不断攀登新高峰中国探月行稳致远——访"嫦娥五号"探测器系统副总设计师彭兢

从1970年"东方红一号"人造卫星上天,开启中国空间探测新里程碑;到50年后"嫦娥五号"成功实现地外天体采样返回,首次实现了地外天体采样与封装、地外天体表面起飞、无人月球轨道交会对接与样品转移、月地入射并携带月球样品高速再入返回地球等我国航天史上多个重大科技突破,中国航天又向前迈进一大步.     

“十三五”期间中国航天重大工程

正在"十三五"期间,中国从载人飞船、太空空间站、月球和火星探测、对地观测、空间科学、北斗卫星导航等多个方面推进航天重大工程建设,并同时推动航天技术更好更快地服务经济和民生。探月工程——2020年11月24日,"嫦娥五号"飞行器发射并完成月球采样返回任务,中国成为全球第三个自主掌握月球探测返回技术的国家。2019年1月3日,嫦娥四号探测器成功降落在月球背面,人类探测器首次实现月背软着陆。     

嫦娥五号采样月球

正2020年11月24日,嫦娥五号月球探测器在海南文昌发射场搭乘长征五号火箭发射升空,奔赴月球。嫦娥五号是我国首个月球采样返回任务,目标是采集至少2千克月球样品,并预计在12月17日左右将样品带回地球。这不仅标志着我国嫦娥工程将完成"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。     

月球表面物质介电常数:嫦娥五号月球样品的新启示

月表物质的介电常数决定了电磁波在月球次表层的穿透深度,对月球雷达、微波辐射计、月表电磁实验等科学载荷的设计与数据解译至关重要,有助于定量反演次表层结构与物理性质.对月球物质介电常数的了解,目前主要基于主被动微波遥感数据反演和对Apollo, Luna月球样品的实验测量. 2020年12月,我国嫦娥五号探测器从月球正面风暴洋北部成功采集并返回1.731 kg月球样品,为研究月壤介电常数提供了新的样品.本文首先介绍了物质介电常数基础、介质电极化机制、介电常数混合模型和测量方法,接着对月球表面物质介电常数的研究历史与现状进行了系统性梳理与总结,并给出了整个月球表面月壤介电常数的分布图.最后,介绍了我国嫦娥五号着陆区地质背景与月壤特性的最新研究结果,对嫦娥五号月球样品介电常数实验测量给出了建议,并对其潜在科学产出进行了评估.本文对月壤介电常数的梳理与认识,可以为我国后续探月工程中微波遥感载荷设计、雷达数据解译、采样点选取和样品分析等提供理论指导与支撑.     

“嫦娥”赴月采土记

正2020年11月24日4时30分,我国嫦娥五号探测器(以下简称"嫦娥五号")成功发射!11月28日,"嫦娥五号"顺利进入环月轨道飞行。11月30日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体与轨道器和返回器组合体顺利分离。12月1日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体成功在月球正面预选着陆区着陆。12月2日,"嫦娥五号"着陆器和上升器组合体完成月面自动采样封装。12月6日,"嫦娥五号"上升器成功与轨道器和返回器组合体交会对接,并将样品容器安全转移至返回器中。12月17日1时59分,"嫦娥五号"返回器携带月球样品安全"回家"。     

月球科学与探测专题·编者按

正自"嫦娥一号"月球探测器2007年成功发射以来,已经过去整整八年,中国的嫦娥探月工程也稳健地进入了"绕、落、回"三步曲的第三步,即将启动的月面采样返回,将进一步证明我国的空间探测技术和科学研究能力达到国际先进水平."嫦娥一号"和"嫦娥二号"都获得了大量科学探测数据,总体上实现了科学目标."嫦娥一号"获得了全月球影像图和月球标准基础地图、全月球数字高程模型(DEM)和三维月球地形图;建立了月球影像数据和激光高度     

中国科学院助力嫦娥五号月球样品采集

2020年11月24日,嫦娥五号探测器在我国文昌卫星发射中心成功发射入轨;12月17日,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. 在嫦娥五号任务中,中国科学院牵头论证提出科学目标与有效载荷配置方案,承担地面应用系统、有效载荷分系统、甚长基线干涉测量(VLBI)测轨分系统和多项工程关键产品的研制任务,建成国内首个"月球样品实验室".     

中国探月工程将首次实施再入返回飞行试验

<正>中国探月工程将首次实施再入返回飞行试验,飞行试验器计划于10月24日至26日择机在西昌卫星发射中心发射。据这位发言人介绍,2013年12月,嫦娥三号任务圆满成功后,我国探月工程全面进入"绕、落、回"三步走发展规划的第三期,计划于2017年前后执行嫦娥五号任务,实现无人自动采样返回。为突破和掌握航天器再入返回地球关键技术,工程决定先期实施再入返回飞行试验,即发射一颗飞行试验器,飞抵月球附近后自动返回,以接近第二宇宙速度进入大气层,经跳跃式弹起后,再     

国际地外样品储存与管理状态的对比和启示

我国月球与深空探测规划中都有关于样品采集返回的任务,对这些地外返回样品的研究将极大地促进我国行星科学研究的发展.保证采集回的地外样品原始特征不被改变对于后续的科学研究至关重要.地外样品的储存与管理是一个复杂的系统工程.回顾并对比了美国、日本与欧洲(规划中)地外样品储存与管理设施的整体设计、惰性环境控制、设施材料选择、污...     

嫦娥五号任务月球样品存储处理制备方法研究

嫦娥五号任务实现了我国首次月面自动采样返回,地面应用系统承担了样品的存储处理和研究任务,建设的样品实验室能够集中存储、处理和制备原始月球样品,实现了月球样品的地面高纯氮气环境长期存储和处理.嫦娥五号任务获得的样品包括两类:表取样和钻取样,本文针对不同样品进行了详细的存储、处理、制备方法和流程研究.样品进入地面应用系统月球样品实验室后,分为样品处理、样品存储和样品制备三个阶段进行工作,包括密封封装装置解封、样品分样(钻取样分样和表取样分样)、样品存储(表取样存储和钻取样存储)和样品制备等流程.其中,通过封装装置解封处理,顺利取出表取样和钻取样初级密封容器.通过表取样和钻取样分样操作,获得了永久存储样、异地备份存储样、工程展示样和科学研究样等.这些样品按照本文的存储方法被分别存储在不同位置的不同设备中.而科学研究样和部分工程展示样按照本文的制备方法被制成光片样,保证能够获得基础样品信息的同时,又不会破坏样品的最初特征.制备的样品将用于月球样品基本物理化学性质分析和基本特征信息描述,为后续月球样品的科学研究提供重要的样品信息和技术支撑.     

月球极区冻土模拟月壤钻进试验研究

月球极区已经发现水资源存在的证据,极区水资源的探测、采集与利用技术日益成为世界各国研究的热点。冻土是月球极区水资源存在的重要形式,对极区冻土实施采样返回作业是未来深空探测的重要任务内容。为满足未来冻土采样任务需求,在中国首次开展了冻土模拟月壤采样技术试验研究。基于探月三期模拟月壤制备基础,结合国内外极区冻土类月壤含水量探测与分析信息调研,进行不同含水量的冻土模拟月壤制备,开展钻取试验,初步总结冻土类模拟月壤钻进特性。通过试验得出结论,相较于高密实度的无水模拟月壤,冻土类月壤黏度更大,所需钻进力载更大,钻进过程排粉状态明显不同,需采用的钻进策略也有显著差别,样品形态因含水量不同呈现块状散体或柱状。试验获得了冻土模拟月壤钻进特性第一手资料,可支持后续冻土月壤采样技术深入研究。     

嫦娥五号着陆区的成分特征与遥感地质研究

嫦娥五号任务从月球风暴洋北部地区成功返回了1731 g月壤样品,这些样品为研究月球年轻玄武岩的成因和演化提供了重要的样本.本文利用多源月球遥感探测数据结合嫦娥五号样品研究结果,从光谱学和矿物学角度研究了嫦娥五号着陆区年轻玄武岩的演化过程.嫦娥五号着陆区主要包含雨海纪极低钛到低钛玄武岩和爱拉托逊纪中钛玄武岩,遥感光谱学分析表明年轻玄武岩表现出明显的1μm吸收特征,可能存在橄榄石的富集.然而,返回的嫦娥五号月球样品研究揭示年轻玄武岩中橄榄石的含量并不高,我们推测年轻玄武岩遥感光谱上的1μm强吸收特征可能是富铁辉石、富铁玻璃、空间风化作用和铁橄榄石共同作用的结果.综合已有的样品研究和本文的遥感地质研究,嫦娥五号玄武岩源于高度演化的月球晚期岩浆活动,其源区可能位于富单斜辉石的浅层月幔.     

模拟月壤样品主微量元素的ICP-MS准确测试

月壤的化学成分可以揭示月球的形成与演化等科学问题.美国"Apollo"和苏联"Luna"取回的月球样品大多利用中子活化分析法测定其中的元素组成.但是,随着仪器和分析测试技术的进步,电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)越来越多地应用于地质样品的元素分析.对于珍贵的月壤样品应当追求获得更高准确度的同时尽量减少分析的耗样量....     

中国最早2025年载人登月

中国嫦娥工程月球探测卫星总设计师兼总指挥叶培建近日透露,我国正在对载人登月进行论证,参与论证的科学家认为,2025年至2030年间是载人登月的最佳时间;在2017年前我国将实现月球的采样返回。     

科技短讯

我国今年启动探月工程“嫦娥奔月”千年梦想将成现实。国家航天局局长栾恩杰最近透露,中国航天下一个目标是月球探测。月球探测工程将分为“绕”、“落”、“回”三个阶段实施。第一期工程,通过发射月球探测卫星.获取月球表面三维影像.分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点,探测月壤厚度和探测地月空间的环境。第二期工程,发射月球探测器登陆月球。第三期工程.实现月面巡视勘察与采样返回。     

月球雨海地区三个着陆点的地质特征对比研究

雨海盆地是月球正面最显著的地体单元之一,也是月球软着陆探测的重点目标之一,迄今为止已有前苏联月球17号、美国阿波罗15号和我国嫦娥3号在该地区成功实施了软着陆探测.本文基于三次任务获取的月面影像及其他数据,对雨海地区三个着陆点的地质特征进行了对比研究,重点分析了三个着陆点的区域地质背景、撞击坑、月表石块及月壤特征.本文研究发现,月球17号与嫦娥3号均着陆于较为年轻的爱拉托逊纪玄武岩单元,在一些小撞击坑的坑壁和坑缘出露了大量玄武质石块,并且一些石块表现出柱状节理构造.而阿波罗15号着陆于较老的雨海纪熔岩平原,月表石块分布很少,在哈德利月溪内壁上出露的玄武岩表现出明显的层状特征,月溪底部和边缘出露的部分石块也观测到了柱状节理.在一些月面影像数据上观测到了一些可能的"线性"特征,本文通过光照实验证实了这些"线性"特征是由微小起伏月表在较低角度太阳光照射下引起的.三个着陆区对比分析揭示了月球撞击历史、火山活动、空间风化等重要地质过程存在较大的地区和区域不均一性,未来更多的月面就位及采样返回探测将有助于我们更全面地了解月球的地质演化历史.     

嫦娥五号样品——月球遥感定量反演的新地面真值

嫦娥五号任务从月球风暴洋东北部成功返回了1731 g月壤样品.最新返回的月壤有望为月球遥感数据定量反演提供新的地面真值(Ground Truth).本研究中首先利用遥感数据获取了着陆单元的矿物组成和化学成分(FeO,TiO₂, Th),并与嫦娥五号月壤样品实验室分析结果进行对比.二者之间的差异(特别是橄榄石含量)反映了目前利用遥感数据反演元素和矿物含量的方法仍存在提升空间.本研究通过系统地对比分析发现:(1)嫦娥五号月壤具有高铁、中钛、富钍的化学特征,显著区别于已有阿波罗月壤,可为月球遥感研究提供全新的地面真值;(2)嫦娥五号月壤代表了一类发育成熟的年轻月海月壤,外来溅射物占比较小,能够反映着陆区玄武岩的成分特征;(3)嫦娥五号月壤粒径较小,符合Lunar Soil Characterization Consortium (LSCC)提供地面真值的样品标准(<45μm).此外,嫦娥五号着陆区也具有独特性:(1)位于月球正面西部的中纬度地区,不同于美苏样品返回任务所着陆的低纬度区域;(2)位于月球晚期玄武岩单元,区别于已有的光谱定标区.因此,以嫦娥五号月壤实测...     

同波束VLBI在采样返回式多目标探测器精密测轨测位中的应用

同波束VLBI即用射电望远镜的主波束同时观测角距很小的两个探测器发出的巧妙配置的多频点信标,据此得到两探测器在两个测站间的误差为皮秒量级的差分相位时延．在月球卫星SELENE的两个小卫星Rstar和Vstar的测定轨中,利用40多分钟的同波束VLBI和测速测距数据数小时的短弧定轨精度已显著提高,而一年多的定轨结果表明弧长数天的长弧定轨精度已达10m左右,充分证明了同波束VLBI在多目标卫星精密测定轨中的作用．本文在介绍SELENE同波束VLBI观测、多普勒数据处理和定轨结果的基础上,以用于月球采样返回探测任务中的多目标探测器如轨道器、着陆器和返回器为例,给出各探测器搭载电波源的信标设计方案及设计原则,并分析S频段多频点同波束VLBI技术在轨道器和着陆器绕月飞行、着陆器月球软着陆、着陆器月球采样、返回器从月面上升、返回器多次变轨、特别是轨道器和返回器交会对接等各个测控段的高精度测定轨或测定位及月球重力场探测中的应用．     

2019年深空探测热点回眸

 深空探测是空间科学探索与发现的重要方式之一。2019年全球在轨工作的深空探测任务有29个，皆为非载人航天任务，主要开展了月球、火星和小行星等的探测、深空太阳观测及日-地L1点空间天气监测和L2点空间天文观测。在纪念人类登月50周年之际，美国加快推动重返月球的阿尔忒弥斯计划，中国嫦娥四号任务着陆器和玉兔二号月球车对月球背面的就位探测和巡视勘察陆续产出一批国际关注的科学成果。美国新视野号任务飞掠柯伊伯带小天体“2014 MU69”的首个科学成果揭示了该“接触双星系统”的发展、地质与构成。日本隼鸟二号任务完成对“龙宫”小行星的两次采样探测、启程返回地球。除了“史诗级”的太阳探测帕克号任务，被“遗忘”在L1点的多个超期服役的空间天气监测科学任务如SOHO、WIND等表现依然稳定和出色。2020年，人类将迎来探测火星的新发射窗口，中国、美国和欧洲等即将实施的多个火星任务引人注目。     

小行星采样返回任务的选址方法进展与启发

针对小行星采样返回任务，回顾不同小行星采样选址任务中的选址方法，阐述日本的隼鸟二号和美国的奥西里斯号采样返回任务中从初选采样区中选出最终采样区L08-E1和夜莺区的流程、采样选址涉及的工程和科学价值因素的分析方法与采样选址结果，并介绍了其他小行星附着任务的选址过程；对不同小行星采样返回任务的选址方法进行了对比分析与归纳，阐释了隼鸟二号和奥西里斯号采样选址所用到的载荷、选址方法以及得到的选址结果，并对选址方法进行对比分析，可作为今后小行星采样返回任务中采样选址方法的参考。结合我国小行星探测任务规划，展望了今后小行星采样返回任务中的选址方案。