鈦媒體注 ：本文來自騰訊太空，作者為喬輝，鈦媒體經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
據(jù)央視新聞消息，2020年12月17日凌晨2點左右，經(jīng)過23天的太空之旅后，嫦娥五號返回器攜帶2千克月壤樣品成功在內(nèi)蒙古中部四子王旗著陸場著陸，標志著我國首次月球采樣返回任務(wù)圓滿完成！
圖注：空中紅外相機已經(jīng)看到了返回器。
圖注：地面搜索人員趕到。
據(jù)悉，嫦娥五號返回器的體積只有神舟飛船返回艙的七分之一，落區(qū)范圍（著陸面積）卻是后者的16倍，加上著陸場高寒冰雪的環(huán)境，這些都給搜尋工作造成了一定困難。按計劃，回收后的嫦娥五號返回器在完成必要的地面處理工作后將空運至北京開艙，取出樣品容器及搭載物。
從1976年前蘇聯(lián)月球20號探測器最后一次月球采樣返回算起，這是時隔44年后人類再次采回月球樣品。
除了本次嫦娥五號之外，此前我國神舟系列載人飛船也都選擇在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場著陸。
資料顯示，四子王旗海拔1000米到1200米，屬沙質(zhì)草原，地勢平坦開闊，沒有大的河流湖泊，屬中溫帶大陸性氣候，全年干燥少雨，空氣能見度高。這一地區(qū)以畜牧業(yè)經(jīng)濟為主，牧民基本定居，大多孤門獨戶，人煙稀少，每平方公里人口不超過10人，房屋和高大樹木占地面積遠小于草地總面積的千分之一。因此，非常適合作為飛船的著陸場。
圖注：嫦娥五號返回器在地球大氣層上空打水漂（動畫模擬）。
這段時間，關(guān)心嫦娥五號探月的朋友可能已聽說，嫦娥五號采用所謂的“打水漂”的方式返回。為什么要采用這種方式？其實這種返回方式絕不是為了好玩兒，其背后有深刻的科學(xué)道理。
返回器從38萬公里之外的月球飛往地球的過程中，相當于從38萬公里的高度“掉”向地球，來到地球附近的時候，其速度已接近地球的第二宇宙速度（11.2公里每秒）！
我們知道，此前我國神舟飛船是在近地軌道上圍繞地球運動，其速度接近地球的第一宇宙速度（7.9公里每秒）。
也就是說，嫦娥五號返回器的速度比神舟飛船返回器的速度要快得多，需要采用在地球大氣層上”打水漂“的方式來延長減速過程和冷卻時間，降低氣動加熱和沖壓對艙體的危害。
根據(jù)此前官方給出的圖片顯示，返回器在深入地球大氣層60公里處開始反彈上升，爬升到100公里到140公里的高度后，重新進入大氣層降落。
從上面可以看出，返回器在進入大氣層的第一階段所積累的熱量，在躍回高空后得到了有效耗散，重新進入大氣層后，速度就小得多了。
其實，這種“打水漂”的返回方式在科學(xué)上稱為“半彈道跳躍式再入”，其中有兩個關(guān)鍵詞“半彈道”和“跳躍”。
所謂“半彈道”是指航天器在進入地球大氣層時，可在一定程度上通過控制氣動升力來控制落點方向，區(qū)別于“彈道式”返回的完全無升力協(xié)助。
所謂的“跳躍”是指航天器進入大氣層后，由于氣動升力的作用，再向上躍起，做出飛出地球大氣層的動作。隨后，航天器會在地球引力作用下，重新返回地球大氣層。當然，這只是一個極簡化的說法，專業(yè)上的解釋要復(fù)雜和嚴格得多。
講到這里，可能有朋友會問，為什么不采用火箭反推的方式減速？
我們知道，嫦娥五號抵達月球的時候，就是利用火箭發(fā)動機反推的方式進行的減速，那是因為嫦娥五號抵達月球的時候速度本身已經(jīng)比較低了，不像返回地球一樣擁有幾乎接近地球第二宇宙速度的速度。
月球沒有大氣層，無法利用大氣層減速，使用火箭發(fā)動機反推減速是必須的。但使用火箭發(fā)動機反推減速需要消耗燃料，就需要火箭在發(fā)射的時候攜帶更多的燃料，這無疑給火箭增加了負擔(dān)，降低有效載荷的重量。地球既然有濃密的大氣層，肯定要使用氣動減速了。
圖注：科幻電影《星際穿越》中的劇照。男主駕駛徘徊者號飛船靠“米勒星球”上的大氣阻力進行減速降落，舍不得用寶貴的燃料。
其實，早在2015年我國就進行了“嫦娥五號再入返回飛行試驗器”，提前成功進行了高速返回測試，為確保本次嫦娥五號任務(wù)順利實施和探月工程持續(xù)推進奠定了堅實基礎(chǔ)。但由于本次是攜帶樣品返回，樣品儲存裝置以及樣品的質(zhì)量要疊加在上面，還是有少許不同。
當嫦娥五號返回器降低到一定高度，速度達到開傘的條件后，降落傘展開進一步降低其速度，并最終安全落地。
根據(jù)此前的報道，國家天文臺已建成國內(nèi)首個“月球樣品實驗室”，為避免月球樣品受到地球大氣、水等環(huán)境污染做好了準備，已具備“地外樣品”存儲、處理和分析的能力。月球樣品返回地球后，地面應(yīng)用系統(tǒng)將與探測器系統(tǒng)完成月球樣品交接，在月球樣品實驗室完成表取和鉆取樣品的解封、分樣和存儲。月球返回樣品經(jīng)初步測試分析、描述和建庫后，根據(jù)授權(quán)進行發(fā)布，開展長期的實驗室研究。
此前，科學(xué)家通過對美國和前蘇聯(lián)帶回的月球樣品的研究表明，月球上的火山活動在35億年前達到頂峰，然后減弱并停止。
但通過對月球表面的其他特征觀測表明，某些區(qū)域可能含有最近10至20億年前才形成的火山熔巖，這又說明月球上的火山活動可能停止得相對較晚。
圖注：月球正面主要的月海。左上角紅圈就是呂姆克山，也是本次嫦娥五號著陸區(qū)域。
根據(jù)此前的報道，嫦娥五號是從呂姆克山脈附近采集的月壤樣品，那里存在大約13億至20億年前的玄武巖?？茖W(xué)家通過對這些巖石樣本的研究，能夠最終確認該區(qū)域火山活動是何時停止的，這將對月球的演化歷史提供最重要的線索。
因此，當嫦娥五號把呂姆克山脈附近的樣品帶回地球后，科學(xué)家在實驗室通過對這些樣品進行分析，有望解決這個經(jīng)典的難題。
圖注：1978年，美國贈予我國的月巖樣品?，F(xiàn)收藏于北京天文館。
大家應(yīng)該都聽說過這個故事了，1978年5月28日，美國派出總統(tǒng)國家安全事務(wù)顧問布熱津斯基訪問中國，并帶來了卡特總統(tǒng)向中國贈送的禮物：質(zhì)量僅1克的月巖樣品。月巖樣品放在一塊有機玻璃內(nèi)，看上去有指甲蓋般大小。這份樣品被一分為二：一半珍藏在北京天文館讓公眾參觀；另外一半用于研究，研究人員竟然發(fā)表了十多篇重要論文。
那小小的半克月巖樣本都能發(fā)表十多篇重要論文，我們自己采回的2千克樣本，肯定能發(fā)表更多豐富成果的論文了，為人類認識月球做出更多貢獻。
關(guān)注科學(xué)的朋友應(yīng)該還會聯(lián)想到另外一個重要問題，我們這次取回的樣品是否也是為了研究月壤中的氦-3？我們知道，氦-3是氦的一種同位素，未來理論上可以作為核聚變的理想核燃料，能解決重大的能源問題。
對于這個問題，騰訊新聞知識官，地球和行星科學(xué)家，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）肖龍教授表示，氦-3不是月球自己產(chǎn)生的，主要跟太陽風(fēng)的注入有關(guān)，因此在月面上，越老的地方氦-3積累的越多。
嫦娥五號此次選擇采集年輕地帶的月壤，并不是沖著氦-3而去。理論上，氦-3確實有很大的利用價值，可以作為可控核聚變的原料。但是氦-3的提取是一個極其復(fù)雜的過程，它的豐度要達到一定含量才會有提取利用的可能。目前人類技術(shù)水平還遠遠達不到開發(fā)、運輸和利用的程度，從實際應(yīng)用的角度來講現(xiàn)在還為時尚早。
嫦娥五號已經(jīng)安全回家，最后讓我們來回顧一下它從月球返回地球的這十幾天經(jīng)歷了什么？
12月3日23點10分，嫦娥五號上升器搭載著從月球采集的樣品從月面順利起飛并成功進入月球軌道，完成了我國探測器首次在地外天體起飛的壯舉。
12月6日5時42分，嫦娥五號上升器成功與軌道器和返回器組合體交會對接，并于6時12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中，實現(xiàn)我國首次月球軌道無人交會對接與樣品轉(zhuǎn)移。
12月12日9時54分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體經(jīng)歷了約6天的環(huán)月等待，實施了第一次月地轉(zhuǎn)移入射，從近圓形軌道變?yōu)榻曼c高度約200公里的橢圓軌道。月地轉(zhuǎn)移入射的主要目的是通過月球軌道上的軌道機動，使軌道器和返回器組合體進入月地轉(zhuǎn)移軌道。
12月13日9時51分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體實施第二次月地轉(zhuǎn)移入射，在距月面約230公里處成功實施四臺150牛發(fā)動機點火，約22分鐘后，發(fā)動機正常關(guān)機。根據(jù)實時遙測數(shù)據(jù)監(jiān)視判斷，軌道器和返回器組合體成功進入月地轉(zhuǎn)移軌道。
12月14日11時13分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上的兩臺25牛發(fā)動機工作約28秒，順利完成第一次月地轉(zhuǎn)移軌道修正。
12月16日9時15分，嫦娥五號軌道器和返回器組合體上兩臺25N發(fā)動機工作約8秒鐘，順利完成第二次月地轉(zhuǎn)移軌道修正。
12月17日凌晨2點，經(jīng)過23天的太空之旅后，嫦娥五號返回器攜帶2千克月壤樣品成功在內(nèi)蒙古中部四子王旗著陸場著陸。
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厲害了。雖然不全是我關(guān)心的問題，但還是了解了不少東西。