嫦娥五号顺利回到地球,它带回了什么?
编者按:本文来自微信公众号“品玩”(ID:pinwancool),作者 Decode,36氪经授权发布。
2020 年 12 月 17 日凌晨 2 点左右,嫦娥五号正式结束了太空之旅,顺利回到地球。
11 月 24 日 4 时 30 分,长征五号遥五火箭在海南文昌发射场升空,将嫦娥五号探测器送往月球。12 月 1 日,它顺利着陆月球,成为中国第三个在月面软着陆的探测器。
从发射到最后的载入回收,嫦娥五号完成了 23 天的太空之旅,携带着 2 千克月球土壤样品,顺利完成了中国首次月球采样返回任务。
着陆地点,为什么选在了内蒙古四子王旗?
嫦娥五号着陆的地方,在内蒙古四子王旗着陆场。据现代快报报道,南京航空航天大学航天学院教授闻新说:“ 航天器的回收有着严格的条件和要求,并不是想落在哪里就落在哪里。”
根据航天器运行轨道的特点,着陆场必须同时具备 4 个基本条件:一是航天器将从这个地区上空,多圈次通过;二是场地要开阔;三是地势要平缓,地表要足够坚硬;四是这一地区天气状况要良好。目前,美国主要选择在海上降落,而俄罗斯和中国选择在开阔的大草原。
内蒙古四子王旗航天着陆场,位于内蒙古中部阿木古郎大草原,是中国最重要的航天着陆场。神舟一号至神舟十一号飞船,都是在这里成功着陆。
这片草原海拔 1000 米到 1200 米,地势平坦开阔、空气能见度高,而且人烟稀少,每平方公里人口不超过 10 人,非常适合作为航天器的着陆场。
嫦娥五号是怎么回来的?
嫦娥五号返回器采用了“半弹道跳跃式再入”的方式返回地球。这种返回形式,有个通俗的比喻——“太空水漂”。
之所以要采用这种方式,是因为返回器从月球飞往地球的过程中,速度最高可达每秒 11.2 公里,已经是第二宇宙速度。而从近地轨道返回的航天器,速度大约为每秒 7.9 公里,即第一宇宙速度。
这 3.3 公里/秒的差距,会带来极高的温度差异。如果嫦娥五号返回器选择“硬冲”(即弹道式再入),以 11.2 公里/秒的速度进入地球大气层,将面临剧烈高温的考验,而且无法进行姿态和轨道的调节,对轨道设计、分离释放和落点预报能力要求很高。
嫦娥五号返回器最终选择了“半弹道跳跃式再入”的方式。据北京日报报道,嫦娥五号探测器总体主任设计师孟占峰解释说:“返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后再以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面,整个过程环环相扣,在 15 分钟内完成。”
采用这种返回方式,返回器需要经过特殊设计。据央广网报道,嫦娥五号探测器返回器副主任设计师刘大海说:“返回器就像一个窝头一样,侧面挖一些洞,洞里面就是我们所谓的推力器。”在大气层飞行时,返回器不仅会受到阻力,也会产生一定升力。靠着这些升力,返回器就能成功实现半弹道跳跃方式返回。
防热是返回地球的大难题
嫦娥五号的返回速度非常快,表面温度最高可达 2000 多摄氏度,如果防热不过关,温度传到内部,将会对月球土壤产生影响,返回器也可能在大气层的高速摩擦中被烧毁。
如上所说,返回器采用半弹道跳跃式再入的方式,来降低速度和摩擦温度。但这种方式使得返回器要经历高温、低温、再次高温的变化,更加考验防热技术,因此科研人员为返回器披上了一层“防热服”。
具体而言,返回器采用蜂窝结构防热层,里面填充了新型耐烧蚀材料,并且采用了新的防热结构设计。据北京日报报道,针对月球轨道返回热环境、空间环境和重量的要求,科研人员提出了不同部位耐烧蚀和隔热的具体需求与指标,从 33 种新研材料中筛选出了 7 种防热材料,完成了防热材料的布局,和局部防热结构设计,实现了中国由近地轨道再入到深空轨道再入的防热结构设计跨越。
月球土壤带回来后怎么处理?
嫦娥五号这次带回来了 2 千克月球土壤样品,这些样品一部分会放在北京,一部分会保存在湖南。
为什么会存在湖南?中国探月工程总设计师吴伟仁院士曾介绍,嫦娥五号从月球上带回的月壤样本将会分为两份保存,一份保存在北京,一份保存在湖南。“毛主席曾说过‘可上九天揽月’,现在我们实现了‘九天揽月’,所以把月壤放到湖南也是对毛主席的一种告慰”。
红外影像显示一只小动物从嫦娥五号返回器前面跑过,后来证实是一只兔子
月球土壤最大的作用,是帮助科学家分析月表结构、物理特性、物质组成,深化对月球成因和演化历史的研究,也将为人类认识、开采月球资源探索路径。
据长沙晚报报道,湖南省地质博物馆展陈部部长俞天石介绍,虽然月壤与地球土壤都是由岩石风化而来,但两者的组成成分不同,属于完全不同的两种土壤。月壤的成分更多的是矿物质,比如橄榄石、斜长石等,此外还有玻璃质等;地球土壤的成分更多的是有机质、腐殖质、水等。
嫦娥五号在月球采样的地点,是吕姆克山附近较平坦的一个区域。为了获得有独特科研价值的月面样品,要避开美国和前苏联曾经采样的地区。吕姆克山区域的玄武岩及火山活动历史,大约为 13 亿至 20 亿年,比美国和前苏联着陆器的着陆点,要年轻许多。后两者选择的着陆点,都在 30 亿年以上。
此前,通过对美国和前苏联带回的月球样品进行研究,科学家们发现,月球火山活动在 35 亿年前达到顶峰,然后逐渐减弱趋于停止。但月球表面其他特征又表明,月球某些区域可能含有 10 亿年至 20 亿年前才形成的火山熔岩。月球火山活动究竟是何时停止的?嫦娥五号在吕姆克山附近采集的样品,或许能解答这个问题。
此外,月球上没有液态水,但不排除有固态水。目前,美国和苏联从月球采回的月壤中经研究都没有发现水的成分,如果这次能从嫦娥五号采回的月壤中发现水,那将是一种重大突破。
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