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嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

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12月3日23时10分,嫦娥五号上升器3000N发动机工作约6分钟,成功将携带样品的上升器送入到预定环月轨道。这是我国首次实现地外天体起飞。(喻思南、冯华、李晨

嫦娥五号上升器月面点火 (来源:新华社)


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12月3日23时10分,嫦娥五号上升器3000N发动机工作,成功将携带样品的上升器送入到近月点环月轨道。点火起飞前,着上组合体实现月面国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”!

与地面起飞不同,嫦娥五号上升器月面起飞不具备成熟的发射塔架系统,着陆器相当于上升器的“临时塔架”,上升器起飞存在起飞初始基准与起飞平台姿态不确定、发动机羽流导流空间受限、地月环境差异等问题;另外由于月球上没有导航星座,上升器起飞后,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

点火起飞前,着上组合体实现月面国旗展开以及上升器、着陆器的解锁分离。此次国旗展开是我国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”。点火起飞后,上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入预定环月飞行轨道。随后,上升器将与环月等待的轨返组合体交会对接,将月球样品转移到返回器,后者将等待合适的月地入射窗口,做好返回地球的准备。

嫦娥五号如何回

2020年11月24日,嫦娥五号探测器成功发射,探测器将实施月球采样、返回任务,实现中国探月工程三步走的最后一步“回”。

嫦娥五号经地月转换轨道、环月轨道飞行后,在月面选定区域成功着陆(落月),目前它已完成月球样品采集工作、经月面起飞。之后,嫦娥五号探测器的上升器,将和正在月球轨道上的轨道器完成交会对接,经过月地转移轨道、再入回收等飞行阶段的在轨飞行过程,最终完成“挖土”并返回地球。

嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

在此之前,记者也了解到,在这个过程中,上升器以着陆器为发射平台,点火发射脱离月面。成功离开月球表面后,将和正在月球轨道上的轨道器对接,但这个“拥抱”过程并不容易。

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。

嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

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。有人会问,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。

嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

“拥抱”过程将被全程记录,即便没光线也能拍得清清楚楚

据此前报道,在嫦娥五号任务中,由中国航天科技集团八院研制的红外及可见光双谱段监视相机,将完美呈现轨道器与上升器的“拥抱”过程。

此次嫦娥五号所搭载的双谱段监视相机是一款专业“拍照神器”,其主业就是记录轨道器与上升器的交会对接过程,以及轨道器与着陆器/上升器组合体分离、与支撑舱分离过程。与以往任务中所搭载的监视相机不同的是,这款相机集红外和可见光成像于一体,红外和可见光传感器经各自的光学镜头获取图像数据,根据遥控指令要求在六种拍摄模式中自由切换,实现红外和可见光分别或同时成像。

嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

这就相当于给普通相机加了一个夜视仪,即使交会对接过程发生在月背,接受不到太阳光照,我们也可以通过红外相机记录下全过程。而在有光照的情况下,如果光照太强,可见光相机拍摄的照片也可能存在过曝的情况,影响观看效果。有了这款双谱段相机,就可确保全天时、全光照条件下记录交会对接过程,也可以让大众从红外镜头的视角看看太空。

返回器将从38万公里外赶回地球,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。

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。

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。

嫦娥五号上升器点火起飞!实现我国首次地外天体起飞

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。

如果此次任务圆满成功,中国将成为世界上第三个从月球采集样本返回地球的国家。但我国的探月任务还远没有结束。从嫦娥一号升空开始,到嫦娥五号探测器发射,我们还处在“无人探月”阶段。探月工程的第二阶段和第三阶段分别是载人登月和建立月球科研站。

嫦娥五号任务完成预计需要20余天,完成月面自动采样与封装之后,将迎来5个挑战:

NO.1月面上升阶段:

上升器带着装封好的月面样品放入上升器中,上升器从月球表面起飞。

NO.2月球轨道交会对接与样品转移:

上升器起飞之后与在环月轨道待命的轨迹组合体再次碰头,实现交会对接,把样品转移到返回器里。

NO.3飞回地球:

轨道器带着装有样品的返回器一起,轻装上路,从月球上空飞回地球上空。

NO.4穿越地球大气层:

飞到地球上空之后,返回器与轨道器分离,包裹着月球样品的返回器穿过地球大气层。

NO.5返回器着陆:

嫦娥五号返回器最终着陆在内蒙古四子王旗,完成搜索与回收。

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