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上观新闻 2020-11-24

嫦娥五号为何要去月球“挖土”?这些“土”又如何运回地球?

嫦娥五号计划实现自动采集月壤再返回地球,是我国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一。嫦娥五号为何要去月球 " 挖土 "?此次月球之旅有哪些精彩看点?解放日报上观新闻记者采访了上海市宇航学会资深航天科普专家、上海宇航系统工程研究所技术顾问陶建中研究员,中国首位卡尔萨根奖得主、中科院国家天文台郑永春研究员。

【月壤里包含着许多重要信息】

月球上的 " 土 " 是怎样的?郑永春介绍,几乎整个月球表面都覆盖着一层细粉状的风化物质——月壤。科学家根据阿波罗登月任务采集的月球样品进行了分类,其中直径大于 1 厘米的颗粒,被当作岩石样品来进行研究,称为月岩;直径小于 1 厘米的颗粒,被当作土壤样品对待,按习惯也称为月壤,即狭义上的月壤。其中,颗粒直径小于 1 毫米的部分,是月壤中的主要组成部分,在大部分月壤样品中占总重量的 90% 以上。不管是月岩还是月壤,都采自月球的风化层。

嫦娥五号为何要去月球 " 挖土 "?郑永春介绍," 月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带,包含着相关区域的大量信息。月壤的研究不仅涉及月球本身,而且还包含太阳系空间的物质和能量的重要信息。"郑永春说,这些信息包括太阳系早期演化的历史记录;月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史;月球中挥发分的脱气历史;太阳风的组成和太阳表层的成分特征;小天体和微陨石撞击月球的历史记录,进而推断地球遭受小天体撞击的历史;月壳岩石圈的组成和分布特征等。因此,通过对月壤的研究,对于研究月球乃至地月系的演化历史具有重要意义。

除科学意义外,月壤还含有丰富的资源,包括稀有气体(特别是可用于可控核聚变的燃料氦 -3)、钛铁矿、克里普岩等。" 月壤处于月球的最表层,具有松散、非固结、细颗粒和易于开采的特点,通过对月壤的精细研究,可提供月球资源开发利用前景的重要信息,并为月球基地的选址提供重要的科学依据。"

郑永春强调,受限于现有技术能力,月球资源对地球上的人类有潜在的开发价值,还不具备商业开发的价值。但是,利用月壤在月球上就地生产一些建筑材料、铺设路面、生产氧气和水等,对于人类在月球上的长期居留是十分必要的。由于地球和月球之间运输费用十分昂贵,月壤资源的就地开发利用,可以大大降低经费投入。

月球上没有氧气、没有液态水、没有微生物,所以采集回地球的月球样品必须存放在充满氮气的密封箱内。" 避免月球样品被地球环境污染,隔绝氧气、水、生物,是月球样品保存最重要的课题之一。"

【采集月面 3 米以下的月壤 2 千克以上】

嫦娥五号将实现 4 个重大突破,即在月球外表主动采样;从月面起飞;在 38 万公里外的月球轨道进行无人交会对接;带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

"此次任务是长征五号遥五运载火箭的第二次应用性发射,此前它已成功发射我国首个火星探测器天问一号。"陶建中说,长征五号用于发射远程飞行器,相比到近地轨道的国际空间站,它需要一个更大的加速度,因此有效载荷必然减少。一般前往 400 多公里远的国际空间站,有效载荷可达 20 多吨,而此前去往火星的天问一号约 5 吨重,此次嫦娥五号前往 38 万公里远的月球,全重 8 吨。

陶建中介绍,嫦娥一号和嫦娥二号都是 " 绕 " 着月球转,拍下了月球地貌,嫦娥二号还顺便探测了距离地球 700 多万公里的图塔斯蒂号小行星;嫦娥三号是我国第一个在月球软着陆的无人探测器;嫦娥四号是世界上首个在月球背面软着陆的航天器;嫦娥五号的任务是采集月面 3 米以下的月壤 2 千克以上,再返回地球。目前,只有苏联和美国成功带回了月壤,苏联的无人登月器带回了 3.8 千克月壤,而美国阿波罗号的航天员分六次一共带回 381 千克月壤。

【以接近第二宇宙速度返回地球】

嫦娥五号此次月球之旅有哪些精彩看点?"月面定点软着陆;从月面上升至月球轨道;在月球轨道实现轨道器与上升器的交会对接;接近第二宇宙速度从月球轨道高速返回地面等都是亮点。"陶建中说。

" 为什么一定要软着陆?如果硬着陆,探测器会摔得粉身碎骨,就无法采样了。" 陶建中介绍,激光测距技术可以精确测量着陆器和月球表面的距离,而三维立体成像技术可以让着陆器选择在平坦地形下降。"着陆器的自主控制非常重要,包括在一定高度停留选择着陆点、控制反推火箭工作、姿态调整等。"

采集到月壤后,如何和轨道器交会对接? " 月壤由上升器送至月球轨道后,等待与轨道器交会对接。这一对接技术与载人航天里的交会对接很不一样。" 陶建中解释,载人航天交会对接采用异体同构周边式对接机构,中间有一个直径为 800 毫米的人孔,供人货通过。而月球轨道器与上升器对接是采用一种较轻巧的、弱撞击的抱爪式对接机构。

" 月壤从上升器转移至轨道器里的返回舱后,将以接近第二宇宙速度返回地球,此前也已专门进行了返回试验。"陶建中说,所谓第二宇宙速度,是指每秒 11.2 公里。而航天员从空间站返回地球,一般是低于第一宇宙速度,即每秒 7.9 公里。如此高的速度,将会与大气层摩擦产生 2 千摄氏度的高温,这就需要解决返回舱的防热问题,"我国在几年前就已经做过高速返回试验,解决了关键技术问题。"

栏目主编:黄海华 本文作者:黄海华 文字编辑:黄海华 题图来源:新华社 图片编辑:苏唯

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