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嫦娥五號去“挖土”:跳一場複雜的深空芭蕾舞
2020年11月24日 01:42 来源:澎湃新聞

  隨著嫦娥五號探測器成功發射,我國首次地外天體採樣返回之旅正式開啓。嫦娥五號將從月球取回約2千克的月球樣本。

  11月24日4時30分,我國在中國文昌航天發射場用長徵五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器,火箭飛行約2200秒後,順利將重達8.2噸的嫦娥五號月球探測器送入近地點約200公里、遠地點約40萬公里的地月轉移軌道。嫦娥五號將經過11個階段、23天的在軌飛行過程取回樣本。

  1970年9月12日,蘇聯發射世界上第一個無人月球採樣返回探測器“月球16號”,並從月球豐饒海取回了一塊101克的小樣本。此後的“月球20號”和“月球24號”分別從月球取回55克和170克月球樣品。

  1969年7月至1972年12月,阿波羅11號到阿波羅17號載人飛船實施了7次載人登月任務,除阿波羅13號因發生故障中途返回,其餘6艘飛船皆完成登月,成功將12名航天員送上月球,帶回的月壤和月岩樣品總計約381.7千克。嫦娥五號任務圓滿完成後,我國將成為世界上繼美、蘇之後第三個實現月球採樣返回的國家。

  帶“土”回家,跳一場複雜的深空芭蕾舞

  從月球取回樣本,嫦娥五號要跳一場複雜的深空芭蕾舞。

  嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成,分為15個分系統,是迄今為止我國研制的最為複雜的航天器系統之一。它塊頭大,是嫦娥四號月球探測器重量的2倍多,但很靈巧,要在太空中獨自完成一系列“高難度動作”。

  按照計劃,整個嫦娥五號任務历時23天,嫦娥五號月球探測器將經過發射入軌、地月轉移、近月制動、環月飛行階段,隨後著陸器和上升器組合體會與軌道器和返回器組合體分離,軌道器攜帶返回器留軌運行,著陸器承載上升器在月球風暴洋東北部地區著陸,在月面工作約2天的時間里採集約2公斤月壤樣品並帶回地球。

  嫦娥五號無人採樣器通過採樣鑽頭深入月球內部和採樣機械臂月球表面採樣兩種方法獲取月球樣品後,需要轉移到上升器里,上升器與軌道器對接後,又要將上升器里的樣品通過軌道器轉移到返回器里,整個環節必須分毫不差,絲絲相扣,任何環節控制不精細,都將影嚮任務的完成。

  月面採樣返回過程涉及月表樣品轉移、月面垂直上升、月球軌道交會對接等關鍵技術。雖然我國已掌握空間交會對接技術,但以往神舟飛船與天宮一號交會對接是在距地球400公里左右的地球軌道上進行的。

  而嫦娥五號探測器將在距地球38萬公里的月球軌道上完成上升器與軌道器的交會對接,無法借助導航衛星的幫助,這就需要突破月球軌道精確測控技術、月球軌道敏感器交互、輕小型航天器對接等技術。

  同時,嫦娥五號探測器實施月表採樣返回任務後,著陸器將留在月球表面,上升器留在月球軌道,軌道器留在地球軌道,最終返回器攜帶樣品返回地球表面,著陸在內蒙古四子王旗,技術環節複雜,對研制團隊提出了全新挑戰。

  此外,月球表面白天溫度約180攝氏度,夜間零下150攝氏度,晝夜溫差約330攝氏度,無人採樣器既要應對300多度溫差的月面生存挑戰,工作時還要承受高溫炙烤,對產品性能和可靠性提出了嚴峻考驗。

  “長五”送“嫦五”,15條軌道擇其一

  從2007年開始,長徵三號甲系列火箭先後將嫦娥一號、嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥五號T1再入返回飛行器和嫦娥四號送入預定軌道,發射成功率100%。

  而本次任務由長徵五號遙五運載火箭執行發射,地球同步轉移軌道運載能力達14噸級,重800多噸的大火箭托舉8.2噸的嫦娥五號月球探測器上天。

  嫦娥五號任務在今年的窗口總共有3天,11月有兩天,12月一天,每天僅50分鐘。與近地軌道任務相比,探月任務的軌道設計更加複雜。在常規任務中,一枚火箭只需要有一條軌道。而“長五”送“嫦五”,15條軌道擇其一,以最優軌道前往月球。

  長徵五號火箭總體副主任計師劉秉介紹,由於地月距離較遠,探測器用於中途修正所需的推進劑有限,而地球和月球的相對位置在不斷發生變化,還要考慮火箭與探測器分離後的光照因素,這對軌道設計提出了非常高的要求。

  為了讓嫦娥五號更節省推進劑,在研制階段,火箭開展了精細化的“窄窗口多軌道”關鍵技術驗證攻關,可以在連續3天內每天有50分鐘的發射窗口,每10分鐘一條軌道,共規劃15條軌道,每條都可以將探測器準確送入預定軌道,減少軌道偏差修正次數,既節省燃料,也能更快到達月球。

  長徵五號火箭點火升空後,要飛行2000多秒才能到達地月轉移軌道。為了把嫦娥五號精準送達目的地,它要在太空完成高難度動作——長時間滑行。

  滑行是指火箭主發動機關機後火箭靠慣性向前飛行。長時間滑行對零下200多攝氏度的“冰箭”來說考驗不小。劉秉說,從長徵五號火箭二級發動機一次關機到再次點火,中間間隔最長900餘秒。在這一開一關之間,大火箭要完成箭體姿態調整、低溫發動機二次啓動前預冷等工作,動作非常多。

  另外,滑行時間越長,火箭在空間輻射影嚮下的環境變化更加複雜,低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷變化。為了確保嫦娥五號發射萬無一失,研制人員對長徵五號長時間滑行適應性開展研究,並在長徵五號火箭首飛以及後來的多次飛行中得到驗證。

  本次發射是繼7月23日發射的天問一號火星探測器後,長徵五號的第二次應用性飛行任務。從去年年底開始,長徵五號系列火箭進入高密度發射階段。本次任務是探月三期工程的收官之戰,也是長徵五號系列火箭今年的收官之戰,預計到明年初,長徵五號B火箭還將發射空間站核心艙。




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