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1、土星五号由来
土星五号由来
导读
为了纪念人类首次chéng功登月,每年 7 月 20 日被定为人类月球日。而时隔 半个世纪,中国也要采集月壤了。
◎ 科技日报记者 付毅飞
近日,随着火星探测窗口期临近,各国探火项目都已蓄势待发。事实上,人类对于深空的探索热情从没有减弱过,无论是对火星,还是距离我们最近的天体——月球。
1969年7月20日20时17分43秒,阿波罗11号飞船降落zài月球静海地区。美国宇航员阿姆斯特朗在月球表面踩下了深深的印记,这是人类首次成功登月。为了纪念这个激动人心的时刻,每年7月20日被定为人类月球日。
不过,阿波罗计划在科学领域最大的贡献并非阿姆斯特朗的脚印,而是带回了来自月球的岩石。从1969年到1972年,美国共完成6次载人登月,共带回约382公斤月球样品,获取了大量科学成果。
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2020年10月底发射嫦娥五号探测器,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?今天,我们一起去探寻。
不仅仅带来月球新认识
几十年前,随着美国、苏联相继从月球获取样本,几千年来人们只能仰望、猜测的月球,被拉到了科学家的显微镜下,其神秘面纱被层层揭开。
除了认识月球,对这些样品的研究,还帮助科学家确立了现代行xīng科学,为认识各类行星的地质演化过程提供了参考。
美国史密森尼国家自然历史博物馆地质学家埃里克·贾文曾撰文表示,来自月球的岩石彻底改变了我们对月球表面性质、月球起源以及太阳系演化三大问题的认识。
例如,行星化学家分析了月球样本中的同位素组成,发现这些岩石大多比地球岩石更古老,年龄多在30亿到45亿年之间。随后他们jiàn立了一套模型,以此可以估算月球上任何位置的年龄。
中国科学院国家天文台研究员郑永春认为,月壤是从月球固体岩石圈到太阳系空间的过渡带,包含着相关区域的大量信息。对月壤的研究不仅涉及月球本身,而且还包含太阳系空间物质和能量的重要信息。其中包括太阳系早期演化的历史记录、月岩和月壤的宇宙线暴露与辐照历史、月球中挥发分的脱气历史、太阳风的组成、太阳表层的成分特征、小天体和微陨石撞击月球的历史记录等。
美国国家航空航天局(NASA)阿波罗计划的样品负责人瑞安·齐格勒曾透露,几十年间,NASA收到了3000多份研究特殊月球样品的申请,来自十多个国家的500多名科学家提出了shēn请。NASA共向外发放5万多份月球样品,供天文学、生物学、化学、工程学、材料科学、医学、地质学等不同领域的科学家进行研究。
1978年,时任美国国家安全事务顾问布热津斯基访华时,向中国赠送了1克月球样品。这块要用放大镜才能看清楚的石头被分成两半,一半收藏在北京天文馆,一半由中国月球探测工程首席科学家欧阳自远带领团队进行研究。“我们把它是什么,它的年龄是多少,它包含哪些东西,全弄清楚了。”欧阳自远说,科研人员不仅判断出该样本是在阿波罗17号任务中采集的,确认了采集地点,甚至还分析出石头所在地区是否有阳光照射。根据对这块石头的研究,他们共发表了40篇文章。
图源:视觉中国
除了科学成果,研究月球岩石对开发月球资源同样意义重大。全国空间探cè技术首席科学传播专家庞之浩介绍,研究月球样品的重要成果之一,就是发现其中含有氦-3,这让科学家极为兴奋。
氦-3是世界公认高效、清洁、安全的核聚变发电燃料。据计算,100吨氦-3所能创造的能源,相当于全世界一年消耗的能源总量。氦-3在地球上的蕴藏量极少,全球已知且容易取用的只有500公斤左右,而早期探测结果表明,月球浅层的氦-3含量多达上百万吨,足够解决人类的能源之忧。实际上,随着人类对月球认识的加深,科学家发现月球氦-3的总储量很可能更多。
中国月球采样不“烧钱”
虽然月球样品为人类带来了重要的科研成果,但在阿波罗计划中,获取样品所要付出的代价也十分惊人。有人计算,美国从月球拿回来的382公斤样品,花费的成本相当于同等重量钻石的30多倍。
这并不奇怪,因为阿波罗计划yuán本就是个很烧钱的项目。“当时有一种说法:每发射一艘用于登月的土星五号重型火箭,相当于烧掉一艘航空母舰。”中国航天科工集团第二研究院研究员杨宇光说。
庞之浩介绍,一枚土星五号重型火箭造价高达5亿美元,一艘阿波罗登月飞船比等重黄金贵十多倍。阿波罗计划历时11年,耗资255亿美元,为实施该计划,NASA每年预算占到美国政府总预算的4.5%左右。
1969年5月20日拍摄的运载阿波罗11号飞船升空的土星5号火箭。
而且,阿波罗计划的主要目的是把宇航员送上月球,采集样品只是航天员的“作业”之一。庞之浩认为,由宇航员开展采样任务,具有较强的灵活性,可以有的放矢。同时宇航员可以进行移动式探测,尤其是从阿波罗15号任务开始搭载的月球车,其时速可达10公里zuǒ右,能使宇航员的活动范围大大增加。不过,载人任务不仅成本高,技术复杂程度也大幅增加。虽然美国人半个世纪前就能将宇航员送上月球,令人钦佩,但杨宇光认为阿波罗工程技术途径比较冒进,一些设备冗余做得很少,从安全性角度来看十分冒险。
我国即将实施的嫦娥五号任务,则是围绕月球采样返回的主要目标打造的无人探测任务。庞之浩表示,中国探月工chéng一直循序渐进,从无人到载人的发展比较科学,成本也低得多。不过嫦娥五号探测器着陆后只能在原地开展作业。
据国家航天局探月与航天工程中心主任刘继忠此前透露,嫦娥五号探测器的着陆地点为月球正面西北部的吕姆克山脉。欧阳自远曾介绍,我国选择的着陆点距离阿波罗计划着陆点有上千公里距离,将会迎来新的现象、新的发现。
将是人类在太空de“哨所”
自1959年苏联发射“月球一号”拉开人类探月序幕至今,人类共发射130多个月球探测器,以环绕、着陆巡视,甚至是撞击等方式对月球进行探测。
上世纪70年代中期,美苏冷战形势逐渐缓和。苏联退出了载人登月竞争,美国也从狂热中冷却,停止了代价不菲的登月活动。此后近20年间,全世界进入了深入研究探月yì义de冷静思考阶段。
这段时期,各国普遍认识到探月活动具有政治、社会、技术、科学和经济等多方面意义。因而此后人类的探月活动方向,也由不惜代价服务于政治目的,转变为将科学探索和经济利益相结合,最终的目的是合理开发月球资源。
1994年1月25日,美国发射了克莱门汀探测器,获得了当时最详细的月球表面图像,并发现月球南极可能存在大量水冰。这次任务也宣告了全球第二次探月热潮到来。
未来,月球或将成为人类在太空中的“哨所”。庞之浩说,继登月之后,“驻月”将成人类下一阶段的目标。cóng月球上开采的水资源可用于宇航员生活,也可以分解成氢氧,制成航天器所需的氢氧燃料。在月球两极的永久光照区,可以建设太阳能电站提供资源。在月球背面可以建设科研站,避开地球无线电干扰遥望星空。前文提及的氦-3,或许在一段时期内很难便捷、廉价地运回地球,但可以在月球建设核聚变电站直接利用,将产生的电能以无线传输方式发送回地面。
届时,月球基地不仅能为人类提供资源,获取科学成果,也将成为人类前往遥远深空的中转站。
编辑:张琦琪
shěn核:朱丽
世界大推力火箭对比概况
开篇诗云: 航天工程火箭先,国之重器开路艰。 莫道差距依旧在,愚公移山总向前。 随着"嫦娥四号"在月背的成功降落,大家对我国航天事业的飞速发展,无疑予以充分肯定,为我国科技事业蒸蒸日上欢欣鼓舞。而任何太空计划的顺利实施,必依赖于运载火箭的同步发展,没有了火箭,航天工程寸步难行。 所谓运载火箭,就是把东西运输到太空中的设备。我们熟悉的人造卫星、空间探测器等等都是搭载着运载火箭到达太空。运载火箭搭载的设备本身就很重,一般来说,运载火箭的运载能力大都在几十吨以上,这还不算它本身的重量。对于运zài火箭来说,推力是很重要的一环,想要完成太空任务,就需要大推力运载火箭的帮助。目前,航天领域中,美国 、俄罗斯、中国是做得比较好并走在前列的国家。 对美国来说,19世纪60年代,美国就已经开始发射运载火箭。美国大推力运载火箭是“土星五号”。“土星五号”又叫月球火箭,直径10米。高度在110米左右,推力高达3408吨,是推力第二大运载火箭。“火星五号”自身重量很大,是目前世界上使用过自重最大的运载火箭,起飞重量在3千吨左右。“土星五号”在使用期间,一共发射了17次,而且没有一次失败。“土星五号”载过人,也运载过登月飞船。“土星五号”运载能力超强,而且从未失手,安全性能也比其他运载火jiàn高很多,这也是为什么一说到运载火箭,大家最先想到“土星五号”的原因。1973年以后,“土星五号”就再也没有发射过,美方认为“土xīng五号”是20世纪60年dài的产物,其科技已经很落后了,如果重建,不仅消耗巨大,而且使用价值并不大。因此,美国开始“太空发射系统”,用来取代“土星五号”进行航天航空工作。 “太空发射系统”是由航天飞机演变而来,其本身和“土星五号”一样,都是超重型运载火箭,预计运载能力将达到165吨,推力约4173吨。据说,“太空发射系统”已有了发射计划。 再看苏联。美苏争霸时期,苏联在航空航天方面比美国要做得好,其研发的“能源号”是世界上运载能力最强的运载火箭。“能源号”采用了全新设计,不仅推力大,其寿命也比其他运载火箭要长。 “能源号”直径8米,长60米,起飞推力达到3552吨,推力远比“土星五号”大很多。“能源号”执行过2次发射任务,第一次携带了试验飞船,但是载荷没能进入预定轨道。第二次顺利将航天飞机送入预定轨道。苏联解体后,“能源号”因资金紧缺,就没有发射过了,但是“能源号”发动机仍然在使用。在“能源号”之前,苏联还研发过一款N-1运载火箭,其推力高达4620吨,但在试飞时,N-1运载火箭在高空发生爆炸,随后又发射了3次,也都以失败告终。 相对美苏,尽管我国研发运载火箭起步晚,但是我国运载火箭技术飞速发展,如今中外差距已经在逐步缩小。我国第一个运载火箭的运载能力只有三百千克,2016年,“长征5号”长首飞成功,成为我国运载能力最大的运载火箭。“长征5号”直径5米,长56.97米,最大推力是1078吨,近地轨道可运载25吨。而且“长征5号”设计可靠,我国运载火箭技术已经有了很大进步。如今,我国正在研制“长征9号”,用于深空探测、载人上天等任务。“长征9号”直径10米,长103米,起飞推力高dá5873吨,近地轨道运载能力高达140吨。一旦“长征9号”研制成功,将会成为世界上最强大的运输火箭,希望这一天尽快到来。
关于土星5号的资料
1961年4月20日,美国总统提出研制登月火箭的设想,并询问60年代能否把人送上月球。当时布劳恩斩钉截铁地回答:“ 行!”于是,在布劳恩的主持下,开始实施土星巨型登月火箭研制计划。1964年至1967年,相继研制成功土星1,土星1b,土星5等几种型号。
1964年首先研制成功土星1号两级火箭。火箭长38.1米,直径5.58米,发射重量502吨,近地轨道的有效载荷为10.2吨。它曾用来试验发射阿波罗飞船模型。
1966年研制成功它的改进型土星1b号两级火箭。火箭长68.3米,直径6.6米,发射重量590吨,最大有效载荷18.1吨。从1966年到1975年共发射9次,除作运载阿波罗飞船试验外,还3次将宇航员送上天空实验室空间站和1次发射阿波罗载入飞船与前苏联的联盟号飞船对接联合飞行。
1967年世界上最大的一种运载火箭tǔ星5号问世。它是三级火箭,长85.6米,直径10.1米,起飞重量2950吨,近地轨道的有效载荷达139吨,飞往月球轨道的有效载荷为47吨。从1967年到1973年共发射13次,其中6次将阿波罗载入飞船送上月球,在航天史上写下了最为光辉的一页。
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