“嫦娥五号”月球探测器发射 你应该知道这八个知识点
作者|乔晖
来源：腾讯空间
2020年11月24日凌晨4时30分，中国长征五号运载火箭在海南文昌航天发射场发射，搭载中国嫦娥五号月球探测器。
这是中国首次进行月球采样返回任务，也是中国迄今为止进行的最复杂的航天任务。
据悉，此次航天任务有11个主要飞行阶段、23个主要轨道控制、6个主要分离控制等复杂环节，以及航天器在月球表面着陆和起飞、月球轨道无人交会对接等高风险环节。整个采样返回过程长达23天，发射起飞只是长征的第一步。
1.为什么这次任务一定要用长征五号火箭？
长征五号火箭(俗称“胖五号”)是目前我国运载能力最强的火箭，低地球轨道运载能力25吨，地火转移轨道运载能力6吨，地月转移轨道运载能力8.2吨。
长征五号远程五号运载火箭的垂直运输。
此前，长征三号甲火箭、长征三号丙火箭和长征三号乙火箭承担了我国月球探测器的发射任务，先后发射了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号和嫦娥四号月球探测器，完成了绕月、着陆和巡天探测任务。
然而，长征五号是唯一一次执行嫦娥五号发射任务。这是为什么？
原则上，火箭发射探测器的运载能力取决于两个因素：一是看探测器有多重，二是看探测器要去哪里。具体来看嫦娥五号：嫦娥五号探测器的总重量约为8.2吨，目的地是38万公里外的月球。国内运载能力最强的长征五号火箭刚好能满足要求，所以必须用长征五号火箭发射。
2020年7月23日，长征五号运载火箭也成功发射了田文一号火星探测器，目前正在前往火星的途中。
2.嫦娥五号和中国以前的探月任务有什么区别？
传说：中国探月工程Logo。
中国探月工程是中国发射的第一个探月工程，于2004年1月23日正式发射。分为缠绕、下落和返回三个部分。
1.“绕”是发射月球卫星，嫦娥一号和嫦娥二号已经实现；
嫦娥一号(左)和嫦娥二号(右)的飞行轨道。
2.“着陆”是指在月球表面软着陆。嫦娥三号实现了月球正面软着陆，嫦娥四号也实现了月球背面软着陆，并在月球背面开展了科学探索工作，这在世界上尚属首次。嫦娥四号虽然是嫦娥三号的后援星，但也有不少创新。
嫦娥四号登陆月球。
3.“返回”是指从月球表面取样并返回地球，这是嫦娥五号执行的任务，计划将2公斤月球土壤样品带回地球。
值得一提的是，后来，中国扩大了“月球科学研究站”的使命。这一任务由后来的“嫦娥六号”、“嫦娥七号”和“嫦娥八号”完成。计划在月球南极地区着陆，进行更复杂的科学研究。
3.美国和前苏联收集了多少月球样本？
众所周知，到目前为止，只有两个国家成功地从月球带回了样本：美国和前苏联。
传说：阿波罗15号宇航员收集的月球岩石。
其中，美国在20世纪60年代和70年代的阿波罗计划中，通过六次载人着陆，从月球上回收了381千克月球土壤和岩石样本。
阿波罗17号宇航员收集的月球土壤。
在20世纪70年代，前苏联通过月球16号、月球20号和月球24号无人探测器共回收了330克月球土壤样本。
自1976年前苏联月球20号探测器最后一次月球采样返回以来，已经过去了44年。
4.嫦娥五号探测器长什么样？
嫦娥五号探测器由四部分组成：轨道器、着陆器、上升器和返回器。
轨道飞行器是指月球轨道飞行器。嫦娥五号进入月球轨道后，轨道飞行器首先留在轨道上，等待后续返回装置返回地球。
登月舱搭载推力火箭，在月球表面进行软着陆，自动进行月球采样、样品包装等操作。
升降器以登月舱为发射装置，从月球动力上起飞，携带月球土壤样品飞入月球轨道，将月球土壤转移到返回舱。
返回舱是最终将月球土壤样品带回地球的结构部分，承受高速进入地球大气层时的高温和冲击，从而保护样品不受影响。
嫦娥五号地面试验现场。
5.嫦娥五号探测器会经历哪些风险？
文章开头我们提到，这次航天任务有11个主要飞行阶段，23个主要轨道控制，6个主要分离控制等复杂环节，还有在月球表面起降、月球轨道无人交会对接等高风险环节。不谈技术细节，看这五个重点就够了。
1.火箭发射：即使在21世纪，火箭发射仍然是不确定的。2017年，中国长征五号远程2号运载火箭未能将有效载荷送入轨道。幸运的是，2019年发射的长武遥控三号运载火箭和2020年发射的长武遥控四号运载火箭都非常成功。
2.登月阶段：我们知道，此前嫦娥三号和嫦娥四号月球探测器分别实现了月球前后软着陆，实现月球表面软着陆的关键是动力下降阶段。
因为月球上没有空气，探测器要想在月球上软着陆，就必须使用反向火箭缓慢下降，并精心选择一个相对平坦的着陆点，防止发生“侧翻”事故，这也是高风险的关键环节。2019年，以色列登月舱和印度登月舱相继在月球表面坠毁。
嫦娥五号登月(艺术地图)。
嫦娥五号在月球上的情况(艺术地图)。
3.月球起飞阶段：嫦娥五号从月球表面获取足够的样本后，升降器以着陆器为发射装置，点燃来自月球表面的样本，然后加速到月球第一宇宙速度进入绕月轨道，准备与在月球轨道上等待的轨道器对接。
虽然月球表面的引力只有地面的六分之一，但是在38万公里外的月球上起飞还是相当困难的，这是我们的第一次尝试，很不确定。
图例：嫦娥五号立管携带的月球土样上升情况(艺术地图)。
4.月球轨道交会对接：携带样品的上升装置进入月球轨道时，会与在那里等待的轨道器对接，将样品转移到轨道器和返回器的组合上。我们在地球轨道航天器交会对接方面很熟练，但我们是第一次在月球轨道航天器交会对接，还有很多技术细节需要探索。
传说：嫦娥五号的升空和轨道飞行器正在为月球轨道的交会对接做准备(艺术地图)。
5.返回地球：轨道飞行器启动火箭，携带返回者离开月球引力，直奔地球。当接近地球时，返回者与轨道器分离。
传说：嫦娥五号返回装置与轨道飞行器分离，正准备进入地球大气层(艺术地图)。
我们知道，宇宙飞船从38万公里外的月球飞向地球，相当于从38万公里的高度“坠落”到地球。当它靠近地球时，它的速度接近地球的第二宇宙速度(每秒11.2公里)！如果返回者以如此高的速度进入大气层，如果不小心，它可能会像流星一样变成烟雾。
传说：2014年11月1日，“嫦娥五号再入返回飞行试验仪”在内蒙古四子王旗预定区域顺利着陆。
幸运的是，我们在2015年进行了“嫦娥五号再入返回飞行试验”，成功提前进行了高速返回试验，为确保嫦娥五号任务顺利实施和探月工程不断推进奠定了坚实基础。
6.嫦娥五号任务会在中国创造什么第一次？
通过文章的上述部分，我们可以看到嫦娥五号任务将在中国创造几项第一，包括：
1.宇宙飞船首次对地外物体进行采样和包装。
2.宇宙飞船第一次从外星物体上起飞。
3.航天器首次在月球轨道交会对接。
4.宇宙飞船首次带着样本高速重返地球。
7.月球样本有什么科研价值？
2005年，笔者有幸在大学期间听了欧阳自远院士的科普讲座，欧阳自远院士是中国探月工程的首席科学家。
当时他回忆说，1978年5月28日，美国派总统国家安全顾问布热津斯基访华，并带来了卡特总统送给中国的礼物：一个质量只有1克的月球岩石样本。
月球岩石样本被放在一块有机玻璃中，看起来像指甲那么大。这个样本分为两部分：一半收藏在北京天文馆供公众参观；另一半用于研究，研究者发表过十多篇重要论文。
1978年，美国向中国捐赠了月球岩石样本。现收藏于北京天文馆。
据报道，嫦娥五号的采样地点位于月球“风暴洋”北部的吕姆克尔山脉附近，其他国家从未去过。有大约13亿到20亿年前的玄武岩。获得这些年轻玄武岩的同位素年龄将有助于加深对月球火山活动和演化历史的理解。
嫦娥五号计划的着陆点(制图：奇龙圭)
此前对美国和前苏联获得的月球土壤样本的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测表明，部分地区可能含有10亿年至20亿年前形成的火山熔岩，与嫦娥五号着陆区的年龄相近。
如果嫦娥五号采集的样本能够证实月球在此期间仍处于活动状态，那将改写月球的历史。
八、人类探月简史
从1959年到1976年，前苏联向月球发射了60多次探测器，创造了许多世界第一，包括第一次拍摄月球背面，三次收集月球岩石返回地球。
到2019年底，美国已经向月球发射了60多个探测器和载人飞船。中国4次，日本2次，欧洲1次，印度2次，以色列1次。其中，较为成功的包括：
从1961年到1968年，美国“漫游者”系列飞机、“月球轨道”系列飞机和“测量员”系列月球着陆器为后续的阿波罗登月计划铺平了道路。
从1969年到1972年，美国实施了阿波罗计划，六次成功登月，将12名宇航员送上月球。
1969年，宇航员奥尔德林站在月球上，另一名宇航员阿姆斯特朗，第一个登上月球的人，可以从他头盔的反光中看到。
在1994年至1999年期间，美国“克莱曼婷”号和“月球探勘者”号的数据表明，在月球的极地地区可能存在水冰。
2003年9月27日，欧空局的“智慧一号”探测器发射升空，这是欧空局第一个飞往月球的探测器。在完成科学任务后，它于2006年9月3日积极撞击月球表面。
2007-2008年，日本的月亮女神和嫦娥一号成功进入绕月轨道，随后印度的月船一号相继进入绕月轨道。
2009年6月18日，美国月球侦察轨道飞行器和月球陨石坑观测与遥感卫星同时发射。
2010年10月1日，搭载嫦娥二号卫星的长征三号丙运载火箭在西昌卫星发射中心点火发射。
2011年9月10日，美国发射了圣杯，旨在准确探测和绘制月球重力场，判断月球内部结构。
2013年9月6日，美国发射了月球大气和尘埃环境探测器，用于探测月球大气和周围尘埃中的沉降层。探测器于2014年4月18日坠毁在月球背面，结束了任务。
2013年12月14日，嫦娥三号成功降落在月雨海西北部，成为继1976年农历24后第一个登陆月球表面的探测器，也是世界上第三个登陆月球表面的国家。
2014年10月23日，“嫦娥五号再入返回飞行试验器”发射升空，为嫦娥五号探测器以第二宇宙速度重返大气层提供实验验证。2014年11月1日，返回舱顺利降落在内蒙古四子王旗预定区域，中国探月三期再入飞行试验圆满成功。
2019年1月3日，嫦娥四号探测器实现了人类探测器在月球背面的首次软着陆。