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球采样返回 嫦娥五号如何从月球上“带货”回地球

主持人 郑琳
据国家航天局消息，2020年11月24日凌晨4时30分，中国首个月球采样返回任务“嫦娥五号”在海南文昌发射场，搭载长征五号运载火箭发射升空，奔赴月球。它的目标是采集约2公斤月球样品并送回地球。
球采样返回 嫦娥五号如何从月球上“带货”回地球
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这是中国的第六个月球探测任务，它不仅标志着中国“嫦娥”工程将完成“绕、落、回”三部曲的第三阶段目标，也意味着人类时隔44年，再次从月球带回岩石和土壤样品。上一次月球采样返回任务，还是1976年苏联的月球24号。
月球采样返回任务为什么那么重要？“嫦娥五号”又有哪些高难度的技术突破呢？本期科学汇就带大家探索一下嫦娥五号任务的秘密。
球采样返回 嫦娥五号如何从月球上“带货”回地球
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为啥不能多带点“货”回来
因为这影响着整个火箭的重量
嫦娥五号任务将有11个重大飞行阶段，分别是发射、地月转移、近月制动、环月飞行、月面下降、月面采样、月面上升、交会对接、月地转移、轨道分离、再入回收。整个飞行过程23天，有23次重大的轨道控制和6次重大分离控制。
虽然嫦娥五号的任务非常复杂，但一点也不鲁莽。其实，嫦娥五号任务的很多步骤，已经在此前的其他探测任务上试验过了。
在嫦娥五号即将抵达月球时，需要在火箭与探测器的分离点“踩一脚刹车”减速，这样才能到达环月轨道，并被月球引力捕获，继而按照计划让着陆器着陆月球。
这次，科学家提出的挖土目标是约2公斤——钻取的样品是约0.5公斤，表取的样品是约1.5公斤。很多同学会问，好不容易去一趟，为啥不多挖一点回来？
这是因为，采集量的多少需要与容器的大小相对应，继而影响到整个探测器的体积、重量，以及推进剂的需求。比如为了钻取0.5公斤的样品，探测器上的钻取机构要达到七八十公斤；为了表取1.5公斤的样品，表取机构也要几十公斤；这100多公斤的采样机构都要由探测器送到月球去，会影响到探测器整体的重量、体积和功耗。
所以此次发射质量非常大——嫦娥五号探测器的总重量达到8.2吨。增加样品重量就意味着最后可能会超过火箭的运载能力，所以2公斤的量已不算少了。
其次是在月球上打洞取样，一样不易。嫦娥五号携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等装置，将采取深钻、浅钻，以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式，采集月球样本，并进行密封封装。
接着，也是最重要的步骤之一——月面逃逸。
嫦娥五号飞到月球后，轨道器和返回器会保留在月球轨道上环绕，着陆器和上升器则分离出去，登录在月球上。等到采样任务结束，上升器会以着陆器为发射平台，点火发射脱离月面。这可是一个高难度科目，因为着陆器所在位置很可能凹凸不平甚至在斜坡上。
下一个突破是月球轨道的交会对接。在远离地球的太空里，上升器和轨道器之间的对接堪称“针尖对针尖”，这样高难度的宇宙空间定位，也完全依赖嫦娥五号自身的人工智能系统。
上升器成功对接返回器后，还要逃脱月球的引力，这就首先要达到月球的第一宇宙速度1.68千米/秒。而要脱离月球引力飞向地球，则需要达到月球的逃逸速度2.4千米/秒。
球采样返回 嫦娥五号如何从月球上“带货”回地球
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返回器进入大气层
姿势就像“打水漂”
嫦娥五号返回器返回地球的最后一步，也是难度技术很高的一个环节。因为返回器从38万公里远的月球风驰电掣般飞到地球附近时，速度会逼近第二宇宙速度（11.2千米/秒），这个速度远远高于普通返回式卫星返回地球的第一宇宙速度（7.9千米/秒）级别。
有同学会说，这3公里的速度差，会有很大影响吗？
当然会！以这样的速度直接冲进大气层，巨大的摩擦和冲击足以让返回器快速焚毁。所以，返回器采用了一个很特别的“姿势”回到地球——它将在大气层边缘滑跃，多次减速，就像“打水漂”一样。
【 球采样返回|嫦娥五号如何从月球上“带货”回地球】但和我们平常靠手感打水漂不同的是，返回器每一次与大气接触都要经过精准计算，最终以安全速度冲入大气，再通过气动减速和降落伞减速等方式，准确、安全降落在预定的着陆场。
为了嫦娥五号返回器的“打水漂”式返回，我国还曾在2014年，用嫦娥五号再入返回飞行试验任务演习了一遍。
那次任务是我国首次采用半弹道式跳跃的返回方式，返回器进入大气层后受控跃起，经过滑行再次进入大气层并飞向落区。但这种方式对控制精度提出了极高要求，返回器如果“跳”得过高会偏离落区，“跳”不起来则可能直接坠入大气被烧毁。然而距地面60—90公里的高层大气变化无穷，受到黑天白夜、太阳风、地磁场等多种因素影响，大气变化误差很大，需要制导导航与控制系统具备很大包容性。

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