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嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

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来源:人民日报客户端

记者从国家航天局获悉:11月30日,探月工程嫦娥五号任务飞行控制团队按计划实施嫦娥五号探测器着陆器和上升器组合体轨道器和返回器组合体分离。

凌晨4时40分,在科技人员精确控制下,嫦娥五号探测器组合体顺利分离。

截至目前,探测器各系统状态良好,地面测控通信正常,轨道器和返回器组合体将继续在平均高度约200公里的环月轨道上飞行并等待上升器交会对接着陆器和上升器组合体将择机实施月面软着陆,进行自动采样等后续工作。

冯华 段逊 叶雨恬

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

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出品| 网易新闻

作者| 庞之浩,全国空间探测技术首席科学传播专家

2020年11月24日凌晨4点半,中国在海南文昌航天发射场用长征五号遥五大型运载火箭,成功将重量达8.2吨的嫦娥五号探测器直接送入地月转移轨道。

根据计划,嫦娥五号将在月面采样后,携带约2千克月球样本于升空后23天回到地球,这也标志着中国的探月工程所规划的环绕探测、落月探测和采样返回探测(简称“绕、落、回”)的“三步走”发展战略圆满收官。

嫦娥五号是中国目前为止最重的航天探测器,整个嫦娥五号任务也是中国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一,关于嫦娥五号,相信你一定有不少疑问,下面我们逐一为你解答。

(一)8.2吨,嫦娥五号为何这么重?

目前,中国已经发射了6个“嫦娥”系列月球探测器,其中嫦娥五号是最重的,达到8.2吨,这是为什么呢?

嫦娥五号要完成的任务是最复杂、技术难度最大的,要实现月面自动采样返回,完成探月工程的重大跨越——带回2千克月球样品。所以,它不像嫦娥一号、二号由1个空间飞行器组成,也不像嫦娥三号、四号和五号T1由2个空间飞行器组成,而是由上升器、着陆器、轨道器和返回器这4个空间飞行器像“葫芦娃”一样“串”在一起。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

嫦娥五号月球采样返回器结构图

而且,采集量的多少会影响到容器的大小,进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。

以2公斤的采样量作为初始值来设计探测器,嫦娥五号探测器的总重量达到8.2吨,如果增加样品的量,整个探测器很多指标都会增长,8.2吨很可能不够,最后会超过火箭的运载能力,目前的设计是平衡后的结果。

经过论证,2公斤的数量不算少,工程上可实现。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

机械臂采样示意图(来源:装备科技)

(二)4点30分,为何选在凌晨发射?

长征五号火箭的这次发射是在11月24日凌晨4:30进行的,这不仅对于所有任务参与人员来说很辛苦,基本上是通宵达旦,就连对于观看发射的公众也不轻松,半夜就得爬起来。

有些人不禁就问,为什么非要在凌晨4点半发射呢?

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

长征五号遥五火箭凌晨发射嫦娥五号(陈肖 摄)

这是由嫦娥五号月球采样返回器的发射窗口所决定的。

所谓发射窗口是指比较合适运载火箭发射包括人造地球卫星、载人航天器和空间探测器等航天器的一个时间范围(即允许运载器发射的时间范围)。确定发射窗口通常要根据天体运行轨道条件、航天器的轨道和工作条件、地面跟踪测控通信以及气象要求等,建立一个数学模型,输入相关数据,再经过精心计算推导出来,因此比较复杂。

发射窗口宽度有宽有窄,宽的以小时计,甚至以天计算,窄的只有几十秒钟,甚至为几秒钟。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

长征3号乙火箭发射嫦娥3号落月探测器

由于每个航天器承担的任务不同,航天器上安装的仪器、设备使用要求不同,因此它们对发射窗口提出了种种要求和限制条件,而这些要求有时又互相矛盾,所以选择什么时间发射就必须考虑各方面的要求,经综合平衡后选择一个比较合适的发射窗口。

根据地球和各种地外星球的运行规律,火星探测器每隔26个月有1次发射机会,金星探测器每隔19个月有1次发射机会,水星探测器每隔4个月有1次发射机会……按理说,据地月的运动规律,月球探测器每月都有1~2次的发射机会。

不过,由于地月距离较远,探测器用于中途修正所需的推进剂有限,而地球和月球的相对位置在不断发生变化,还要考虑火箭与探测器分离后的光照因素,所以对轨道设计提出了非常高的要求。

综合细致考虑长征五号的运载能力、嫦娥五号的任务要求,太阳、地球和月球不断变化的相对位置,以及天气等其他因素,2020年11月24日凌晨4点半是最佳发射时间,可以满足地月位置关系、火箭自身性能、探测器地月转移时间和返回器再入航程等各种约束条件,能“走捷径”,从而大大节省嫦娥五号奔月时用于中途修正所需的推进剂。

在凌晨发射,还能减少来自太阳活动对于嫦娥五号的影响,有利于信号的传播(因为夜晚的天空云层更少)和方便观测。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

地月转移轨道示意图(来源:航天八院)

此外,嫦娥五号着陆日选在满月当天,也就是北京时间11月30日,这正是月球正面一个月昼的开始,也是着陆采样点日出之际(一个月昼为期14个地球日),嫦娥五号探测器可以有效利用持续稳定的太阳光照,为仪器设备供电保温,同时方便钻孔探测、采集样品,以及各种拍照探测等。

确定嫦娥五号着陆日,再倒推4.5天奔月飞行时间以及2.5天环月飞行时间,最终确定了11月24日凌晨这个发射嫦娥五号的发射窗口。

(三)23天时间里,嫦娥五号要克服哪些困难?

从发射到返回的23天时间里,嫦娥五号总共要经历11个重大飞行阶段,其中包括23次重大的轨道控制和6次重大分离控制,以及动力下降和月面起飞、交会对接等很多风险比较高的项目,其整个飞行过程大致如下:

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

在具体实施过程中,要克服不少从未遇到过困难。例如:

在月面上采集样品时,着陆器上的采样装置要在月球低重力环境下具备研磨、钻孔、抓取月壤和输送月壤、岩石的能力。

尽管地球上的机械手能在模拟月球重力环境的试验条件下做得很好,但真实的月球重力环境与模拟环境会存在误差。所以,机械手在地球上做出的精确动作,在月球上能否重复完成是一个较大的挑战。

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嫦娥五号着陆器上的机械臂展开示意图(来源:神舟传媒)

另外,采集的样品封装到上升器后,上升器要从着陆器上起飞,这将是中国空间飞行器第一次在地外天体起飞,难度很大。

这是因为,上升器起飞时喷射的火焰会碰到着陆器,从而可能产生干扰上升器的力。另外,月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,也无法像地球发射塔架那样配置火箭导流槽,所以要克服月面起飞轨道设计、月面起飞测控和发动机羽流导流等困难。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

嫦娥五号上升器带着样品离开着陆器示意图(来源:神舟传媒)

还有,携带月球样品的上升器起飞后,要在38万公里远的月球轨道与轨返组合体进行无人交会对接,把采集的样品转移到返回器中,这在世界上是第一次。

中国在地球轨道上有着比较成熟的航天器交会对接经验,多次采用“小追大”的模式,即小质量飞船追大质量“天宫”。但在月球轨道上进行交会对接要“大追小”,即有较多燃料的大质量轨返组合体追小质量上升器,而且距离地球几十万公里,稍微控制不好就会偏离到太空中,或撞开返回器,因此对交会对接精度要求更高。对接全步骤要在21秒内完成,1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧。

嫦娥五号月球轨道交会对接采用停靠抓捕式交会对接方式,为此,中国研制了一种被称为抱爪式的空间轻小型弱撞击对接机构,它具有重量轻、捕获可靠、结构简单、对接精度高等优点,通过增加连杆棘爪式转移机构,实现了对接与自动转移功能的一体化,这些设计理念都是世界首创。

它与载人航天对接机构不同,从“太空之吻”变成“月轨相拥”。

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上升器与轨返组合体在月球轨道交会对接示意图(来源:航天八院)

(四)11千米/秒,嫦娥五号采样返回为何最难?

嫦娥五号的返回器在再入地球大气层时,与返回式卫星、宇宙飞船的返回舱以大约7.9千米/秒的第一宇宙速度再入地球大气层不同,它是以11千米/秒接近第二宇宙速度的速度再入地球大气层,这就带来很大的技术挑战。

再入速度提高一倍,再入热量将提高8~9倍,返回器很容易被烧毁。所以,返回器以接近第二宇宙速度再入地球大气层的技术十分复杂,无法通过地面模拟得到充分验证,是嫦娥五号月面采样、月面上升、月球轨道交会对接、再入返回四大关键技术中最难的一项,风险很大。

为了降低工程风险,确保嫦娥五号采样返回任务的精确完成,中国在2014年10月24日先发射了一个号称“小飞哥”的嫦娥五号T1空间飞行器,以掌握返回器超高速再入返回的关键技术。

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嫦娥五号T1成功在着陆区预定区域着陆后工作人员对返回器进行现场检测

嫦娥五号T1升空后先飞抵月球附近,然后自动返回地球,最终其返回器于同年11月1日采用半弹道跳跃式以11千米/秒的速度再入大气层,在内蒙古预定区域顺利着陆。

这是中国航天器第一次在绕月飞行后再入返回地球,使中国成为继苏联、美国之后,世界第三个成功回收绕月航天器的国家,表明中国已突破和掌握了航天器超高速再入返回的关键技术。

嫦娥五号组合体成功分离 将择机实施月面软着陆

嫦娥五号T1的返回器与服务舱分离后采用半弹道跳跃式再入返回示意图

所谓半弹道跳跃式再入大气层是指航天器进入大气层后,依靠升力再次冲出大气层,以减速耗能,然后再次进入大气层。换句话说就是采用“打水漂”的方式再入大气层,在大气层中“一出一入”。

这样可延长返回器在大气层内飞行的轨迹,消耗掉部分能量,减小着陆速度。考虑到中国内陆着陆场等各方因素,为实现长航程、低过载的返回,所以采用这种方式。

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由服务舱(下)和返回器(上)组成的嫦娥五号T1在轨飞行示意图(来源:神舟传媒)

嫦娥五号T1由服务舱和返回器两部分组成,返回器具备返回着陆功能,与嫦娥五号任务中的返回器基本一致。

这次,嫦娥五号升空23天后,返回器也将携带样品以11千米/秒的速度再入地球大气层,这是一次实战考验,返回器再入地球大气层时需要一个安全、稳妥的返回路线,对返回器的气动外形、防热材料以及控制都提出了很高的要求。

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嫦娥五号轨返组合体飞近地球示意图(来源:航天八院)

另外,为了使嫦娥五号返回器返回地球时在中国的可控范围内,需要控制好轨返组合体的姿态,如果开始的出发点控制得不好,着陆点就可能偏离得过远进而无法找到。

嫦娥五号的工程目标之一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,其采样返回任务对未来载人登月选址有一定帮助。另外,嫦娥五号采用月球轨道交会对接方案,这也为中国未来的载人登月奠定了基础,因为这种方案也适合载人登月。

最后,祝愿嫦娥五号能圆满完成任务,携带月球样品的返回器凯旋回家。

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