空間環(huán)境的綜合探測，嫦娥八號將集中于科學(xué)探測試驗(yàn)和關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步突破。

　　根據(jù)中國航天局發(fā)布的消息，為了與國際上的其他月球探測任務(wù)相結(jié)合，我國計(jì)劃在下一個(gè)十年建立小型國際月球科研站，邀請歐洲航天局和俄羅斯宇航局參與。這個(gè)科研站的目標(biāo)是支持長時(shí)段、較大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用。2030-2035年間，還會(huì)對其進(jìn)行擴(kuò)展，滿足短期有人值守、長期自動(dòng)運(yùn)行的需求。最終，于2036年至2045年間，建成綜合型的月球基地，實(shí)現(xiàn)人類長期駐留，并完成全面、大規(guī)模的科學(xué)探測、技術(shù)試驗(yàn)與月球資源開發(fā)利用。由于月球條件惡劣、資源貧瘠，全封閉的基地完全實(shí)現(xiàn)自給自足會(huì)比較困難，保持定期的地月往返航班將是維持基地運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。

　　△全人類也在期待能通過國際合作，建立人類在月球的第二家園 NASA

　　寫在最后

　　最后，筆者想借機(jī)談一點(diǎn)自己的親身經(jīng)歷。

　　大約十幾年前，筆者有幸聆聽了我國月球探測工程首席科學(xué)家、“嫦娥之父”歐陽自遠(yuǎn)院士的一場科普講座，他是我國研究天體化學(xué)與地球化學(xué)領(lǐng)域的巨擘，也領(lǐng)導(dǎo)了我國對月壤的研究。他在講座中提到，中國僅有1克月壤，是美國總統(tǒng)在中美恢復(fù)建交后贈(zèng)送。這1克實(shí)在太過珍貴，他們只敢拿出0.5克絞盡腦汁做各種科研，不讓中國人在這個(gè)領(lǐng)域落伍。而另外0.5克，則存放在北京天文館中，它應(yīng)該屬于全體中國人，讓所有中國人有親眼目睹月壤的機(jī)會(huì)。

　　此后，筆者又幸運(yùn)地在北京天文館做過科普講解志愿者，向觀眾們多次詳細(xì)介紹了那隔著放大鏡、認(rèn)真密封起來的0.5克月壤樣本。當(dāng)時(shí)我的解說詞都會(huì)以這句話結(jié)束：“中國嫦娥探月工程的第三步，就是獲得中國自己的月壤樣本，請大家繼續(xù)支持中國航天，我們期待嫦娥成功的那一天”。

　　如今，我們終于要做到了。