12月1日23時11分
嫦娥五號著陸月球呂姆克山
12月2日4時53分
探月工程嫦娥五號著陸器
和上升器組合體完成了
月球鉆取采樣及封裝
嫦娥五號平穩著陸于月球正面風暴洋的呂姆克山脈以北地區
據悉，目前，著陸器和上升器組合體正按計劃進行表取采樣。
嫦娥五號是迄今為止國內最復雜的航天器，這次無人月面采樣返回從發射入軌到返回再入，共有11個飛行階段，一個又一個難題可謂“步步驚心”。月球表面自動采樣封裝，是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。
嫦娥五號如何采集月壤、又有哪些特殊本領將為嫦娥五號探測器的順利“通關”保駕護航呢？但是，月面環境和我們熟悉的地球大不相同，月球表面白天溫度約180℃，夜間能達到零下150℃，晝夜溫差約330℃，無人采樣器需在150℃以上的月球表面工作。陌生的環境常常會帶來新鮮感，但對嫦娥五號來說，這種“新鮮感”卻成為無人月面采樣返回要過的第一道坎。據航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢介紹，考慮到樣品的種類、數量以及月球表面的不確定性，他們設計了鉆取和表取兩種方式，兩種樣品大概比例為1∶3。彭兢說：“目前有一些科學研究成果表明，月球正面風暴洋北緣的呂姆克山附近區域的平均月壤厚度大約是4米，但這只是統計意義上的概率，困難的地方在于我們去之前并不知道那里是很堅硬的巖石，還是很松軟的月壤。從現在的研究來看，大概率是松軟的，現在設計的目標深度是兩米左右。”
由于嫦娥五號本身是由上升器、著陸器、返回器和軌道器四部分共同構成，這個重8.2噸的“大家伙”自身比較重，也就決定了它沒有機會再攜帶巡視器，相比嫦娥三號和嫦娥四號，嫦娥五號不能再依靠巡視器完成勘探的工作。彭兢說：“鉆取采樣裝置正下方的點有哪些特性，我們事先并不知道，萬一碰到特別堅硬的巖石，就有可能采不到，當然我們在地面也做了很多工作，某一些堅硬的巖石在特定的條件下，是可以通過鉆頭將堅硬的巖石表面打碎，取得一些顆粒狀的月壤，但是這些有很大的不確定性，這也是我個人認為深空探測里比較有魅力的地方。”那么，表取又是如何進行？對此，科學家們專門為這種采樣方式設置了特定的機械臂。彭兢表示：“這個機械臂和人手幾乎是一樣的，在末端，就是腕關節上有兩個采樣器。一個采樣器類似于一個鏟子，這個鏟子有點像帶鉤子的鐵鍬，通過接近月面的時候轉動，從月面挖取樣品。”彭兢介紹，在表取時將使用兩種采樣器，除了鏟挖式，還有一種末端為花瓣狀結構的采樣器，它能通過旋轉，破碎掉黏結在一起的月壤，從而獲得相對較深層的樣品。彭兢說：“現在選定的風暴洋西北部地區帶回來的樣品，跟之前的樣品放在一起，對月球形成演化的過程會有更好的了解。樣品有一定的不確定性，需要等到樣品返回地球之后，在地面開展了相關的研究工作才能知道。”據國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹，嫦娥五號隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將采取深鉆、淺鉆，以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約2公斤月壤，取得的樣品將用上升器的密封封裝裝置進行高真空密封，隨后帶回地球。之后，嫦娥五號采樣返回的第二道關卡出現了，就是月面起飛。彭兢介紹，從距離地球38萬公里以外的月面起飛，不確定性非常大，而能否成功起飛也關系到后面交會對接能否順利實現，這一環節是交會對接的起點，需要上升器百分百瞄準交會對接的軌道器。彭兢說：“這個位置可能會存在一定的偏差，不像在地面表面可以精確到米甚至厘米，在月球上現在的指標可能就是百米這個量級，這些誤差都會影響到入軌的精度。另外，月球的引力場確實和地球有所不同，所以軌道設計要考慮月球引力場的影響。”成功從月面起飛后，上升器和軌道器開始交會對接，將樣品轉移至返回器中。相比此前，空間實驗室天宮一號采取的是撞擊式交會對接，這一次，按照月球軌道和嫦娥五號的特點，有了全新調整。據航天科技集團八院嫦娥五號探測器副總設計師查學雷介紹，這一次采用了全新、輕型化“抱爪式”對接機構。查學雷說：“主要的特點是相對很輕，能夠保證月球探測器減重的需求；另外一個特點，與地球軌道上非常不一樣的是，在月球軌道上進行對接，因為距離地球很遠，會有一個時延，對我們是比較大的一個挑戰。”查學雷介紹，采用輕小型化的抱爪式對接機構，能夠在21秒的時間里，“穩、準、狠”地完成任務。與之前不同，這時返回器不但速度快，而且與大氣劇烈摩擦、表面溫度也更高，如何保證順利回到地球？這是無人采樣返回的最后一道關卡。據裴照宇介紹，團隊采用了半彈道彈跳式返回的方式。裴照宇說：“彈道式就像導彈，導彈打到外太空之后再入地球，不再進行升力控制，是靠慣性落到地面，而我們要進行準確的著陸點的控制，采用了半升力控制的方式。”就像“打水漂”，相當于返回器要先進一次大氣層，利用大氣層的阻力使它降速，然后再回來；第二次再入大氣的時候，它的速度就會更慢一些適合著陸。
裴照宇表示：“采用跳躍式是為了減少力熱的影響，使得再入的時候更安全，這樣的方式為未來進行技術積累。”除了通過“打水漂”，科學家們還在返回器材料上做了文章。據航天科技集團五院嫦娥五號探測器返回器副主任設計師劉大海介紹，返回器使用了蜂窩結構的防熱層，約20毫米厚，里面填充的都是新型耐燒蝕材料。除此之外，在耐高溫發動機以及推進器的控制方面，進行了創新。月球的表面不是堅硬的巖石，而是覆蓋了一層松散的土壤，科學家稱之為“月壤”。人類目前擁有的月壤，均來自9次探月任務。阿波羅登月計劃的6次任務，一共從月球正面的6個不同地點采集并帶回了382公斤的月球樣品，其中約1/3是月壤；蘇聯的3次月球號任務，也采回了300克左右的月壤樣品。 通過對這些樣品的研究，科學家們發現，除了粒度都很細小之外，月球與地球上的土壤有很大的差異。 地球上的土壤大家都很熟悉，是一層疏松的物質，是由巖石風化形成的細粒礦物質，添加了有機質和水，含有微生物等。地球上土壤的形成，除了化學、物理作用之外，生物的活動是其最重要的特征。此外，我國西北地區廣泛分布的黃土，是一種比較特殊的土壤，主要由風力搬運、沉積形成。黃土逐年堆積，因此還記錄了長達200多萬年的氣候變化歷史。 由于沒有大氣，月壤被直接暴露在太陽輻射和微隕石的轟擊之下，組成和物理性質發生改變，科學家們將這個過程稱為“太空風化”，從而與地球上在大氣、水和生物共同作用下的“地表風化”相區別。“月壤”的誕生具備非常高的研究價值，也是各國航天學家研究宇宙環境的主要途徑。從外表上看來看，“月壤”更像是一種偏粉末狀的巖石，不過其真正的意義，在于其源自月球的屬性。根據“月壤”的研究數據，科學家們可以分析出月殼巖石圈的化學成分和分布特征，這對于世界各國月球的研究來說無異于是一次新的突破。即使對已有研究的結果論證，也是對月球研究新領域的創新。可以說，不管哪一個國家率先取回了“月壤”樣本，都是對探月工程的一次重要搶先，這也是當前世界各國為何頻繁覬覦中國嫦娥五號帶回“月壤”的原因。
月壤中絕大部分物質是就地及鄰近地區物質提供的。由于月球幾乎沒有大氣層，月球表面長期受到微隕石的沖擊及太陽風粒子的注入，太陽風粒子的注入使月壤富含稀有氣體組分。由于太陽風離子注入物體暴露表面的深度一般小于0.2μm，因此這些稀有氣體在細粒月壤中平均含量最高，在深達數米的月壤中這些稀有氣體的含量較均勻。 在月壤的稀有氣體中，還含有氦3。氦3能夠參與核反應聚變。月壤中氦3的含量較為穩定，月壤中氦3的資源總量可達100萬——500萬噸。而地球上天然氣可提取的氦3是非常少的，只有15——20噸。 月球中還有，月海玄武巖中的鈦、鐵等資源，克里普巖與稀土元素、釷、鈾等資源 (克里普巖(KREEP)是高地三大巖石類型之一，因富含K（鉀）、REE（稀土元素）和P（磷）而得名)此外，月球還蘊藏有豐富的鉻、鎳、鉀、鈉、鎂、硅、銅等金屬礦產資源。科學家在帶回來的月球樣本中發現了無污染儲量大能源效率高的理想材料氦-3。如果采用氚和氦-3核聚變發電作為替代能源，全中國每年只需要10多噸的氦-3，全世界也只需要100多噸就能滿足所有的能源需求。那月球上一共有多少氦-3呢？至少能滿足人類1萬年能源需求的量。所以哪個國家先攻克了，哪個國家就在世界上擁有了更多話語權。內容來源：C3H3化學，版權歸原作者所有，如涉及版權問題，請及時聯系我們刪除。
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