时隔44年,嫦娥五号将为人类再次带回月球样品
发布时间:2020-11-23
出品:科普中国
制作:haibaraemily
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  202011月下旬,中国的首个月球采样返回任务“嫦娥五号”将在海南文昌发射场,搭乘长征五号遥五火箭发射升空,奔赴月球。

  它的目标是采集约2公斤月球样品并送回地球。

  这次是去月球采矿的嫦娥姐姐

  图片来源:涡轮喷气蛋

  这是中国的第六个月球探测任务,它不仅标志着我国“嫦娥”工程将完成“绕、落、回”三部曲的第三阶段目标,也意味着人类时隔44年将再次从月球带回岩石和土壤样品——上一次月球采样返回任务,还是1976年苏联的月球24号。

  中国探月“绕落回”三步走

  图片来源:探月工程

我们为什么还要去月球挖土?

  有些小伙伴可能会感到疑惑,别说44年前的月球24号无人月球任务了,五十多年前NASA的阿波罗载人登月任务不是从月球上带回过好多次样品了么?大老远地再折腾一番跑去月球挖土,还要辛辛苦苦带回来的意义在哪里?

  是的,从1969年到1976年,6次阿波罗任务和3次月球号任务带回了月球表面9个区域共计382公斤的月球岩石和土壤样品。从量上来说,并不少。

  

    正是这些珍贵的月球样品,让我们能够真正接触到有明确产地的月球物质,能真正在实验室里全方位分析研究这些月球物质——这是月球探测器遥感探测和在地球上分析月球陨石所做不到的。对这些月球样品的放射性定年,也让我们真正确定了月球上一部分区域的绝对年龄,并以此建立起了月球45亿年的演化历史。甚至,地球之外的整个内太阳系所有行星的地质演化历史,都是在参考月球样品绝对年龄的基础上建立起来的。

 

 基于阿波罗样品和撞击坑定年等方法综合建立起来的月球地质年代划分

  图片来源:改编汉化自:参考文献[1]

  但仅仅是量大,还不够。这些样品对我们认识月球,依然太局限了。

  这些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42-32亿年前(也有部分可能形成于不到10亿年前的哥白尼纪)。而在这个范围之外的月球历史事件所对应的时间,全部是以此为锚点,参考其他观测结果(主要是撞击坑统计)外推来的。

 

 (左)阿波罗(A)和月球号(L)的采样区分布,改编自 | NASA;(右)以阿波罗样品定标,基于撞击坑统计建立的月球45亿年历史,但其实10-30亿年这个时间段几乎完全是空白。Gyr = 10亿年

  鱼片来源:参考文献[1]

  相当于之前我们只在月球很有限的一部分区域内,找到了形成于一小段时间里的“化石记录”,却要用来定标整个月球45亿年历史,甚至还用来外推到其他类地行星。

  这显然意味着,我们对月球的认识不管在空间上还是时间上,都是极其不全面的。

  而唯一的解决方法,就是重返月球,采集到更多来自不同地质背景,形成于不同历史时期的月球样品。唯有这样,我们才能完整还原月球的历史,才能真正全面认识月球,认识地月系统,甚至认识整个太阳系的过去。

  这正是嫦娥五号的意义所在。

  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)一带,并在这里采集样品。

    

嫦娥五号计划着陆采样区域(白框内),红点和蓝点分别为NASA阿波罗任务和苏联月球任务的着陆采样位置

  图片来源:Nature [2]

  虽然同在月海区域内,但这是一片远离阿波罗和月球号采样区的地方,有着丰富的火山活动遗迹和可能与之前的样品不同的岩石类型。

  

  着陆区(白色框内)一带地形图,越红表示越高,越蓝表示越低。该区域内最典型的地貌特征是吕姆克山(Mons Rümker,红黄色区域),一个疑似盾状火山的遗迹。吕姆克山周围被多期形成于不同年龄的月海玄武岩包围

  图片来源:参考文献 [3]

  吕姆克山周围有着非常年轻的月海玄武岩覆盖区域,因此嫦娥五号可能采集到形成于10-20亿年前的年轻样品——这将填补月球地质定年和年代划分上最大的一块空白。

  

  

  不同的颜色代表不同的地质单元,形成于不同的年龄。吕姆克山东侧的月海玄武岩非常年轻(形成于爱拉托逊纪),按照撞击坑统计来推算,年龄在10-20亿年之间, Ga = 10亿年前

  图片来源:参考文献 [3, 4]

  另一方面,嫦娥五号的工程意义也是里程碑式的:采样返回相比于之前的环绕(嫦娥一号二号)和着陆(嫦娥三号四号)任务,难度系数可以说是上了几个台阶——嫦娥五号的发射,意味着我国有望成为继美国、苏联之后,第三个实现月球采样返回的国家。

  

负责发射嫦娥五号的长征五号遥五火箭

  图片来源:CNSA

嫦娥五号如何采回月球样品?

  很多小伙伴还会很疑惑,这嫦娥五号的任务过程怎么这么复杂啊?还有啊,这嫦娥一号二号是一件套,三号是两件套,四号是三件套(鹊桥中继星和主任务分两次发射)…

  

  嫦娥一号到四号大家族

  图片来源:寒花 手绘

  嫦娥五号怎么东西这么多啊,居然有…四件套?

  嫦娥五号的组成结构

  图片来源:CAST/Spaceflight101

  哎,这个感觉就是特别准确,嫦娥五号相比于之前的几个嫦娥任务确实特别复杂,因为采样返回任务要做的事儿真的特别多。

  从字面上也可以看出来,月球 采样 返回 任务需要到飞到月球、采样、然后返回,把这个过程进一步拆解一下,就是这个探测器需要完成这么几个主要步骤:

  1)发射火箭,从地球起飞

  2)从地球上空飞到月球上空

  3)着陆在月球表面

  4) 在月球表面采样

  5)从月球表面起飞

  6)从月球上空飞回地球上空

  7)把样品扔回地球

  光看这个“任务清单”是不是头都秃了?看看嫦娥五号打算如何一步步完成吧。

  首先,长征五号火箭发射,把嫦娥五号四件套送往地月转移轨道,然后四件套一起飞往月球。

 

 四件套发射

  图片来源:New China TV

  到了月球轨道之后,四件套两两分头行动:着陆器带着上升器登陆月球采样,环绕器带着返回器在环月轨道待命。

  

  嫦娥五号的工作安排

  图片来源:CAST/Spaceflight101

兵分两路

  图片来源:New China TV

  着陆器设计了两种采样方式:一种是钻孔采样,计划将钻孔钻进月面以下2米深的地方,采集岩芯样品;

  

  钻孔采岩芯

  图片来源:New China TV

  另一种是机械臂采样,用机械臂的头部铲取月球表面的土壤样品。

  机械臂铲土

  图片来源:New China TV

  采完样品之后,接下来的任务就是从月球表面起飞。这相当于在月球上也要加个类似火箭的发射装置,当然,我们想要的其实只有样品,着陆器那么沉,我们肯定是过河拆桥不带走了呀。

  

  嫦娥五号采样之后的选择

  图片来源:TPS/Loren Roberts

  于是嫦娥五号就有了这个“上升器”的设计,样品封装起来塞进上升器里,上升器上有发动机,负责从月球表面起飞。

  上升器带着样品起飞

  图片来源:New China TV

  但如果要上升器自己从月球起飞直接飞回地球的话,那上升器的设计复杂度和重量(带更多燃料)都要相应飙升,这些压力层层传递最终还是都落在了从地球发射的火箭上。要知道直接返回的苏联月球号任务只挖了100多克月球样品,而嫦娥五号可是打算挖2公斤的。

  

  火箭素材来源:CNSA

  所以嫦娥五号采用了类似阿波罗载人登月用的方式来转移样品:交会对接。着陆器工作期间,环绕器在环月轨道待命,等上升器起飞之后两者再次碰头。当然,碰头也不是想要一起飞回去,只是为了转移样品而已。

  上升器和环绕器交会对接

  图片来源:New China TV

  转移样品

  图片来源:New China TV

  把样品转移到返回舱里之后,上升器也没用了,扔。

  

  嫦娥五号采样之后的安排

  图片来源:CAST/Spaceflight101

  然后环绕器带着装着样品的返回舱一起,轻装上路,从月球上空飞回地球上空。

  

返回地球

  图片来源:New China TV

  飞到地球上空之后呢,只把包裹着月球样品的返回舱扔回地球大气层就可以了。为了防止在再入地球大气层过程中温度过高,返回舱将经过一条精心计算的,类似“打水漂”一般的曲折路径回到地球表面。

  返回舱再入地球大气层

  图片来源:New China TV

  

  嫦娥五号T1试验器“打水漂”返回示意图。返回舱第一次再入大气层后与大气产生相互作用力,像打入水中的小石子一样弹跳起来,跳出大气层然后第二次再入大气层,这一过程被形象称之为“太空打水漂”

  图片来源:CNSA

  总结来说,想要采集到月球样品并送回地球,嫦娥五号全程需要完成两次发射、两次着陆、一次月轨交会对接,“绕月”、“落月”、“返回”全部包圆,所以这环绕器、着陆器、上升器、返回器四件套啊一个都不能少。

  东西多,操作复杂,需要的燃料多,当然也就重。之前的嫦娥四号主任务两件套总重3780公斤,天问一号三件套总重近5吨,而到了嫦娥五号四件套,总重直接飙升到了8.2吨——远超发射嫦娥四号两件套的长征三号乙火箭的运力极限。

  这也是为什么天问一号和嫦娥五号都必须等待更大运力的长征五号火箭才能发射。事实上,嫦娥五号任务原本是打算在2017年底发射的(你没看错,嫦娥五号本来是打算在嫦娥四号之前发射的),但由于长征五号火箭的进度延迟,才推迟到了现在。(详见:为了去火星,天问一号做了哪些准备?https://mp.weixin.qq.com/s/LjBdi7VKsI-vOKjNtSJL8w

不积跬步,无以至千里

  别看嫦娥五号任务这么复杂,但可一点都不鲁莽。如果咱们拆分开来仔细看每个步骤,会发现很多步骤咱们之前已经在其他探测任务上试验过了,只有几个步骤是完全的“新题型”。咱稳扎稳打,认真踏实的传统美德,可绝不是吹的。

  

  同款火箭的发射,长征五号遥三和遥四均成功完成任务,遥四火箭更是顺利把天问一号三件套送入地火转移轨道。

  

  20207月,长征五号遥四火箭搭载天问一号火星探测器点火升空。

  图片来源:Tea-tia 拍摄

  从地球飞到月球和环绕月球,咱们十几年前嫦娥一号、二号就能做到了。

  

  而着陆月球呢,2013年的嫦娥三号、2019年的四号也分别在月球正面和背面都完成了。

  

  嫦娥三号和四号的着陆区位置。

  图片来源:LRO WAC/haibaraemily

  在月球表面钻孔和机械臂采样,这个事儿我国之前是没做过的。但在月球上操作有一定活动能力的机械臂,嫦娥三号的月球车玉兔一号是做过的,所以也算是有一定技术积累的。

  

  玉兔一号的机械臂

  图片来源:CCTV

  从月球表面起飞,全新题型。

  在环月轨道交会对接,这事儿我们之前虽然没有在环月轨道上做过,但在地球轨道上已经是轻车熟路了,神舟和天宫就做过n次过交会对接了。

 

2016年,神舟十一号和天宫二号自动交会对接

  来源:CCTV

  返回舱再入地球我们也是有经验的,神舟五号和之后的多个神舟任务都用类似的返回舱,连活人都能安全送回地球表面了,样品就更不在话下了。

  

  20161118日,神舟十一号返回舱带着宇航员从太空顺利回到地球表面

  图片来源:中国军网

  甚至从月球上空飞回地球上空,我国也专门用一个试验任务演习了一遍。早在2014年,嫦娥五号T1试验任务专程为嫦娥五号任务做了“实地演习”,它由服务舱(模拟环绕器,不过并没有完整环绕月球)和返回器两部分组成,完成了从地球飞到月球,从月球返回,然后把返回器扔回地球表面几项工作。

  

  嫦娥五号T1结构图

  图片来源:CNSA

  可以简单理解为除了没真落上月球采样(当然也就没有对接啥的)别的都探了一遍路。

  

  嫦娥五号T1任务为嫦娥五号探路

  图片来源:CNSA

  返回器(里面当然没有样品)最终顺利落在内蒙古四子王旗。

https://www.bilibili.com/video/BV1Yf4y1q7ca

嫦娥五号T1试验任务发射和返回回顾(见如上链接)

  来源:我们的太空

  总之,嫦娥五号的整个过程虽然复杂,但其中很多步骤我国是有过类似的成功经验的。

  

  当然,要完成前所未有的目标,嫦娥五号依然需要面对许多全新的挑战,依然需要对未知的危险报以充分的谨慎和心理准备。

  但从嫦娥一号二号的“绕”,到嫦娥三号四号的“落”,到嫦娥五号T1的实地演习,到长征五号这样的大火箭…过去多年的智慧和汗水,都成为了今日的宝贵经验和坚实基础。

  让我们一起期待着嫦娥五号做完这么多习题之后交出怎样一份新答卷吧~

  整装待发的长征五号遥五火箭

  图片来源:CNSA

参考资料

[1] Stöffler, D., Ryder, G., Ivanov, B. A., Artemieva, N. A., Cintala, M. J., & Grieve, R. A. (2006). Cratering history and lunar chronology. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 60(1), 519-596.

[2] Mallapaty, S. (2020). China set to retrieve first Moon rocks in 40 years. Nature.

[3] Qian, Y. Q., Xiao, L., Zhao, S. Y., Zhao, J. N., Huang, J., Flahaut, J., ... & Wang, G. X. (2018). Geology and scientific significance of the Rümker region in Northern Oceanus Procellarum: China's Chang'E‐5 landing region. Journal of Geophysical Research: Planets, 123(6), 1407-1430.

[4] Xie, M., Xiao, Z., Zhang, X., & Xu, A. (2020). The Provenance of Regolith at the Chang'e‐5 Candidate Landing Region. Journal of Geophysical Research: Planets, 125(5), e2019JE006112.

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