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新知 | 我们为什么要去月亮上“挖土”?什么时候可载人登月?
2020/11/10 19:55  新华报业网  

  交汇点讯 1969年7月20日(世界时),阿波罗11号飞船成功降落在月球表面。美国宇航员阿姆斯特朗代表人类首次登月并采集回了月壤样本。时隔半个世纪,中国终于也要采集月壤了。按照计划,我国将于11月24日凌晨在海南文昌航天发射场使用长征五号遥五运载火箭择机发射嫦娥五号月球探测器,通过铲取、钻取两种方式,采集月球样品并带回地球。

  我们为什么要万里迢迢去月亮上“挖土”?这些样品能发挥什么作用?《科技周刊》记者采访到天文专家,一起去探寻“挖土”背后的故事。

  13年飞天路,嫦娥五号拉开“回”的序幕

  从2007年发射了嫦娥一号开始,我们国家的嫦娥飞天之路已历经13年。前不久,中国探月工程副总设计师于登云表示,中国将在今年完成嫦娥五号探测器的发射工作。

  “作为21世纪国家最重要的航天与空间探测任务之一,中国探月工程主要包括绕、落、回三大目标。”南京天文爱好者协会理事张瀚告诉《科技周刊》记者,其中嫦娥一号和二号完成了“绕”,嫦娥三号和四号完成了“落”和“巡”,而即将发射的嫦娥五号将正式拉开“回”的序幕。目前所有已完成任务都非常顺利,可谓“万无一失”。

  中国探月工程官方发布的消息显示,这次嫦娥五号发射成功将有望实现中国航天史上的四个“首次”,首次自动在月球表面进行月球土壤的采集;首次在月球表面起飞;首次在距离地球38万公里的月球轨道上完成对接与采集物品转移;首次带着月球土壤用接近第二宇宙速度返回地球。“其实,早在嫦娥四号,就已经实现人类首次。”张瀚提到,嫦娥四号是人类首个安全降落在月球背面的探测器,开创了月球探测的新篇章。

  他表示,中国航天已将探月工程规划到了嫦娥六号、七号和八号。其中六号、七号主要任务是深入开展包括月球南极在内的不同月球地貌考察取样并可能涉及到中外航天合作,八号的任务甚至考虑到了未来在月球建立科研基地的可行性。再之后,中国航天会考虑逐步有序地开展载人登月任务——将中国的航天员送往月球并在月球建立科学实验基地。

  谈到中国探索月球的国际水平,张瀚总结道:“领先但不领头。美国人早在51年前的1969年就已经成功实现了载人登月。中国虽然起步较晚,但我们的发展速度很快,正在与第一梯队的世界顶尖水平不断缩小差距。”在他看来,我国探月工程在任务规划实施上步伐稳健,目标明确,每一次任务都圆满甚至超额完成,符合中国人务实和扎实的做事风格。

  此次嫦娥五号发射将有望实现中国航天史上的四个“首次”,张瀚表示,中国航天正迈入高速发展时代,我国已经掌握了较为成熟的包括返回和交会对接在内的载人航天技术,经反复验证后还拥有了技术可靠的长征五号系列大推力运载火箭;以探月工程和行星探测工程为代表的深空探测技术也发展顺利,中国航天人有信心完成这四个“首次”。

  跨越38万公里的“挖土”,全程“全自动”

  嫦娥五号的任务是收集月球正面一个先前未经探测区域的物质样本,并将它们送回地球。如果这次任务成功,它将取回自上世纪60年代和70年代美国和苏联的月球探测任务以来的第一批月球物质。

  “嫦娥五号按设计能力将采样1至4公斤左右的月球土壤和岩石标本返回地球。”张瀚介绍说,嫦娥五号包括着陆器、上升器、轨道器和返回器。进入月球轨道后,着陆器和上升器与轨道器分离并下降到靠近“吕姆克山”的地方,从地球上看,这是一片广阔、黑暗的熔岩平原。“月球探测器的降落区域都会提前做好探测规划,需要为包括着陆安全在内的因素综合考虑降落区域的平整度和采样难度。这次嫦娥五号选择的落脚点,除考虑着陆器降落和上升器再次起飞的安全外,还要考虑落脚点的平稳,因此降落地位于月球风暴洋附近。”张瀚说,该区域土壤体质更为新鲜和年轻,各种包括放射性元素在内的拟分析元素含量可能更加丰富,有利于月球的科学研究。

  据介绍,一旦探测器着陆,它将就地钻取月球物质,并将采集到的样本封装储存在上升器中。张瀚说,这项任务的第一处难点在于着陆器的安全着陆;第二处难点在于钻取和封装样本,这对我们尚属首次;第三处难点则是“回”的阶段,“上升器需要在月表克服月球引力再次返回绕月轨道与轨道器对接,最终采样标本被转移到返回器后由返回器平安带回地球。这些自动采样、对接和返回技术是以往‘绕’和‘落’阶段所没有的。”如果一切顺利,嫦娥五号将在采样成功后返回地球,携带采样标本的返回器将降落在中国北方内蒙古的四子王旗。

  此次任务成功后,是否意味着中国人离登上月球更近了一步?张瀚认为,虽然我国已具备较为成熟的LEO近地轨道(距离地球表面几百公里)的返回技术,但月球距离地球有约38万公里之遥,对于我们,从月球安全返回地球还属探索尝试阶段,需要反复验证才能确保载人任务的安全性。载人登月除了各种复杂的交会对接和返回技术,还需要更大推力的运载火箭支持。按目前立项和发展进程推测,我预计在2030年至2035年期间中国可能会实现成功载人登月并安全返回。

  挖的土可谓“寸土寸金”,有望解决地球能源问题

  几十年前,美国、苏联相继从月球获取样本,这些样本的研究为科学家们确立现代行星科学提供了帮助,为认识各类行星的地质演化过程提供了参考。既然已经站在“前人的肩膀上”,我们为什么还要去月球上“挖土”?

  “月面环境与月球土壤、岩石的特性是月球科学研究的重要基础,通过深入研究月球土壤等样本,可以帮助人类更加深入地了解月球的物理化学特性,揭开月球起源和地质构造及演化的秘密,为人类未来在月球建立基地、科学合理利用月球资源提供多方面的信息和帮助。”张瀚解释道。

  科学无国界,但科研及科学技术成果的应用有国界。张瀚坦言,去月球“挖土”不仅仅是为了月球样本,这些样本对研究月球起源演化及资源利用都有很大帮助,而随“采集”带来的一系列航天和周边技术发展更迭也会对我们的科技发展产生深远影响。美国阿波罗时代共采集到月球样本300多公斤,1978年卡特总统访华时曾赠送给中国1克月岩做礼物,现有半克存于北京天文馆对公众展示。而不久的将来,我们可以看到更多更大的由我们自己采集到的月球样本。

  张瀚透露,之前的研究显示,月壤中存在氦-3,这种元素具有安全、清洁、高效的能源特点,在发生核聚变时不产生中子,不会有中子轰击和活化问题,理论上没有放射性沉降,是安全和理想的燃料来源。“人类文明的下一次飞跃很可能是能源变革带来的飞跃,对氦-3的开发和利用意义非凡。”张瀚表示,虽然氦-3在地球上极其稀少,但在月球却有超过百万吨的储量。按目前地球能源消耗规模,仅百万吨氦-3就可维持地球能源消耗数千年之久。仅能源一项,月球开发的意义就不言而喻。

  “月球还可作为人类探索深空理想的中转站,比如我们在月球建立基地,不但可以以地球外视角观测宇宙深空,还可以为航天器在遥远旅途中提供测控支持和燃料补充等。”谈及此次探测任务,张瀚表示,目前,人类已全面迈入深空探测时代,我们的视野和目标从地球到月球,再到火星、木星等更加遥远的太阳系行星以及它们的卫星。未来,人类将对太阳系的各种天体进行包括着陆和采样在内的精细化探测,同时也会加快寻找宇宙暗物质的蛛丝马迹,设计和制造出更快更高效的航天器以突破太阳系屏障,深入探索更加广袤的宇宙深空。

  交汇点记者 张宣 图 视觉中国

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责编:周莉娜

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