鈦媒體注 ：本文來(lái)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(diǎn)左右，經(jīng)過(guò)23天的太空之旅后，嫦娥五號(hào)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(chǎng)著陸，標(biāo)志著我國(guó)首次月球采樣返回任務(wù)圓滿完成！
圖注：空中紅外相機(jī)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(hào)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(chǎng)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(jì)劃，回收后的嫦娥五號(hào)返回器在完成必要的地面處理工作后將空運(yùn)至北京開(kāi)艙，取出樣品容器及搭載物。
從1976年前蘇聯(lián)月球20號(hào)探測(cè)器最后一次月球采樣返回算起，這是時(shí)隔44年后人類再次采回月球樣品。
除了本次嫦娥五號(hào)之外，此前我國(guó)神舟系列載人飛船也都選擇在內(nèi)蒙古四子王旗著陸場(chǎng)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(shì)平坦開(kāi)闊，沒(méi)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(jiàn)度高。這一地區(qū)以畜牧業(yè)經(jīng)濟(jì)為主，牧民基本定居，大多孤門(mén)獨(dú)戶，人煙稀少，每平方公里人口不超過(guò)10人，房屋和高大樹(shù)木占地面積遠(yuǎn)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(chǎng)。
圖注：嫦娥五號(hào)返回器在地球大氣層上空打水漂（動(dòng)畫(huà)模擬）。
這段時(shí)間，關(guān)心嫦娥五號(hào)探月的朋友可能已聽(tīng)說(shuō)，嫦娥五號(hào)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(shí)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(wàn)公里之外的月球飛往地球的過(guò)程中，相當(dāng)于從38萬(wàn)公里的高度“掉”向地球，來(lái)到地球附近的時(shí)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(guó)神舟飛船是在近地軌道上圍繞地球運(yùn)動(dòng)，其速度接近地球的第一宇宙速度（7.9公里每秒）。
也就是說(shuō)，嫦娥五號(hào)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(lái)延長(zhǎng)減速過(guò)程和冷卻時(shí)間，降低氣動(dòng)加熱和沖壓對(duì)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(kāi)始反彈上升，爬升到100公里到140公里的高度后，重新進(jìn)入大氣層降落。
從上面可以看出，返回器在進(jìn)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(jìn)入大氣層后，速度就小得多了。
其實(shí)，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(gè)關(guān)鍵詞“半彈道”和“跳躍”。
所謂“半彈道”是指航天器在進(jìn)入地球大氣層時(shí)，可在一定程度上通過(guò)控制氣動(dòng)升力來(lái)控制落點(diǎn)方向，區(qū)別于“彈道式”返回的完全無(wú)升力協(xié)助。
所謂的“跳躍”是指航天器進(jìn)入大氣層后，由于氣動(dòng)升力的作用，再向上躍起，做出飛出地球大氣層的動(dòng)作。隨后，航天器會(huì)在地球引力作用下，重新返回地球大氣層。當(dāng)然，這只是一個(gè)極簡(jiǎn)化的說(shuō)法，專業(yè)上的解釋要復(fù)雜和嚴(yán)格得多。
講到這里，可能有朋友會(huì)問(wèn)，為什么不采用火箭反推的方式減速？
我們知道，嫦娥五號(hào)抵達(dá)月球的時(shí)候，就是利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推的方式進(jìn)行的減速，那是因?yàn)殒隙鹞逄?hào)抵達(dá)月球的時(shí)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(méi)有大氣層，無(wú)法利用大氣層減速，使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速是必須的。但使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)反推減速需要消耗燃料，就需要火箭在發(fā)射的時(shí)候攜帶更多的燃料，這無(wú)疑給火箭增加了負(fù)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(dòng)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(hào)飛船靠“米勒星球”上的大氣阻力進(jìn)行減速降落，舍不得用寶貴的燃料。
其實(shí)，早在2015年我國(guó)就進(jìn)行了“嫦娥五號(hào)再入返回飛行試驗(yàn)器”，提前成功進(jìn)行了高速返回測(cè)試，為確保本次嫦娥五號(hào)任務(wù)順利實(shí)施和探月工程持續(xù)推進(jìn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。但由于本次是攜帶樣品返回，樣品儲(chǔ)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(dāng)嫦娥五號(hào)返回器降低到一定高度，速度達(dá)到開(kāi)傘的條件后，降落傘展開(kāi)進(jìn)一步降低其速度，并最終安全落地。
根據(jù)此前的報(bào)道，國(guó)家天文臺(tái)已建成國(guó)內(nèi)首個(gè)“月球樣品實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)備，已具備“地外樣品”存儲(chǔ)、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(cè)器系統(tǒng)完成月球樣品交接，在月球樣品實(shí)驗(yàn)室完成表取和鉆取樣品的解封、分樣和存儲(chǔ)。月球返回樣品經(jīng)初步測(cè)試分析、描述和建庫(kù)后，根據(jù)授權(quán)進(jìn)行發(fā)布，開(kāi)展長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)室研究。
此前，科學(xué)家通過(guò)對(duì)美國(guó)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(dòng)在35億年前達(dá)到頂峰，然后減弱并停止。
但通過(guò)對(duì)月球表面的其他特征觀測(cè)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(shuō)明月球上的火山活動(dòng)可能停止得相對(duì)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(hào)著陸區(qū)域。
根據(jù)此前的報(bào)道，嫦娥五號(hào)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(guò)對(duì)這些巖石樣本的研究，能夠最終確認(rèn)該區(qū)域火山活動(dòng)是何時(shí)停止的，這將對(duì)月球的演化歷史提供最重要的線索。
因此，當(dāng)嫦娥五號(hào)把呂姆克山脈附近的樣品帶回地球后，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)對(duì)這些樣品進(jìn)行分析，有望解決這個(gè)經(jīng)典的難題。
圖注：1978年，美國(guó)贈(zèng)予我國(guó)的月巖樣品。現(xiàn)收藏于北京天文館。
大家應(yīng)該都聽(tīng)說(shuō)過(guò)這個(gè)故事了，1978年5月28日，美國(guó)派出總統(tǒng)國(guó)家安全事務(wù)顧問(wèn)布熱津斯基訪問(wèn)中國(guó)，并帶來(lái)了卡特總統(tǒng)向中國(guó)贈(zèng)送的禮物：質(zhì)量?jī)H1克的月巖樣品。月巖樣品放在一塊有機(jī)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(rèn)識(shí)月球做出更多貢獻(xiàn)。
關(guān)注科學(xué)的朋友應(yīng)該還會(huì)聯(lián)想到另外一個(gè)重要問(wèn)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(lái)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(wèn)題。
對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，騰訊新聞知識(shí)官，地球和行星科學(xué)家，中國(guó)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(yáng)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(hào)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(shí)有很大的利用價(jià)值，可以作為可控核聚變的原料。但是氦-3的提取是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程，它的豐度要達(dá)到一定含量才會(huì)有提取利用的可能。目前人類技術(shù)水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到開(kāi)發(fā)、運(yùn)輸和利用的程度，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)講現(xiàn)在還為時(shí)尚早。
嫦娥五號(hào)已經(jīng)安全回家，最后讓我們來(lái)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(diǎn)10分，嫦娥五號(hào)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(jìn)入月球軌道，完成了我國(guó)探測(cè)器首次在地外天體起飛的壯舉。
12月6日5時(shí)42分，嫦娥五號(hào)上升器成功與軌道器和返回器組合體交會(huì)對(duì)接，并于6時(shí)12分將樣品容器安全轉(zhuǎn)移至返回器中，實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月球軌道無(wú)人交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移。
12月12日9時(shí)54分，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體經(jīng)歷了約6天的環(huán)月等待，實(shí)施了第一次月地轉(zhuǎn)移入射，從近圓形軌道變?yōu)榻曼c(diǎn)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(guò)月球軌道上的軌道機(jī)動(dòng)，使軌道器和返回器組合體進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。
12月13日9時(shí)51分，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體實(shí)施第二次月地轉(zhuǎn)移入射，在距月面約230公里處成功實(shí)施四臺(tái)150牛發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，約22分鐘后，發(fā)動(dòng)機(jī)正常關(guān)機(jī)。根據(jù)實(shí)時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)視判斷，軌道器和返回器組合體成功進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道。
12月14日11時(shí)13分，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體上的兩臺(tái)25牛發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)15分，嫦娥五號(hào)軌道器和返回器組合體上兩臺(tái)25N發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，經(jīng)過(guò)23天的太空之旅后，嫦娥五號(hào)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(chǎng)著陸。
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厲害了。雖然不全是我關(guān)心的問(wèn)題，但還是了解了不少東西。