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嫦娥五號出發,力爭實現中國航天史上5個“首次”
2020-11-25 08:53:55 來源: 科技日報
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  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,開啟我國首次地外天體採樣返回之旅。這是航天科技人員在文昌航天發射場慶祝發射成功。新華社記者 金立旺攝

  2020年11月24日,嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場發射成功。這是我國探月工程“繞、落、回”三步走中,第三步的首次任務。

  由中國航天科技集團有限公司研制的嫦娥五號探測器,是迄今為止我國研制的最為復雜的航天器係統之一,由軌道器、返回器、著陸器、上升器組成,包含15個分係統。在此次任務中,嫦娥五號將經歷11個飛行階段,20余天的在軌飛行過程,採集約2公斤月球樣品返回地球。

  國家航天局探月與航天工程中心副主任、探月工程三期副總設計師、嫦娥五號任務新聞發言人裴照宇介紹,如果任務取得成功,有望創造我國航天史上的5個“首次”。

  多種方式的月面自動採樣

  作為此次任務的核心關鍵之一,月球表面自動採樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。

  記者從航天科技集團五院了解到,嫦娥五號將在月面選定區域著陸,使出渾身解數採集月壤,實現我國首次地外天體採樣與封裝。

  五院設計師們採用表鑽結合,多點採樣的方式,精心設計了兩種“挖土”模式:鑽取和表取。

  當著陸上升組合體順利軟著陸在月球表面,嫦娥五號就開始為期2天的月面工作。它隨身攜帶的鑽取採樣裝置、表取採樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等,將科學分工、精密配合,採取深鑽、淺鑽、“鏟土”“挖土”“夾土”等方式,採集約2公斤月壤並進行密封封裝。

  據五院專家介紹,嫦娥五號任務採樣裝置為全新研制,技術新、難度大,需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束;採樣期間面臨月面高溫的工作環境;採樣任務時序緊張、機構動作多、不確定因素多。因而採樣封裝是此次任務的核心環節之一。

  月面起飛全靠航天器自力更生

  完成月面工作後,嫦娥五號就要踏上歸途。從月球回家可不容易,第一步能否邁好至關重要,這要突破我國航天史上另一個首次——月面起飛上升。

  嫦娥五號上升器在月面點火起飛,是一個高難度科目。

  眾所周知,運載火箭在地球起飛有一套完備的發射係統,點火起飛位置經過精確測算,飛行軌道也是一遍遍計算好的。

  而月面起飛就不一樣了,沒有一馬平川的發射場,更沒有成熟完備的發射塔架,上升器只能站在著陸器身上發射。而月球表面環境復雜,著陸器不一定是平穩狀態,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,這都會增加起飛的難度。總而言之,整個起飛過程只能依靠航天器自力更生。

  五院專家介紹,面對傾斜發射的技術難題,需要明確起飛穩定性的各項因素及其耦合的影響,依靠精確的定姿能力完成空中對準以實現精確入軌,必須通過大量地面倣真和試驗對起飛上升發動機開展驗證。但月面環境的特殊性,低重力、高真空等環境模擬使得地面驗證較為困難。

  經過一係列技術攻關,五院科研團隊成功開展了各項試驗驗證,建立了一整套環環相扣的係統保證任務,護送嫦娥五號離開月球。

  人類首次月球軌道無人交會對接

  嫦娥五號上升器從月面起飛後,將飛到月球軌道上。但要它憑借一己之力將月球樣品送回地球,卻非力所能及。它需要在月球軌道上與軌道器、返回器組合體交會對接,把樣品交給返回器,讓其完成接下來的旅程。

  上世紀70年代,蘇聯成功實施了3次無人月球採樣任務,先後利用月球16號、20號、24號探測器,一共從月球取回300多克樣品。全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩向科技日報記者介紹,蘇聯採用探測器從月面起飛直接返回地球的方案。探測器需要攜帶大量燃料,而攜帶樣品的能力極為有限。

  經過幾十年的實踐探索,我國在載人航天領域已經熟練掌握了近地軌道交會對接技術,但是在38萬公裏外的月球軌道上進行無人交會對接,不僅在我國尚屬首次,而且也是人類航天史上的第一次,這給五院科研團隊帶來了極大挑戰。

  記者從五院了解到,嫦娥五號月球軌道交會對接採用停靠抓捕式交會對接方式,且無衛星導航信號支持,對接和樣品轉移過程自主性要求很高。這需要在考慮探測器的測控、光照條件、姿軌控、電源、熱控等各種約束條件下完成交會對接飛行方案設計。

  同時,月球軌道交會對接過程中,地面測控支持能力受限,受到對接機構大小的限制,對接精度的要求較高。此外,嫦娥五號對接機構中必須考慮樣品轉移裝置的設計,保證對接精度滿足樣品轉移相關要求。對接機構與樣品轉移機構一體化設計也是難點。

  從上升器進入環月飛行軌道開始,一直到軌返組合體與上升器完成對接與樣品轉移為止,五院設計師為嫦娥五號精心設計了交會、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一係列關鍵動作,力助嫦娥五號精準完成樣品接力。

  帶著月壤高速返回地球

  近地軌道航天器再入返回大氣層時,速度通常為每秒約7.9公裏的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風馳電掣般向地球飛來,速度接近每秒11.2公裏的第二宇宙速度。

  每秒3公裏多的速度差,帶來的力道大不相同。假如嫦娥五號衝勁過猛,一頭撞向地球,整個任務都將前功盡棄。

  為此,科研人員首次提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在大氣層表面打水漂一樣,讓返回器先高速進入大氣層,隨後借助大氣層提供的升力“跳”起來,再以第一宇宙速度重新進入大氣層返回地面。

  2014年,我國發射嫦娥五號再入返回飛行試驗器,模擬了嫦娥五號奔月、繞月、返回的全過程,並對跳躍式再入返回技術進行了成功驗證,使我國成為繼美、蘇之後,世界第3個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。

  不過,當年的試驗與如今的任務尚有細微差別。五院專家表示,嫦娥五號再入返回設計繼承了此前飛行試驗器的設計,任務再入航程也與飛行試驗器基本一致。但裝有月壤的樣品容器重量有一定不確定性,有可能影響返回器的質量特性,這對返回器制導導航控制係統的魯棒性(控制係統在一定參數攝動下,維持某些性能的特性)提出了較高要求。

  除了前述四點,裴照宇還表示,我國將首次實施完整的月球樣品存儲、分析和研究全過程。

  從立項到發射,嫦娥五號任務團隊經歷了10年的艱辛奮戰。圍繞諸多關鍵核心技術和難點,五院充分研究繼承低軌道衛星、高軌道衛星、載人航天交會對接、地外天體無人著陸與航天器返回等技術經驗,聯合參研單位集中最強陣容攻克難關,確保了嫦娥五號探測器方案設計合理,各項功能性能滿足任務的要求,研制過程技術狀態和質量受控。

  在接下來20多天裏,嫦娥五號能否成功完成任務如期歸來,讓我們拭目以待。(龐 丹 記者 付毅飛)

【糾錯】 責任編輯: 周靖傑
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