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撰文 | 乔辉
据央视新闻消息，2020年12月17日凌晨2点左右，经过23天的太空之旅后，嫦娥五号返回器携带2千克月壤样品成功在内蒙古中部四子王旗着陆场着陆。标志着我国首次月球采样返回任务圆满完成！
据悉，嫦娥五号返回器的体积只有神舟飞船返回舱的七分之一，落区范围（着陆面积）却是后者的16倍，加上着陆场高寒冰雪的环境，这些都给搜寻工作造成了一定困难。
图注：2点20分左右，空中搜索队员已经通过红外相机发了返回器。
图注：2点30分左右，地面人员赶到，传回可见光画面。
按计划，回收后的嫦娥五号返回器在完成必要的地面处理工作后将空运至北京开舱，取出样品容器及搭载物。
从1976年前苏联月球20号探测器最后一次月球采样返回算起，这是时隔44年后人类再次采回月球样品。
一、为什么选择在内蒙古四子王旗着陆？
除了本次嫦娥五号之外，此前我国神舟系列载人飞船也都选择在内蒙古四子王旗着陆场着陆。
资料显示，四子王旗海拔1000米到1200米，属沙质草原，地势平坦开阔，没有大的河流湖泊，属中温带大陆性气候，全年干燥少雨，空气能见度高。这一地区以畜牧业经济为主，牧民基本定居，大多孤门独户，人烟稀少，每平方公里人口不超过10人，房屋和高大树木占地面积远小于草地总面积的千分之一。因此，非常适合作为飞船的着陆场。
二、为什么嫦娥五号返回要采用“打水漂”的方式？
这段时间，关心嫦娥五号探月的朋友可能已听说，嫦娥五号采用所谓的“打水漂”的方式返回。为什么要采用这种方式？其实这种返回方式绝不是为了好玩儿，其背后有深刻的科学道理。
返回器从38万公里之外的月球飞往地球的过程中，相当于从38万公里的高度“掉”向地球，来到地球附近的时候，其速度已接近地球的第二宇宙速度（11.2公里每秒）！
我们知道，此前我国神舟飞船是在近地轨道上围绕地球运动，其速度接近地球的第一宇宙速度（7.9公里每秒）。
也就是说，嫦娥五号返回器的速度比神舟飞船返回器的速度要快得多，需要采用在地球大气层上“打水漂”的方式来延长减速过程和冷却时间，降低气动加热和冲压对舱体的危害。
根据此前官方给出的图片显示，返回器在深入地球大气层60公里处开始反弹上升，爬升到100公里到140公里的高度后，重新进入大气层降落。
从上面可以看出，返回器在进入大气层的第一阶段所积累的热量，在跃回高空后得到了有效耗散，重新进入大气层后，速度就小得多了。
其实，这种“打水漂”的返回方式在科学上称为“半弹道跳跃式再入”，其中有两个关键词“半弹道”和“跳跃”。
所谓“半弹道”是指航天器在进入地球大气层时，可在一定程度上通过控制气动升力来控制落点方向，区别于“弹道式”返回的完全无升力协助。
所谓的“跳跃”是指航天器进入大气层后，由于气动升力的作用，再向上跃起，做出飞出地球大气层的动作。随后，航天器会在地球引力作用下，重新返回地球大气层。当然，这只是一个极简化的说法，专业上的解释要复杂和严格得多。
讲到这里，可能有朋友会问，为什么不采用火箭反推的方式减速？
一方面，嫦娥五号抵达月球的时候，就是利用火箭发动机反推的方式进行的减速，那是因为嫦娥五号抵达月球的时候速度本身已经比较低了，不像返回地球一样拥有几乎接近地球第二宇宙速度的速度。
图注：科幻电影《星际穿越》中的剧照。男主驾驶徘徊者号飞船靠“米勒星球”上的大气阻力进行减速降落，舍不得用宝贵的燃料。
另一方面，月球没有大气层，无法利用大气层减速，使用火箭发动机反推减速是必须的。但使用火箭发动机反推减速需要消耗燃料，就需要火箭在发射的时候携带更多的燃料，这无疑给火箭增加了负担，降低了有效载荷的重量，要充分利用地球大气减速。
其实，早在2015年我国就进行了“嫦娥五号再入返回飞行试验器”，提前成功进行了高速返回测试，为确保本次嫦娥五号任务顺利实施和探月工程持续推进奠定了坚实基础。但由于本次是携带样品返回，样品储存装置以及样品的质量要叠加在上面，还是有少许不同。
当嫦娥五号返回器降低到一定高度，速度达到开伞的条件后，降落伞展开进一步降低其速度，并最终安全落地。
三、嫦娥五号挖回的月壤存放在哪里？
根据此前的报道，国家天文台已建成国内首个“月球样品实验室”，为避免月球样品受到地球大气、水等环境污染做好了准备，已具备“地外样品”存储、处理和分析的能力。月球样品返回地球后，地面应用系统将与探测器系统完成月球样品交接，在月球样品实验室完成表取和钻取样品的解封、分样和存储。月球返回样品经初步测试分析、描述和建库后，根据授权进行发布，开展长期的实验室研究。
四、嫦娥五号挖回的月壤主要用途是什么？
此前，科学家通过对美国和前苏联带回的月球样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。
但通过对月球表面的其他特征观测表明，某些区域可能含有最近10至20亿年前才形成的火山熔岩，这又说明月球上的火山活动可能停止得相对较晚。
图注：月球正面主要的月海。左上角红圈就是吕姆克山，也是本次嫦娥五号着陆区域。
根据此前的报道，嫦娥五号是从吕姆克山脉附近采集的月壤样品，那里存在大约13亿至20亿年前的玄武岩。科学家通过对这些岩石样本的研究，能够最终确认该区域火山活动是何时停止的，这将对月球的演化历史提供最重要的线索。
因此，当嫦娥五号把吕姆克山脉附近的样品带回地球后，科学家在实验室通过对这些样品进行分析，有望解决这个经典的难题。
图注：1978年，美国赠予我国的月岩样品。现收藏于北京天文馆。
大家应该都听说过这个故事了，1978年5月28日，美国派出总统国家安全事务顾问布热津斯基访问中国，并带来了卡特总统向中国赠送的礼物：质量仅1克的月岩样品。月岩样品放在一块有机玻璃内，看上去有指甲盖般大小。这份样品被一分为二：一半珍藏在北京天文馆让公众参观；另外一半用于研究，研究人员竟然发表了十多篇重要论文。
那小小的半克月岩样本都能发表十多篇重要论文，我们自己采回的2千克样本，肯定能发表更多丰富成果的论文了，为人类认识月球做出更多贡献。
五、采回来的月壤样品能够揭开更多氦-3的秘密吗？
关注科学的朋友应该还会联想到另外一个重要问题，我们这次取回的样品是否也是为了研究月壤中的氦-3？我们知道，氦-3是氦的一种同位素，未来理论上可以作为核聚变的理想核燃料，能解决重大的能源问题。
对于这个问题，腾讯新闻知识官，地球和行星科学家，中国地质大学（武汉）肖龙教授表示，氦-3不是月球自己产生的，主要跟太阳风的注入有关，因此在月面上，越老的地方氦-3积累的越多。
嫦娥五号此次选择采集年轻地带的月壤，并不是冲着氦-3而去。理论上，氦-3确实有很大的利用价值，可以作为可控核聚变的原料。但是氦-3的提取是一个极其复杂的过程，它的丰度要达到一定含量才会有提取利用的可能。目前人类技术水平还远远达不到开发、运输和利用的程度，从实际应用的角度来讲现在还为时尚早。
六、嫦娥五号从月球返回地球经历了哪些过程？
嫦娥五号已经安全回家，最后让我们来回顾一下它从月球返回地球的这十几天经历了什么？
12月3日23点10分，嫦娥五号上升器搭载着从月球采集的样品从月面顺利起飞并成功进入月球轨道，完成了我国探测器首次在地外天体起飞的壮举。
12月6日5时42分，嫦娥五号上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接，并于6时12分将样品容器安全转移至返回器中，实现我国首次月球轨道无人交会对接与样品转移。
12月12日9时54分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体经历了约6天的环月等待，实施了第一次月地转移入射，从近圆形轨道变为近月点高度约200公里的椭圆轨道。月地转移入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动，使轨道器和返回器组合体进入月地转移轨道。
12月13日9时51分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体实施第二次月地转移入射，在距月面约230公里处成功实施四台150牛发动机点火，约22分钟后，发动机正常关机。根据实时遥测数据监视判断，轨道器和返回器组合体成功进入月地转移轨道。
12月14日11时13分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上的两台25牛发动机工作约28秒，顺利完成第一次月地转移轨道修正。
12月16日9时15分，嫦娥五号轨道器和返回器组合体上两台25N发动机工作约8秒钟，顺利完成第二次月地转移轨道修正。
12月17日凌晨2点，经过23天的太空之旅后，嫦娥五号返回器携带2千克月壤样品成功在内蒙古中部四子王旗着陆场着陆。
本文经授权转载自微信公众号“腾讯太空”。
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