嫦娥五号去“挖土”:跳一场复杂的深空芭蕾舞
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嫦娥五号去“挖土”:跳一场复杂的深空芭蕾舞

2020年11月24日 09:19:47
来源:澎湃新闻

随着嫦娥五号探测器成功发射,我国首次地外天体采样返回之旅正式开启。嫦娥五号将从月球取回约2千克的月球样本。

11月24日4时30分,我国在中国文昌航天发射场用长征五号遥五运载火箭成功发射探月工程嫦娥五号探测器,火箭飞行约2200秒后,顺利将重达8.2吨的嫦娥五号月球探测器送入近地点约200公里、远地点约40万公里的地月转移轨道。嫦娥五号将经过11个阶段、23天的在轨飞行过程取回样本。

1970年9月12日,苏联发射世界上第一个无人月球采样返回探测器“月球16号”,并从月球丰饶海取回了一块101克的小样本。此后的“月球20号”和“月球24号”分别从月球取回55克和170克月球样品。

1969年7月至1972年12月,阿波罗11号到阿波罗17号载人飞船实施了7次载人登月任务,除阿波罗13号因发生故障中途返回,其余6艘飞船皆完成登月,成功将12名航天员送上月球,带回的月壤和月岩样品总计约381.7千克。嫦娥五号任务圆满完成后,我国将成为世界上继美、苏之后第三个实现月球采样返回的国家。

带“土”回家,跳一场复杂的深空芭蕾舞

从月球取回样本,嫦娥五号要跳一场复杂的深空芭蕾舞。

嫦娥五号探测器由轨道器、返回器、着陆器、上升器四部分组成,分为15个分系统,是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统之一。它块头大,是嫦娥四号月球探测器重量的2倍多,但很灵巧,要在太空中独自完成一系列“高难度动作”。

按照计划,整个嫦娥五号任务历时23天,嫦娥五号月球探测器将经过发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行阶段,随后着陆器和上升器组合体会与轨道器和返回器组合体分离,轨道器携带返回器留轨运行,着陆器承载上升器在月球风暴洋东北部地区着陆,在月面工作约2天的时间里采集约2公斤月壤样品并带回地球。

嫦娥五号无人采样器通过采样钻头深入月球内部和采样机械臂月球表面采样两种方法获取月球样品后,需要转移到上升器里,上升器与轨道器对接后,又要将上升器里的样品通过轨道器转移到返回器里,整个环节必须分毫不差,丝丝相扣,任何环节控制不精细,都将影响任务的完成。

月面采样返回过程涉及月表样品转移、月面垂直上升、月球轨道交会对接等关键技术。虽然我国已掌握空间交会对接技术,但以往神舟飞船与天宫一号交会对接是在距地球400公里左右的地球轨道上进行的。

而嫦娥五号探测器将在距地球38万公里的月球轨道上完成上升器与轨道器的交会对接,无法借助导航卫星的帮助,这就需要突破月球轨道精确测控技术、月球轨道敏感器交互、轻小型航天器对接等技术。

同时,嫦娥五号探测器实施月表采样返回任务后,着陆器将留在月球表面,上升器留在月球轨道,轨道器留在地球轨道,最终返回器携带样品返回地球表面,着陆在内蒙古四子王旗,技术环节复杂,对研制团队提出了全新挑战。

此外,月球表面白天温度约180摄氏度,夜间零下150摄氏度,昼夜温差约330摄氏度,无人采样器既要应对300多度温差的月面生存挑战,工作时还要承受高温炙烤,对产品性能和可靠性提出了严峻考验。

“长五”送“嫦五”,15条轨道择其一

从2007年开始,长征三号甲系列火箭先后将嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1再入返回飞行器和嫦娥四号送入预定轨道,发射成功率100%。

而本次任务由长征五号遥五运载火箭执行发射,地球同步转移轨道运载能力达14吨级,重800多吨的大火箭托举8.2吨的嫦娥五号月球探测器上天。

嫦娥五号任务在今年的窗口总共有3天,11月有两天,12月一天,每天仅50分钟。与近地轨道任务相比,探月任务的轨道设计更加复杂。在常规任务中,一枚火箭只需要有一条轨道。而“长五”送“嫦五”,15条轨道择其一,以最优轨道前往月球。

长征五号火箭总体副主任计师刘秉介绍,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,这对轨道设计提出了非常高的要求。

为了让嫦娥五号更节省推进剂,在研制阶段,火箭开展了精细化的“窄窗口多轨道”关键技术验证攻关,可以在连续3天内每天有50分钟的发射窗口,每10分钟一条轨道,共规划15条轨道,每条都可以将探测器准确送入预定轨道,减少轨道偏差修正次数,既节省燃料,也能更快到达月球。

长征五号火箭点火升空后,要飞行2000多秒才能到达地月转移轨道。为了把嫦娥五号精准送达目的地,它要在太空完成高难度动作——长时间滑行。

滑行是指火箭主发动机关机后火箭靠惯性向前飞行。长时间滑行对零下200多摄氏度的“冰箭”来说考验不小。刘秉说,从长征五号火箭二级发动机一次关机到再次点火,中间间隔最长900余秒。在这一开一关之间,大火箭要完成箭体姿态调整、低温发动机二次启动前预冷等工作,动作非常多。

另外,滑行时间越长,火箭在空间辐射影响下的环境变化更加复杂,低温推进剂温度和贮箱承受的压力也在不断变化。为了确保嫦娥五号发射万无一失,研制人员对长征五号长时间滑行适应性开展研究,并在长征五号火箭首飞以及后来的多次飞行中得到验证。

本次发射是继7月23日发射的天问一号火星探测器后,长征五号的第二次应用性飞行任务。从去年年底开始,长征五号系列火箭进入高密度发射阶段。本次任务是探月三期工程的收官之战,也是长征五号系列火箭今年的收官之战,预计到明年初,长征五号B火箭还将发射空间站核心舱。