嫦娥五號：去月球挖土

格林

2020年11月24日凌晨，中國文昌航天發(fā)射場，身強體壯的“胖五”長征五號運載火箭背負“五姑娘”嫦娥五號探測器飛向遠在38萬公里外的月球。這標志著中國探月工程“繞”“落”“回”三步走的收官之戰(zhàn)正式拉開大幕。此前，我國已經實現了繞月探測、落月探測和巡視探測。

如今，中國航天的腳步要再往前邁出一步——采樣返回，即發(fā)射嫦娥五號探測器落月，獲取月壤樣品并返回地球。這是我國首次執(zhí)行無人月球采樣返回任務。

到“月宮”瀟灑走一回

隨著嫦娥五號的成功發(fā)射，人們的目光又一次聚焦嫦娥家族：與嫦娥家族中前幾位“姐姐”相比，嫦娥“五姑娘”在外觀造型上大變樣。其技術跨度大、結構也更為復雜，由軌道器、著陸器、上升器、返回器四部分組成。

這四器就像“糖葫蘆”，每一個都是單獨的個體，放在一起還能組合，比如，著陸器和上升器“抱”在一起，就組合成了“著上組合體”；軌道器和返回器組合，就成了“軌返組合體”。四器“串”在一起，則構成了一個完整的探測器。

此前的嫦娥“大姐”和“二姐”都是一顆單獨的衛(wèi)星，“三姐”和“四姐”則由著陸器和月球車組成。這也意味著嫦娥家族眾姐妹不同的任務以及歸宿——嫦娥家族此前的幾位“姐姐”，為了科學探索再也不能回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更遠的深空。相比之下，“五姑娘”就幸福多了：她從“月宮”瀟灑走一回后，還能捎點“土特產”——月壤，再次回到地球母親的懷抱。

“五姑娘”的復雜結構可以讓她盡可能多帶點“土特產”，預計2千克。你可能覺得，就這么點？但要知道蘇聯(lián)3個無人月球探測器帶回的月壤樣品也才330克，這主要由于當時蘇聯(lián)尚未掌握月球軌道無人交會對接技術，只能采用月面起飛返回地球的方案，這樣，上升器就需要克服返回艙與大量燃料帶來的負重，極大壓縮了采樣重量。

而“五姑娘”到達月球軌道后，著陸器攜上升器組成“月面小分隊”一同降落至月球表面，軌道器與返回器則作為“返地戰(zhàn)隊”繼續(xù)環(huán)繞月球，等待“月面小分隊”歸來。接著，“月面小分隊”進行月面采樣、樣品封裝等操作。樣品由上升器攜帶發(fā)射升空，與“太空郵差”軌道器對接，將樣品轉移到返回器內部。最后，“太空郵差”完成貨品“接收”“裝箱”后點火，只將返回器送回地球，從而減輕了負重。雖然近地軌道交會對接技術已比較成熟，但此次在38萬公里外的月球軌道上成功進行無人交會對接，在人類航天史上還是第一次。

挖土、封裝，“五姑娘”勤勞又細心

12月1日，“月面小分隊”成功落月，勤奮的“五姑娘”開啟了“挖土”工作：一種是鉆取，一種是表取。鉆取就是通過空心鉆桿的取芯機構，鉆到月球表面兩米以下處，得到深層樣品的層理信息；表取就是采用機械臂末端固定鏟挖型采樣器，進行表層和次表層月壤采集，多點、多次采樣。

到此也只是萬里長征第一步，無人采樣固然困難，跟無人封裝相比也是小巫見大巫。月壤的封裝分為月面封裝與月軌封裝。月面封裝，主要是裝土。“五姑娘”在采集月壤樣本之后，將其送進上升器并進行第一次封裝，防止其在離開月球的過程中出現損耗。月軌封裝，則是要把上升器的月壤轉移到返回器中，保護月壤樣品再入地球時不受惡劣環(huán)境的影響。

萬一封裝不當，“五姑娘”這趟就白跑了。相比月面極高真空的環(huán)境，地球表面大氣成分復雜，極易造成污染，導致月球樣品科研價值大打折扣，所以封裝必須完全密封。過去的返回器，要么不打開封裝蓋，要么是有人飛船，航天員能夠進行細致檢查。“嫦娥五號”則完全是無人操作，月壤“采集、包裝、轉移、封裝”一條龍，全靠自動化，任何一個小細節(jié)都不能出錯。

12月3日，完成月面工作的“五姑娘”踏上“回家”之路，首次實現我國航天器地外天體起飛。臨行前，“月面小分隊”還在月球“升起”一面五星紅旗，與嫦娥三號、嫦娥四號采用的噴涂方式不同，這是一面真正的旗幟。

為了展示這面國旗，科研人員投入了一年多的時間和精力。它采用新型復合材料，即便在月面的極端惡劣環(huán)境下也能不褪色、不串色、不變形。科研人員的努力讓中國人在月球表面首次實現了五星紅旗的“獨立展示”。

“世上無難事，只要肯登攀”

當完成無人交會對接，返回器帶著月壤風馳電掣般向地球飛來，這時它的飛行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度。而一般從近地軌道返回的航天器，其速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。可別小看這每秒3公里的“速度差”。科技人員做了一個類比：同樣一塊石頭，從一層樓扔下去的速度，和從十幾層樓扔下去的速度肯定不一樣。一旦速度過猛，后果不堪設想。

為此，設計師們提出了在太空“打水漂”的半彈道跳躍式再入返回技術方案，返回器先高速進入大氣層，再借助大氣層的升力，躍出大氣層，然后以第一宇宙速度返回地面。

2020年12月17日，嫦娥五號結束“挖土”之旅，載譽歸來。下一步，科研人員將對2千克月壤進行研究。

月壤不僅包含巨大的科研價值，也有著巨大的應用價值，比如，作為世界公認高效、清潔、安全的可控核聚變發(fā)電燃料，氦-3在解決地球能源危機與環(huán)境問題上被寄予厚望，但氦-3在地球上的蘊藏量極少，全球已知且易取用的只有500千克左右，而月壤中的氦-3儲量達上百萬噸。

國家探月辦表示，“五姑娘”帶回的2千克月壤除用于科研，有一部分會送往湖南保存，以告慰一代偉人“可上九天攬月，可下五洋捉鱉，談笑凱歌還。世上無難事，只要肯登攀”的夙愿。這也是幾代中國人共同的夙愿，它在今天走入現實。

（資料來源：《中國青年報》《中國紀檢監(jiān)察報》《南風窗》等，知止圖）