嫦娥五号正式登月成功,赴月挖土有多难?

朱秋雨 总145期 2021年 1月号 环球视野

    《环球市长》杂志    GLOBAL MAYOR MAGAZINE

2020年12月17日,探月工程嫦娥五号返回器在内蒙古四子王旗预定区域成功着陆,标志着我国首次地外天体采样返回任务圆满完成。

而嫦娥五号轨道器却并未停歇,马不停蹄的飞往“日地拉格朗日L1点”进行环绕飞行并开展探测试验,算是给自己“加了个班”。

11月24日凌晨4时30分,在海南文昌航天发射场,“长征五号遥五”运载火箭成功发射“嫦娥五号”探测器。

火箭飞行约2200秒后,顺利将“嫦娥五号”送入预定轨道。执行首次月球采样任务的“嫦娥五号”,使得中国成为第三个将月球样品带回地球的国家。

上世纪60年代,美国国家航空航天局(NASA)的宇航员在阿波罗登月计划中,靠人力将累计380多千克的月球样品带回地球。冷战氛围下,苏联的一系列月球号无人飞行器,亦实现将共计300克的样品带回月球。

此前最后一次人类从月球带回样品,是在1976年的“月球24号”。

无独有偶,日本的小行星探测器“隼鸟2号”,12月6日将携带小行星尘土返回地球,创下人类在航空航天史上的又一壮举。

“婵娟”“寒月”“玉盘”,古人从地面仰视月亮,衍生了无数唯美的比喻。到了21世纪,中国无人探测器先后两次着陆月球,拍摄到了月球正面、背面高清图。

这属于2004年启动的嫦娥探月“绕”“落”“回”计划的一环。最终章“回”,是由“嫦娥五号”承担,任务、难度均为史上之最。“嫦娥五号”的探测器重达8200千克,远超之前的嫦娥系列飞行器,因而采用的是“长征五号”发射,而非平时的中型三号火箭。

作为史上最“胖”的月球探测器,“嫦娥五号”有四件套,相比于“嫦娥一号”“嫦娥二号”的一件套、“嫦娥三号”(2013年12月着陆至月球表面)的两件套、“嫦娥四号”(2019年1月在月球背面着陆)的三件套,恰恰能说明其所需承载采样返回任务之重。

厘米级高精度护送样品

有科学家评价,这项任务很多事情都可能出错:着陆器可能会坠地或翻倒,途中样本可能会从存储器中逃逸,但“我们都希望它能成功”。

从具体步骤来看,“嫦娥五号”先后要完成的是:发射火箭—从地球上空飞到月球上空—着陆在月球表面—在月球表面挖土采样—从月球表面起飞—从月球飞回地球上空—把样品扔回地球。

自第二步起,“嫦娥五号”到了月球轨道之后,四件套即开始两两分头行动:着陆器带着上升器登陆月球采样,轨道器带着返回器在环月轨道待命。

更难的步骤在后面。上升器在月球表面挖土采样结束后,需要离开月球表面,重返轨道,与在此等候的返回器和轨道器实现对接。接着,上升器将采到的样品通过轨道器转移到返回器,再由后者带样品回地球。

如何实现对接成了难题。各航天器组合器的重量相差较大,如果采取触碰式对接,上升器很容易被撞毁。因此,“嫦娥五号”在设计上,采用“搂紧”方式,类似双臂拉住单杠随后收紧。这种方式对精度要求极高,达到厘米级。中国空间技术研究院曾刊文评价,此步“技术环节多,研制难度大”。

事实上,中国虽然掌握空间交会对接技术,但以往神舟飞船与“空间一号”交会对接是在距地球400公里左右。“嫦娥五号”要实现的,是在距地球38万公里的月球轨道上完成对接,因而无法借助卫星导航的帮助。

待返回器“吞入”样品、关上盖子,上升器的任务也已完成,并迅速分离出来。轨道器和返回器组合体,则在预定时机加速进入月地转移轨道,重返地球怀抱。

带回样本,丰富月球演化史

人类最早上月球挖土的,即为1969年声名远扬的“阿波罗11号”。当时,坐在NASA马歇尔太空飞行中心总指挥位子上的冯·布劳恩,是横跨二战与美苏冷战时期的传奇人物。

他曾为纳粹德国研发出V-2导弹,而后又为美国研发“土星5号”运载火箭,成功将载人飞船送入月球轨道。宇航员阿姆斯特朗在月球上留下脚印的那一趟月球之旅,也为美国带回了21.6千克的月球样本。

苏联也不甘落后,虽然为登月项目配套的N-1巨型火箭在1960年代末相继发射失败,但其在1970年使用无人航天器“月球车16号”,带回了101克的月球样品。

美苏两国采回的月球样品,使人类第一次真正接触到有明确产地的月球物质,最终确定了月球一部分区域的绝对年龄,以此建立起了对月球45亿年演化历史的认知。

但在这其中,亦有大量空白和盲区。一个根本原因是,无论是阿波罗计划还是月球车计划,所登陆之处均不能代表较为年轻的月球表面。两国采回来的样品,大多来自月球正面中低纬度的月海区域,形成年龄集中在32亿至42亿年前。

而这次,“嫦娥五号”计划登陆的是月球正面风暴洋北部的吕姆克山(Mons Rümker),它被非常年轻的月海玄武岩包围。相对来说,其表面没有陨石坑,因此,“嫦娥五号”很可能采集到形成于10亿~20亿年前的年轻样品,从而填补目前月球样本的空白时间段,帮助构建更加全面的月球演化史。

月球样本如此珍贵,当人们千辛万苦带回地球以后,各国又是如何处置的呢?

1970年代,美国宇航员运回的近382千克样品,全归美国所有。美国的设想是,先封存起来,让新一代的科学家能以更先进的技术和探测手段,研究月球土壤和岩石。

而据NASA披露,被封存50年的月球岩石,在2019年底被重启研究。阿波罗样本中的化学成分,如里面的氨基酸、释放的气体等,如今被更灵敏的仪器检测。美国科学家希望根据月球上未受污染的物质,来判断早期地球发生了什么。

382千克的样品中,很少量的月球碎片,被作为礼物送给世界上135个国家的领导人和美国50个州的掌权人。

中国恰好是其中获赠的一方。1978年中美即将正式建交之际,美国总统国家安全事务助理布热津斯基访华,向中国赠送了1克月岩。这1克月岩后来被分为两半,一半收藏在北京天文馆,一半被用来做科学研究。

有趣的是,月球样本还会流进市场,进行公开拍卖。2018年,苏联的“月球车16号”在1970年带回的第一批样本——一块月球玄武岩和两块月球土壤,就以85.5万美元的价格被成功拍卖。拍卖行透露,买家是一位匿名的美国收藏家。

据了解,1993年,0.2克的月球样本,拍出价已达44.25万美元。

民企领衔航空航天新“竞赛”

“我们正同俄国人进行战略空间竞赛,并且我们一直以来都处于下风。如果苏联控制外层空间,他们就会控制地球。为确保和平与自由,我们必须争第一。”60年前,美国总统候选人肯尼迪在竞选时如此表述。

他说这话时,美苏航天竞赛正打得火热。1961年,苏联将宇航员加加林送入太空,加加林成为史上到达太空第一人。这也是随后肯尼迪在国情咨文中提出阿波罗计划的缘由——只有用载人航空的方式登陆月球,美国才算赢了这次对决。

据披露,为抢在苏联之前发射载人登月飞船,美国至少花费了260亿美元。而在上世纪六七十年代,NASA的预算甚至高于美国国防部,一度接近GDP的5%。

冷战时期的特殊背景催生了人类登月史的辉煌。但随着冷战结束,世界各国关于航空航天的投入与竞赛,却仿佛淡出了大家的视线。

到了21世纪,一个很鲜明的趋势是,航天对垒已经不限于封闭的国家科研团队,而变成了以商业为引擎的竞赛。以特斯拉创始人马斯克为代表的民企SpaceX揭开了商业驱动航空航天的大幕。

经过前三次的发射失败,2008年9月,SpaceX第四次发射的“猎鹰一号”火箭,终于成功入轨。见惯风浪的马斯克激动到感叹:“不知道该说些什么,因为我的脑袋被炸开了。”

SpaceX在这之后获得了官方盖戳,价值16亿美元的NASA订单被马斯克收于囊中。2010年4月,时任总统奥巴马在参观完SpaceX发射基地后,还特地做了一个演讲。SpaceX此后的发展也足以让世人震惊。今年5月,SpaceX的“龙”飞船成功载着两名宇航员遨游太空。

在SpaceX影响下,更多的民间科技公司加速布局属于自己的“太空”。少了马斯克的偏执与狂热,多数入局者更加现实主义与实用主义——他们都瞄准了低轨道卫星的运行与组网,以此组成他们的“太空互联网”。

发射火箭,“放卫星”,成了民营企业近年来争先抢占的“太空新基建”项目。较为活跃的,有SpaceX旗下的“星链”(Starlink)、亚马逊、来自英国的 OneWeb和加拿大的Telesat等公司。

相比而言,中国的民用航天事业刚刚迎来第六个年头。2014年,民营火箭企业翎客航天收获了815万元融资。在此之后,长光卫星、蓝箭航天、天仪研究院、零壹空间等民营航天企业,先后拿到了启动资金,中国商业航空产业链也在加速扩张。

刘慈欣曾在《三体》里引用王尔德的话说:“人类都活在阴沟里,但总有人要仰望星空。”到了21世纪,在中国举国体制与商业资本的相互加持下,人们抬头仰望星空时,还在畅想更多的可能性。

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