姗姗来迟--嫦娥五号这位“美人”开始她的“步月旅程”了！”

原作：汪荣鑫

校对：牧夫校对组

编排：赵书晨

后台：库特莉亚芙卡 李子琦 徐⑨坤

今天凌晨4：30, 嫦娥五号乘坐长征五号成功发射升空，这代表着中国航天器又一次踏上了前往月球的旅途。与前几次不同的是，这次我们拿到的是一张“往返票”，嫦娥五号将会带着一些来自月球的纪念品——月壤重返地球。

   中国探月工程：“嫦娥工程”

按照技术的从易到难，嫦娥工程可以分为三步走：“绕”、“落”、“回”。2007年10月24日，第一颗月球探测卫星嫦娥一号从西昌升空，经过近14天、206万公里飞行、8次变轨后，嫦娥一号到达月球附近，开展绕月探测，实现了中国探月工程的首次突破。

嫦娥一号轨道图。

图源：国家航天局

作为我国自主研制并发射的首个月球探测器，嫦娥一号携带了7种科学仪器，分别是CCD立体相机、激光高度计、干涉成像光谱仪、伽马/X射线谱仪、微波探测仪、太阳高能粒子探测器和太阳风离子探测器。

可不要小看嫦娥一号，虽然是系列任务里最简单的一颗探测器，但它搭载的立体相机在约200千米轨道高度上获取了月面影像。这些数据构建了一副全月图，为后续的着陆任务奠定了坚实的基础。

嫦娥一号拍摄的平面月图，分辨率120米，包含高度信息。可以前往http://moon.bao.ac.cn/Moon/index/index.html# 进行进一步探索。

图源：探月工程数据发布与信息服务系统

2009年3月1日，嫦娥一号完成使命，撞击月球表面预定地点：位于月球东经52.36度、南纬1.50度的丰富海区域。一年后的国庆节，也就是2010年10月1日，嫦娥二号再次从西昌起飞。经过遥远的飞行之后，嫦娥二号来到距离月球约100千米的轨道。相比嫦娥一号的轨道高度，这里离月球更近，嫦娥二号也有着更好的相机，拍摄了分辨率优于10米的月面影像。在详细勘察了嫦娥三号预选着陆区虹湾后，嫦娥二号没有撞击月球，而是走上了继续探测宇宙的道路，由探月卫星变为中国首颗太阳系人造小行星。

嫦娥二号轨道图。

图源：国家航天局。

嫦娥二号完成预定任务后，先飞到距离地球150万公里外环绕日地拉格朗日L2点飞行，接着飞到距离地球700万公里外，与“战神”图塔蒂斯小行星擦肩而过，继而飞向更遥远的太空。2014年嫦娥二号和地球的距离突破一亿公里，创造了中国航天器最远飞行记录。

嫦娥一号和二号验证了探月的关键技术，并对着陆地点进行了详细的探测。终于轮到嫦娥三号粉墨登“月”了。2013年12月2日，还是在西昌，嫦娥三号探测器乘坐长征三号乙加强型火箭成功发射升空。12月14日嫦娥三号着陆月面，着陆器和巡视器（没错，就是大名鼎鼎的“玉兔号”月球车）实现分离。从此，嫦娥与玉兔不再是关于月球的美好传说中的幻想，而是中国探月科学家和工程师的一次梦想成真。第二天，“嫦娥”和“玉兔”还在月球上玩起了“互拍”。

嫦娥三号与玉兔号。

图源：国家航天局

不过，紧随其后的并非是嫦娥四号，而是一颗中继卫星，鹊桥号。鹊桥号是世界首颗运行在地月拉格朗日L2点的通信卫星。有了它，从地球发出的控制信号才不会被月球阻挡，这为嫦娥四号降落月球背面奠定了基础。

嫦娥四号和嫦娥三号其实是一对“孪生姐妹”，是后者的备份星。2018年12月8日，嫦娥四号发射升空，并在2019年1月3日10时26分，携带玉兔二号月球车，软着陆于月球背面南极附近的冯卡门环形山内。这也是人类探测器第一次在月球背面软着陆。

嫦娥四号还是一颗长寿的探测器，截至11月23日，嫦娥四号已经完成了24个月昼的工作，工作时长突破690个地球日，至今仍在工作中；玉兔二号累计行驶里程近600米。他们都是远超设计寿命工作的“长者”了。

玉兔二号还有自己的微博，会用通俗易懂的语言介绍自己的工作情况和科学发现。

图源：@月球车玉兔二号

到这里，似乎一切都很顺利，但彼时嫦娥五号还不能上天。细心的读者已经注意到了，此前的任务都是在西昌由长征三号系列运载火箭发射升空的。问题是，嫦娥五号登月后还要返回地球，势必要携带更多载荷和燃料，总重量将远超她的“姐姐”们。为了将嫦娥五号按计划送上月球并实现返回，我们需要一款推力更大、直径更粗的火箭，在一个更好的发射地点发射。这就是专属于海南文昌的“胖五”。

长征五号：中国现役运载能力最强的火箭

长征五号有多厉害呢，让我们直接来看一组数据：长征五号运载火箭是捆绑四个助推器的两级半构型火箭，其芯级直径为5米，采用液氢液氧发动机。液氢燃料是目前最好的燃料，能够提供最强的推力，而且安全无毒。长征五号的四个助推器直径3.35米，与长征三号芯级相当，采用液氧煤油发动机。火箭全长为57米，起飞重量为854.5吨，起飞推力为1062吨，近地轨道最大运载能力为25吨，地球同步转移轨道最大运载能力为14吨。

我国现役火箭对比图。

图源：新华社

长征五号的成功之路并不平坦。虽然早在2016年11月3日，长征五号就首飞成功了，但是在2017年7月2日的任务中，长征五号遥二火箭发射失败。在之后两年间科技人员卧薪尝胆，三次将故障归零，最终实现去年十二月成功复飞，长征五号将实践二十号卫星送入预定轨道，发射飞行试验取得圆满成功。有了可靠的胖五，我们才能够带着嫦娥五号前往太空。

嫦娥五号探测器和长征五号运载火箭尺寸比较示意图。

图源：@我们的太空、@赵若泓rhZhao

另外，这次的发射场从西昌来到了海南。一方面，西昌位于祖国内陆，火箭运输依靠铁路货运，一路上的山洞限制了火箭的尺寸。因此，芯级直径5米的长征五号只能通过海运到达唯一在海边的文昌发射场。另一方面，文昌的纬度是我国四大发射场中最低的。这意味着，地球自转在此处的线速度最大，火箭就可以乘着这个初速度，更轻松地把载荷送入轨道。当然，这仅仅是针对向东发射的轨道而言。

长征五号虽然实力强劲，但相比那些历史上出现过的，或者未来即将出现的强力火箭，还是一个“小弟”。未来长征九号将进一步升级，成为在世界上都引人注目的重型火箭，承担前往星辰大海的更多任务。

超级重型火箭对比图，从左至右依次为：能源号、重型猎鹰、叶尼塞、长征九号、太空发射系统1型、N1“质子”、土星五号、太空发射系统2型和星舰。

图源：Wikipedia

一捧土的艰难与意义

万事俱备，只欠东风。我们花了那么大的力气，走了那么长的技术道路，现在终于有能力实现嫦娥工程的最后一步：“回”了。这一步究竟有多复杂，多艰难呢？

按照功能和任务，嫦娥五号可以分为四个主要部分：

· 轨道器

· 返回器

· 着陆器

· 上升器

首先，嫦娥五号要经过数次加速、变轨、减速，进入轨道稳定环绕月球。在合适的时机，着陆器连同上升器分离、减速，缓缓着陆在月球上。然后在月球表面打钻取样或通过机械臂取样，并将月壤样本存放在上升器中。上升器与着陆器分离，后者将会永远留在月球上，而前者进行加速后，重新进入月球轨道，与轨道器和返回器对接。交接完样本之后，上升器也会被永远留在月球轨道上，而由轨道器带着装载了月壤的返回器踏上返程。在进入返回轨道后，轨道器也将分离，只有返回器能够最终降落在地球上。

嫦娥五号月球采样返回任务图示。图源见右下角。

那我们不禁要问，费这么大的力气，获得的月球土壤或月球岩石，究竟蕴含了多少奥秘呢？

中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙指出，

月壤是研究月球的样本，由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成，其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。科学家通过研究这些月壤物质，既可以了解月球的地质演化历史，也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

在国际上，采集月壤其实是非常“流行”的一项活动。

在国际上，采集月壤其实是非常“流行”的一项活动。冷战期间，美苏都热衷于去月球采样。苏联的月球16号、20号和24号探测器从月球各地采集到了总共超过300克的样本。美国——凭借着阿波罗历次任务——一共采集了6次共381.7千克的月壤样本。全国空间探测首席科学传播专家庞之浩在一次采访中提到，科研人员通过研究发现，月壤和月岩中氧化铁的含量很高，从中可以制取水和氧，未来可利用月面物质支持月球基地的运行，并为登月飞行器补充燃料。更重要的是，科学家还在采集回来的样品中发现了核聚变的理想原料氦-3。按照目前地球的能源消耗规模，月球上的氦-3用于核聚变发电后能够满足人类约1万年的能源需求。

1978年美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时送给中国一块一克重的月球岩石，其中半克被用于我国科学研究。图中这位分割月岩的正是素有“嫦娥之父”之称的探月工程首席科学家欧阳自远 

图源：网络

这一次我们计划带回2000克月球样品。之所以能够远超苏联，是因为我们现在有了对接转移技术和方案，减少了对燃料的需求。另外根据相关报道，此次嫦娥五号可能会选择月球正面最大的月海风暴洋着陆，此地还未曾被其他国家的探测器到访过。

希望这次嫦娥五号带回来的纪念品，能够进一步推进中国和全人类对月球的认识，让我们对这颗熟悉的邻居更加了解。

『天文时刻』 牧夫出品

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今晨长征五号出征的火焰

图片来源：中国航天