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【新华日报】紫台、南航专家解读嫦娥探月:飞天揽月!“嫦五”开启月球“挖土”之旅

  这必将是载入中国航天史册的一天。

  2020年11月24日4时30分,我国在文昌发射场用长征五号运载火箭,成功将嫦娥五号探测器送入预定轨道,开启探月三期收官之旅。这一次,“嫦娥”不仅将实现“奔月”的目标,还计划带着月球的“礼物”—约2公斤左右的月球土壤样品返回地球。《科技周刊》记者专访中国科学院紫金山天文台研究员吴昀昭、南京航空航天大学航天学院闻新教授,为大家先容本次探月计划和我国探月史。

  “打包”2公斤月壤回地球

  本次嫦娥五号月球探测器计划首次实现从月球的采样返回,把月壤或月岩等宝贵样品带回地球,届时将有望为我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走发展战略画上一个圆满的句号。“前两步‘绕’和‘落’,大家完成得都很成功,而第三步是这一系列工程中最为复杂的一个。”吴昀昭说。

  吴昀昭先容,嫦娥五号探测器着陆后,将钻入地下2米深,挖掘大约2公斤的月球物质,并储存在上升器中。“由于嫦娥五号计划采用月球轨道无人对接方案来转移月壤,上升器无需搭载返回舱,只需少量燃料,因而嫦娥五号采样重量相比于苏联月球计划有大幅提升。”

  这两公斤重的样品不仅包括月球表面的“表样”,也包括“柱样”(即在月球表面打2米深的柱子时,柱子上的土壤样品)。它们对人类来说蕴藏着巨大的科学价值。“月壤是由月球岩石在遭受微陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用而形成,其中包含了大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质,记录了月球的地质演化历史及太阳活动的历史,是人类了解月球、认识月球的第一手资料。”

  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,还可以为遥感探测数据做验证。“月球样品代表了月球真实的物质组成和特性,对于深入认识月球具有重要科研价值,也为遥感探测提供真值,没有样品的遥感解译存在风险,让人担忧。”吴昀昭先容,正是这些样品,支撑了月球的大撞击假说并建立了岩浆洋模型。

  “怎样回来”比“怎么挖”更难

  据了解,往返距离近80万公里的嫦娥五号月球探测任务预计将持续一个月左右,其中在月面采样大约耗时两天。

  月壤“怎么挖”是读者们重点关心的内容之一,不少读者兴许已经开始“脑补”一只机器手从嫦娥五号中伸出,进行挖掘的科幻画面。能把“挖掘机”开到月球上去,这是多么神奇的一件事!但闻新告诉记者,相比“怎么挖”,怎么返回才是嫦娥五号要面临的最大难题。

  “返回是嫦娥五号要面临的最大难题,月球的重力是地球的六分之一。在月球表面,嫦娥五号的起飞相对会容易一些,但一旦进入大气层,就是考验科研人员的关键期了。”不同于之前的嫦娥一至四号的“单程票”,嫦娥五号此次的探月之旅,科研人员们预备的是一套往返双程的旅行“套餐”。因此,它的“行李”也更多一些。闻新先容,嫦娥五号由轨道器、着陆器、上升器、返回器组成,会在月球轨道、月球表面、地球上空进行多次分离和对接。

  嫦娥五号返回时,必须脱离月球引力才能离开月球。在快速回到地球时,要是来不及“刹车”,会有撞毁的可能。科研人员为此设计了一种“打水漂”式的返回方案。嫦娥五号返回时先进入大气层,依靠大气层的升力再跳出去,然后再次进入,一进一出,便实现了减速。

  此次探测有望确定月球年龄

  上世纪,美国和苏联都很热衷于去月球采样。苏联前后三次将无人探测器送到月表,从月表采集了共计326克样品。而美国通过阿波罗计划成功实施了6次载人登月,并带回382公斤月壤和月岩样品。“通过对他们采回的月球样品的分析,科学家们取得了丰硕的成果。”吴昀昭说。人们通过研究发现,阿波罗17号采集到橘红色玻璃颗粒,这些颗粒富含挥发份,它们是在月幔部分融化过程中,于月球表面下约500公里深处形成,因火山活动而喷出到月球表面。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。

  “嫦娥五号的取样地点也有特色,远离过去美国和苏联采样地点,具有互补性。”吴昀昭先容,嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,此地从未有其他国家的探测器到访过。风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素。此前对美国及苏联获取的月球样品的研究表明,月球火山活动在35亿年前到达顶峰,然后逐渐减弱并停止。“风暴洋内部充填着大量的年轻玄武岩,模型预测年龄在13亿到20亿年,如果能获得这些年轻玄武岩的放射性同位素年龄,将有助于推进月球火山活动的历史,加深对月球热演化历史的认知。”

  此外,此次探测任务有望确定月球年轻玄武岩的年龄,并修正表面定年模型。“目前国际上广泛使用的星体表面定年模型,是基于美国和苏联获得的月球样品的放射性同位素年龄。”吴昀昭说,这些样品的年龄在距今10亿年到30亿年存在明显的空缺。“嫦娥五号如果能采集年轻玄武岩,将有望填补样品年龄的空缺,修正行星表面定年模型。也将真正认识年轻玄武岩的成分特征。”

  未来会不会送宇航员上月球

  嫦娥五号的采样,让不少读者升腾起新的念想:在未来,大家能不能把宇航员送到月球上去?闻新给了一个肯定的答复,“载人登月”已经是中国航天的“小目标”之一。“这一次大家发射的是嫦娥五号,在未来还会有嫦娥六号、嫦娥七号,目前至少已经规划到了嫦娥八号。”

  根据中国国家航天局公布的计划,对月球南极的探索将由嫦娥六号和七号来完成。而嫦娥八号则将进行一些关键技术的月面试验,为建设月球科研基地做一些前期探索。

  “大家此前已完成了绕月探测、落月探测。完成这些任务之后,大家还要建设月球基地并筹备载人登月。”11月23日,中国月球探测工程首席科学家欧阳自远院士在文昌发射场接受媒体采访时表示,我国还将探测太阳系的其他几个行星,向太阳系的星辰大海挺进。

  “其实,对月球研究越深入,大家越发现自己不了解月球。”吴昀昭坦言,之前认为月球很简单,现在发现它很复杂。“比如年轻火山的活动及构造,月幔、月核的成分和结构,月球正面与背面不对称特征(玄武岩深度)及其原因等,还有许多需要大家去探索。”

  “21世纪初的嫦娥探月工程极大地推动了整个学科的发展。”吴昀昭说,自嫦娥工程开始之后,很多高校和科研院所都开展了这方面的研究,并开始成立相关院系。“对月球的研究可以说是百花齐放,涉及地球化学、地球物理、遥感探测等,很多从事地球研究的科研人员,开始把他们的研究方法用到研究月球上去。”吴昀昭说,2019年,中国高校行星科学联盟成立,以助力推动行星科学成为一级学科。

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  我国探月史

  月球是地球唯一的卫星,也是距离地球最近的卫星,因此人类首先探索的星球是月球,未来考虑建设星际基地的目的地也是月球。事实上,人类对月球的研究,自300多年前伽利略利用望远镜观测月球就开始了。人类还未实现登月的时候,就对月球充满了希望。

  “我国对月球的研究,可以嫦娥探月工程为划分点。在这之前,以欧阳自远院士为代表的早一代天体化学家对美国赠与的1克月球样品中的0.5克进行了大量研究。”吴昀昭说。

  1978年,时任美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时,向中国赠送了1克月球样品。“1克的样品虽然很少,但对于做研究已经足够。”因为样品大小有限,当时欧阳自远团队先做了非破坏性测试与研究,最后才做破坏性的测试与研究,包括矿物成分、结构构造、化学成分、微量元素、物理性质、产出环境。最后科研人员不仅判断出该样本是在阿波罗17号任务中采集的,确认了采集地点,甚至还分析出石头所在地区是否有阳光照射。根据对这块石头的研究,他们共发表了40篇文章。保存下的另外0.5克样品,现由北京天文馆收藏。

  2004年,中国正式开展月球探测工程,并命名为“嫦娥工程”,规划为“绕、落、回”三期。

  一期任务实现环绕月球探测,2007年10月24日,“嫦娥一号”成功发射升空,获取了全球首张月球表面全域三维立体影像,并帮助人们了解了6大常量元素在月球表面的分布情况。

  二期任务实现月面软着陆和自动巡视勘察。嫦娥三号探测器于2013年12月14日成功着陆在月球正面雨海盆地内,并开展了巡视勘察。嫦娥四号作为嫦娥三号的备份星,2019年1月3日成功着陆在月球背面的冯·卡门撞击坑内,实现人类首次到月球背面的软着陆。

  三期任务实现无人采样返回。24日凌晨发射的嫦娥五号即属于三期任务,计划着陆于月球正面的风暴洋地区,并采样返回地球。嫦娥五号的任务,也是我国无人月球探测的收官之作。

  本报记者 蔡姝雯 杨频萍 王 甜

    来源:http://xh.xhby.net/pc/layout/202011/25/node_11.html#content_854588

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