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嫦娥五号任务实现了我国首次月面采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、携带样品再入返回等多项重大突破，其成功实施标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走规划如期完成。
▲内蒙古四子王旗着陆区现场的嫦娥五号返回器。来源国家航天局
12月17日1时59分，嫦娥五号返回器携带月球样品在内蒙古四子王旗预定区域安全着陆，探月工程嫦娥五号任务取得圆满成功。中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺电，代表党中央、国务院和中央军委，向探月工程任务指挥部并参加嫦娥五号任务的全体同志致以热烈的祝贺和诚挚的问候。
习近平在贺电中指出，嫦娥五号任务作为我国复杂度最高、技术跨度最大的航天系统工程，首次实现了我国地外天体采样返回。这是发挥新型举国体制优势攻坚克难取得的又一重大成就，标志着中国航天向前迈出的一大步，将为深化人类对月球成因和太阳系演化历史的科学认知作出贡献。对你们的卓越功勋，祖国和人民将永远铭记。
习近平强调，人类探索太空的步伐永无止境。希望你们大力弘扬追逐梦想、勇于探索、协同攻坚、合作共赢的探月精神，一步一个脚印开启星际探测新征程，为建设航天强国、实现中华民族伟大复兴再立新功，为人类和平利用太空、推动构建人类命运共同体作出更大的开拓性贡献。
国务委员王勇在北京航天飞行控制中心嫦娥五号任务飞控现场宣读了习近平的贺电。
嫦娥五号任务实现了我国首次月面采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、携带样品再入返回等多项重大突破，其成功实施标志着我国探月工程“绕、落、回”三步走规划如期完成。
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嫦娥五号带回的2千克样品，有怎样的价值？
▲北京天文馆收藏的0.5克月球岩石样本，由阿波罗17号飞船于1972年从月球采集。图/北京天文馆
这趟旅程困难重重、充满风险，嫦娥五号执行的多个任务都是中国首次尝试。拼命带回的这2千克样品将会带来什么研究成果，会产生怎样的深远影响？
从风暴洋采回全新样品
2006年起，半克月岩一直在北京天文馆展出。次年，嫦娥一号发射升空，之后每次嫦娥探测器发射，北京天文馆都会迎来特意观看月岩的观众。
这半克月岩是来自美国的礼物，由阿波罗17 号飞船的航天员带回地球。1978年，美国总统卡特安全事务顾问布热津斯基访问中国时将之作为赠礼。中国学者将其分为两半，一半用来研究，一半用来展示。
“这些年我们围绕这半克月岩策划了不少活动，跟观众介绍月球相关的知识。不过毕竟还是美国赠送的，我们更希望自己国家采集的月球样品，未来也能放在天文馆，让老百姓能够近距离接触。”北京天文馆名誉馆长朱进告诉记者。
中国月球探测工程首任首席科学家欧阳自远院士曾回忆，利用这半克月岩，当时中国学者花了4个月研究其化学成分、同位素、矿物质、采集地点等，发表了14篇研究文章，研究结果让美国同行信服。
月球的岩石和土壤，被认为对于研究太阳系有特殊的价值。全国空间探测技术首席传播专家庞之浩介绍，月球没有大气层保护，所以月表的月壤是受地外星体撞击，以及受到宇宙射线辐射和太阳风轰击等空间风化作用后形成的。通过研究月壤，能进一步了解月球状态、物质含量、地质演化历史，也可以为了解太阳活动等提供新的信息，这将帮助中国人在月球研究领域为全球做出贡献。
此次嫦娥五号降落的地点，位于月球正面风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆，从未有探测器到访过。这里存在大约13亿至20亿年前的玄武岩，对人类来说是全新的月球样本。
《自然》杂志文章称，此前对月壤样品的研究表明，月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰，然后减弱并停止。但对月球表面的观测发现，某些区域可能含有最近10亿至20亿年前才形成的火山熔岩，这与嫦娥五号着陆地区的年龄相仿。
“嫦娥五号降落的地点有别于以前的采样地点，有可能做出更新的研究成果，填补以前的研究。”朱进说。除了月球样品，研究人员还利用落到地球的月球陨石开展研究，但是陨石经历过复杂环境，与直接采自月球的纯净样品相比，后者更为重要。
▲嫦娥五号着陆于风暴洋北部吕姆克山脉附近，从未有探测器到访过，黄色为嫦娥五号着陆器着陆区。图/国家航天局
样品研究有助于月球资源利用
上世纪六七十年代，美国和苏联通过有人和无人采样的方式，总共从月球带回380多千克样品。这些样品让人类对月球和太阳系有了更深入的认识。
例如，通过对月壤样品的分析，科研人员确定，月壤由微小的桔红色玻璃形式颗粒构成，这些颗粒一般富含铝、硫和锌，在月壳部分融化过程中，在月面下约300千米深处形成，后因火山活动而喷出到月面。
美国航天员钻取了3米深的月球岩芯，发现土壤多达57层，每一层就是一次陨石冲击。科学家还通过样品分析，证实了月球上存在核能源氦-3，为后来月球研究和探测注入了巨大动力。
庞之浩说，氦-3是理想、安全、高效的核聚变燃料，这种资源地球上很少，只有10吨到15吨左右，而月球上的氦-3至少有约100万吨。如果开发出来进行核聚变发电，能满足地球上一万年的能源使用。”
科学家发现，月球土壤和岩石可以制取水和氧，氧化铁的含量也很高。这些元素都可以加以利用，成为未来建立月球基地的能量来源，这对建立月球基地的方式和路径产生了极大的影响。
NASA科学家表示，希望目前新一轮的样品研究可以推动更实际的月球开发。例如，通过使用月球资源，包括可用于制造火箭燃料或氧气的水冰，使航天员在月球上开展更深入的探索。这些样品也可能帮科学家探究月球极地冰层的成因，以及其他可能用于未来勘探的资源。
▲2019年11月，NASA研究人员时隔近50年打开阿波罗17号采回的月球样品，用现代科技对其开展研究。图/NASA
两千克样品的研究成果，应让公众知晓
虽然已经有近50年没有采集新的样品，但对月球样品的研究持续至今。
时隔40多年之后，2019年11月5日，美国航空航天局在休斯顿约翰逊航天中心重新打开了一批阿波罗飞船带回的月球样品。科学家从试管中提取样品，然后送去给研究团队进行研究。
自从阿波罗时代以来，所有返回地球的月球样品都存放在实验室中。其中大多数经过了充分研究，许多样品至今仍在被研究。但是，美国航空航天局还决定封存一些，以便未来使用更先进的技术进行分析。
去年打开的这批样品是阿波罗17号带回来的，包括月球岩石和土壤，被封藏了近50年，从未被接触过，与北京天文馆的月岩属于同一批。ANGSA科学家说，相比阿波罗计划开展的年代，由于过去50年的科技进步，科学家们有机会以以前不可能的方式分析这些样本，进行当时无法开展的检测。现在再度启动研究，有望获得关于月球的新发现，使阿波罗计划的科学效益最大化。
同时，拿出一部分阿波罗计划的样品，也能让新一代科学家练练手，为2020年代开始的未来登月任务做好准备。美国正在推进Artemis月球计划，计划2024年前让两名航天员登陆月球，并带回样品。到时候，新一代科学家将有新的研究任务了。
随着嫦娥五号返回，中国科学家也等到了向往已久的研究对象。“这两公斤的样品很宝贵，参与研究的机构需要一定的能力和基础，我们也希望以后能够参与这方面的研究工作。”朱进说。
朱进还提到，嫦娥五号整个任务过程，让广大公众非常关注，未来的研究成果也应该让公众知晓，发挥社会效益，因此围绕这两千克样品的展示传播非常重要。他认为，天文馆等机构的主要职能是科普，应该承担起责任，及时展示、传播这2千克样品的研究成果。
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出发容易回家难
嫦娥五号为什么打个“水漂”才能到家？
深夜苍穹中，嫦娥五号的回家之路蕴含着重重威胁：返回器能否准确回到着陆区域上空？降落伞能否准时打开并切断？在通信的“黑障区”，航天器能否作出自主判断？
最具不确定性的一环，是返回器将两次进入大气层，仿佛打了个水漂。这个“水漂”会不会让它滑得太远，以至于找不到家？
这个“水漂”学名是“半弹道跳跃式再入返回”，是比航天员返回还要复杂的技术。在嫦娥五号任务的尾声，这场太空“水漂”贡献了最后一幕惊险的表演。
地球家门难进
今天凌晨，在到达地球5000公里之外时，嫦娥五号的“快递小哥”轨道器与“月球快件”返回器分离，小小的返回器携带2千克月球样品，独自踏上回家路。
返回器以11.2公里/秒的第二宇宙速度急速冲向地球，在距离地面120公里高度，像一颗弹头扎入大气层。很快，借助大气层的升力，弹头又跃了出来，回到太空。到达最高点之后，再次下降，二度进入大气层。
一出一进，返回器慢了下来，从第二宇宙速度降到8公里/秒左右的第一宇宙速度。接下来，它跟以前的神舟飞船返回舱一样，一边穿越大气层一边减速，在地面十公里上空打开降落伞，缓缓坠地。
回收神舟飞船返回舱，四子王旗着陆场已经驾轻就熟，而这次回收，让着陆场面临新的难题。差别主要在于速度。
“神舟飞船从200公里左右的近地轨道返回，嫦娥五号则是从38万公里之外的月球飞回，速度要快得多。”航天技术专家、空气动力学家黄志澄告诉新京报记者，如果采用神舟飞船同样的防热技术和返回方式，一不小心，返回器可能会撞毁或者烧坏。
漫漫征途，不能在家门口摔倒。
安全返回，一直是嫦娥五号任务的几大难点之一。早在十年前嫦娥五号立项之初，航天专家就为此头疼。中国探月工程副总设计师于登云曾回忆，以王礼恒院士为代表的航天专家认为，嫦娥五号高速返回是我国首次尝试，与任务成败息息相关，如果不事先验证，风险是巨大的。
为此，在嫦娥一号到五号探测器之外，嫦娥工程中增加了唯一一次试验飞行任务，专门验证嫦娥五号的返回方案。这就是2014年实施的探月三期再入返回飞行试验器——“嫦娥-5T”任务。
“嫦娥-5T”当年没有落月，在月球飞了几圈之后便返回地球，重头戏是在地球大气层打个“水漂”，先降速再返回。
这种“半弹道跳跃式再入返回”技术方案，使结构和防热系统的压力都得到缓解，也使航程和落点达到理想的结果。这次，嫦娥五号返回器就是这么回来的。
▲探月三期再入返回飞行试验器返回过程和轨迹。图/《中国科学》杂志
“太空水漂”返回术
从月球高速返回，人类并没有多少可选的路径。要么“硬冲”，也就是弹道式再入；要么借助大气层摩擦力缓冲，先减一次速，也就是半弹道跳跃式再入。
苏联于1968年发射的探测器6号完成绕月飞行后，首次实现了跳跃式再入返回，随后美国阿波罗飞船带着航天员和样品返回时，也采用这种方式。而苏联的“月球”系列、 美国的“星尘”和“起源”，以及日本的“隼鸟”等无人深空探测器，采用了较简单的弹道式再入方式，也就是直接返回。
两种方式各有优劣。采用弹道式直接再入的返回舱，无法进行姿态和轨道的调节，对轨道设计、分离释放和落点预报能力要求很高；而半弹道跳跃式的返回舱比较灵活，但系统配置和制导控制方案更为复杂，质量也要大得多。
从全球来看，无人采样返回任务中两种方式都采用过，载人深空探测任务则采用半弹道跳跃式再入方式。
解决完返回方式的问题，嫦娥五号还需要应对一个致命的威胁——高温。
黄志澄告诉新京报记者，防热是这次返回中嫦娥五号面对的大难题。由于返回速度过高，若防热技术不过关，有可能在大气层高速摩擦中烧毁。另外，跳跃式再入方式使得防热结构表面经历高温、低温、再次高温的历程, 热冲击有可能导致防热层表面开裂。
防热设计有两个重要的目标：降低热流密度和总加热量。热流密度过大，可能烧穿返回器头部和一些部位。热流密度与半径的开方值成反比，也就是说，物体越小热流密度越大。此次嫦娥五号返回器比神舟返回舱小得多，只有后者的七分之一，降低热流密度难度陡增。而总加热量越大，防热系统就要设计得越厚、越重，为了给航天器减重，必须控制总加热量。
“另外，再入轨道和防热系统的设计，还要尽可能降低过载和提高落点精度。”黄志澄说。过载就是加速度，过载如果太大，不仅航天员的身体受不了，月壤在返回器内也可能受到影响。
▲嫦娥五号返回器再入大气层（模拟图）。图/航天科技集团八院
为载人登月练功夫
黄志澄认为，嫦娥五号之所以要攻克“打水漂”的难题，是为了兼顾长远目标，为未来更复杂的深空探测返回积累经验。“未来如果从火星等更远的星球采样返回，速度会更快，我们积累了多种返回技术，可以让未来有更多选择。”
此次嫦娥五号的任务，主要是完成月球采样返回。但其蕴含的多项技术创新，有着提前探路的考虑。比如，月球轨道上的交会对接，很可能就是载人登月交会对接的雏形。据官方介绍，嫦娥五号三大工程目标之一，就是为载人登月和深空探测奠定一定的人才、技术和物质基础。
于登云说，中国通过这次无人采样返回兼顾了两件事，这是中国方案最大的亮点。
嫦娥五号的返回，建立在我国近50年的航天器返回基础之上。中国最早的航天器返回始于上世纪60年代末的探空火箭，后来经历返回式卫星、飞船返回舱，技术一步步成熟。
未来，中国还将面临更复杂的返回任务。嫦娥一号卫星总设计师叶培建、嫦娥五号探测器总设计师杨孟飞等人曾在论文中提出，火星巡视探测、有大气天体的进入探测乃至载人登月等，都将面临进入和再入的难题。在深空探测再入返回和有大气天体进入技术方面, 我国还应继续深入开展研究，包括气动外形、防热材料、导航手段、降落伞、测控等环节。
“月球很特殊，表面没有大气，因此不存在进入的问题。但是未来探测器如果要进入有大气的星球，比如火星，在着陆时就会面临同样的考验。”黄志澄说，嫦娥五号的探索，让我们手握更多打开深空之门的钥匙。
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四子王旗着陆场首迎外星来客
▲嫦娥五号轨道器和返回器组合体经过两次月地转移入射和三次轨道修正，回到地球附近。图/国家航天局
位于内蒙古中部阿木古郎草原腹地的四子王旗，人烟罕至，覆盖着茫茫草原和白雪，因为航天器返回“母港”的身份而闻名于世。神舟与嫦娥回家，为何选在了这片陆地？
嫦娥五号着陆区为神舟返回舱16倍
为了迎接嫦娥五号返回器，四子王旗提前多天就在等待。
据报道，嫦娥五号返回前，搜救回收大队在冰雪的夜间进行了近30次着陆区地形勘察，开展了3次夜间搜索回收专项训练、1次积雪暗夜极寒条件搜索回收演练、3次全系统综合演练。
“在历次神舟飞船返回任务中，四子王旗着陆场系统都表现得很好，可以说是经验丰富。”航天技术专家、空气动力学家黄志澄说。
不过，与神舟飞船返回舱相比，嫦娥五号返回器体积只有其约1/7，着陆面积却是其16倍。在冰天雪地的夜间寻找如此小的目标，难度比飞船返回舱回收更高。
返回地球的航天器，包括载人飞船返回舱、无人采样返回器、返回式卫星，以及近年来越来越多的可重复使用火箭。
航天器返回的着陆场设在何处，各国有不同选择，主要取决于地域和技术条件。
美国有广阔的领海，发射场也都在沿海地带，因此以海上着陆为主。不仅航天员总是乘坐返回舱溅落在海上，近年来SpaceX的可重复火箭返回，也越来越多落在海上平台。
而俄罗斯与中国都选择了陆上着陆场，俄罗斯的着陆场在拜科努尔发射场东北的哈萨克斯坦草原上，中国的主着陆场位于内蒙古的四子王旗。
从神舟一号开始，20余年间，四子王旗已经成功回收过11个神舟飞船的返回舱，迎接了14人次航天员回到地球。其间，还回收了探月三期试验器、返回式卫星等航天器，可谓身经百战。
黄志澄说，为了迎接航天器返回，需要一系列指挥、测控、跟踪等设施，以及搜寻队伍的支持，四子王旗着陆场已经有了成熟的队伍和技术。此次嫦娥五号返回，就用上了这一套系统。
▲2014年11月1日，探月三期再入返回飞行试验返回器在内蒙古四子王旗预定区域着陆，这次试验为嫦娥五号验证了返回技术。图/国家航天局官网
主着陆场为何选中四子王旗？
海上与陆上着陆各有优势，海上着陆对陆地人口、建筑、生态威胁较小，海面也能缓冲返回舱着陆的冲击力。
黄志澄曾参与中国载人航天工程的研究论证，他向新京报记者回忆，早年中国做载人航天论证时，曾考虑过海上着陆方案，但由于当时中国海上搜救力量不足，最终放弃。
对陆上着陆场的要求，不仅是空旷而已，还需要一些必备条件。黄志澄介绍，航天器返回的时候，有自己的固定路线。而且一般来说，返回舱的机动能力有限，自主“变道”的空间较小。因此，返回场应该尽量选在航天器轨道的下方，内蒙古就是返回舱、返回器轨道经过的地方。
航天器返回有一定的危险性，着陆区域一般要地势比较开阔、人口较少、建筑物密度小，不至于发生危险。四子王旗的地表足够坚硬，没有大的河流，能保证航天器不会陷入泥中或掉进水里。另外，四子王旗还有气候上的优势，常年干燥少雨，晴天较多，气候稳定。
“还有一点也很重要，就是四子王旗与酒泉卫星发射中心相对来说不是太远，如果未来航天器可以重复利用，拉回到发射中心也会比较方便。”黄志澄说。
我国着陆场系统首任总设计师曾透露，在主着陆场遴选的早期，根据飞船轨道倾角，河南开封至驻马店以东长约200公里、宽约100公里的区域曾被青睐。但后来综合考虑回收伞型调整和房屋、树木等因素，根据1993年到1996年间在内蒙古草原综合考察结果，主着陆场最终花落四子王旗。
中国航天器着陆场不止四子王旗
中国的航天器着陆场，并不只有一个四子王旗。
今年5月8日中午，我国新一代载人飞船试验船返回舱回家，着陆在东风着陆场。据媒体报道，该着陆场位于巴丹吉林沙漠。较之四子王旗，这里距离酒泉卫星发射中心还要近得多。
这艘试验船未来将是神舟飞船升级版，单艘可以搭乘6~7人，比神舟飞船3人承载量提升一倍。据媒体报道，东风着陆场相关部门负责人介绍，试验舱的成功回收，检验了着陆场各系统的搜索回收能力，为执行我国空间站建设阶段的航天员搜救任务，打下了坚实基础。
这意味着，我国空间站建设阶段航天员的返回，或将在东风着陆场。根据官方消息，我国将在2022年前后建成空间站。
我国载人航天系统中，还设立了陆上和海上应急救生区，以应对发射中临时救生的需求。陆上应急救生区从发射场到江苏连云港海滨一线，海上的3个救生区，位于黄海和东海海面，一岛链和二岛链之间的太平洋洋面，以及马里亚纳群岛以东、关岛以北的太平洋洋面。
四川也曾有一个航天器回收地，我国以前返回式卫星大多在四川遂宁着陆。
早期，卫星拍摄的底片需要带回地球，经过冲洗才能使用。现在卫星数据可以实时传输到地面，返回式卫星数量因此大大减少，少量返回式卫星主要作为回收实验品的空间试验室。
遂宁从上世纪七十年代就成为返回式卫星回收地，因为卫星轨道经过遂宁附近的上空，是卫星返回的必经之地。当地是盆地的浅丘地带，农村人口分散居住，发生事故的几率也很小。
不过，毕竟位于人口较为稠密的四川，返回式卫星着陆地难以彻底避开人烟，偶尔会降落在村民的农田里。2004年的一颗返回式卫星，甚至降落在遂宁市大英县城区的一座三层楼顶，砸坏了屋顶，引发全城关注，所幸无人伤亡。
2016年，我国时隔十年再次发射返回式卫星——“实践-10”科学实验卫星，这颗卫星降落在四子王旗。卫星研制方航天科技集团五院当时介绍，主要是由于遂宁山区人员密度增大，新建房屋林立，为保护当地百姓的人身和财产安全，同时也为了卫星搜寻回收，于是放弃了遂宁，选择回收条件比较成熟的四子王旗。
▲2016年11月，航天回收队员在四子王旗为神舟十一号返回进行演练，远处为参与搜寻的直升机。图/航天科技集团官网
从探空火箭到嫦娥，中国航天器回收往事
航天科技集团五院508所航天器返回技术专家黄伟曾撰文介绍，中国航天器回收的首次尝试，是1960年 4月17日，T7M－003探空火箭乘降落伞降落在东海之滨，取得我国航天器回收着陆首次成功。1966年发射的两枚T-7A火箭，还实现了小狗上天的回收着陆。
其后是返回式卫星的回收。1976年12月10日，508所首次回收科学实验卫星回收舱，使我国成为第三个实现卫星回收的国家。截至目前，我国完成了7个型号返回式卫星回收，共计25次发射飞行试验，从未失手。
载人飞船返回舱的回收，从20世纪70年代后期曙光一号飞船的酝酿，到80年代“天地往返运输系统”的论证，再到1992年立项的神舟飞船回收着陆系统，逐渐走进现实。
除了神舟返回舱的回收，2014年，四子王旗还迎来了特殊的归人——探月三期飞行试验器，这也是嫦娥五号的先行者。试验器在绕月飞行后，以接近第二宇宙速度进入大气层，采用特殊的半弹道跳跃的方式再入返回。至此，我国航天器回收技术达到了满足深空探测返回的水平。
6年以后的今天，随着从月面起飞的嫦娥五号返回器缓缓着陆，四子王旗迎来首个真正的外星来客。
一图回顾嫦娥五号“挖土”全过程
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发表于 2020-12-17 09:36:05
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发表于 2020-12-17 11:29:12
