任务难度极高!嫦娥五号奔月将创造五个首次
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任务难度极高!嫦娥五号奔月将创造五个首次

2020年11月25日 07:06:37
来源:环球网

嫦娥五号探测器在月球着陆模拟图。

【环球时报赴海南特派记者 刘扬 环球时报记者 樊巍】11月24日凌晨,长征五号遥五运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,在破晓中划出一道金色弧线,成功将“嫦娥五号”月球探测器送入地月转移轨道。据《环球时报》记者了解,嫦娥五号任务是我国今年航天发射的重磅任务,更是中国探月工程“绕、落、回”三步走的最后一步, 将实现包括我国首次月球无人采样返回在内的一系列高难度任务。据介绍,嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统,也是我国目前重量最重的月球探测器。本次任务难度非常高,可谓“步步惊心”,同时看点也是层出不穷。

年度最有“分量”的发射

据国家航天局探月与航天工程中心党委副书记关锋介绍,探月工程三期是我国探月工程重大科技专项“绕、落、回”三步走战略的最后一步,将实现月球采样返回。三期工程规划实施两次采样返回,在嫦娥五号任务之后,后续还有嫦娥六号任务。嫦娥五号任务是我国迄今最复杂、难度最大的航天任务之一。

国家航天局探月与航天工程中心副主任、探月工程三期副总设计师、嫦娥五号任务新闻发言人裴照宇表示,嫦娥五号任务有望创造5个“中国首次”:一是地外天体的采样与封装,二是地外天体的起飞,三是月球轨道交会对接,四是携带样品高速地球再入,五是样品的存储、分析和研究。

除了意义重大,这次任务运载火箭和搭载的乘客也是“分量”十足。据专家介绍,嫦娥五号月球探测器重达8.2吨,是我国目前发射的重量最重的月球探测器。作为我国探月三期工程采样返回任务的核心,由中国航天科技集团研制的嫦娥五号探测器是迄今为止我国研制的最为复杂的航天器系统,由轨道器、返回器、着陆器、上升器四器共包含15个分系统组成。嫦娥五号探测器需要直接被送入近地点200公里、远地点41万公里的地月转移轨道,“在长征火箭家族中,只有长征五号火箭可以将这么重的载荷直接送入地月转移轨道,这是对运载火箭能力的集中检验,也是对中国航天能力的最佳注解。”长征五号火箭第一总指挥、航天科技集团一院党委书记李明华介绍称。据统计,这是长征五号系列运载火箭第六次发射,也是2020年第三次执行发射任务。

此前美苏也曾进行过月球采样返回,本次任务有什么异同呢?据航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍,人类过去的采样返回任务要么是载人登月,通过航天员携带不同工具去采样,然后将样品带回来;或者像苏联用一个单一的采样装置去采样,每次采样量大概一两百克。而中国这次瞄准的是,采到公斤级样品。

嫦娥五号探测器什么样

航天科技集团五院嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢介绍说,嫦娥五号探测器由四部分组成,总重量8.2吨,它的外形有点像穿糖葫芦,从上到下依次是上升器、着陆器、返回器和轨道器,这四部分在发射时组成的探测器整体高度约7.2米。

彭兢表示,从名字也能看出来这四部分各自的用途。上升器负责携带在月面收集到的样品从月球表面起飞,此后进入环绕月球轨道,与轨返组合体进行交会对接,并把样品转移到返回器里面。着陆器负责在月球表面着陆,它的功能包括携带上升器落在月面。着陆后,它最重要的工作是以钻取和表取方式完成月球表面的采样并完成封装。返回器的功能就是当完成交会对接、样品转移到返回器之后,由它携带样品返回地球。

轨道器的功能最为复杂。彭兢说,它主要承担在不同轨道上飞行的任务。发射时,它会携带其他三器,完成地球到月球的飞行。到月球后,轨道器要负责“刹车”,通过减速制动,使得探测器整体进入环绕月球轨道。然后轨道器和返回器构成的组合体与着陆上升器分开,着陆上升器前往月球表面着陆,轨道器返回器停留在轨道上,等待上升器携带样品从月面起飞进入月球轨道。完成交会对接和样品转移之后,等到合适时机,轨道器将携带返回器,加速从月球飞向地球,这个过程被称为月地转移。回到地球附近后,轨道器会释放返回器,让其携带样品回到地球。在此过程中,轨道器会在地面控制下完成规避机动,确保返回器能安全着陆,然后轨道器将进入一个环绕地球的大椭圆轨道,等待后续处置。

为何在风暴洋降落采样

嫦娥五号任务的采样区域是在月球正面风暴洋西北部,预计采样量约两公斤,在月面工作时间约两天。

中国地质大学(武汉)行星科学研究所教授肖龙介绍称,月壤是研究月球的样本,由月球岩石在遭受陨石撞击、太阳风轰击和宇宙射线辐射等空间风化作用后形成,其中有大量的月球岩石碎块、矿物及陨石等物质。通过研究这些月壤物质,不但可以了解月球的地质演化历史,也为探索太阳活动等提供必要的信息。

嫦娥五号为什么选择在风暴洋西北部降落采样呢?彭兢介绍称,过去还没有人类探测器去过这个着陆地点。科学家认为,这块区域形成的地质年代比较年轻,如果将这块区域的样品带回实验室进行分析,能帮助人类更好地认识月球形成过程。同时,选择在风暴洋西北部采样也有从工程实现角度来考虑的因素。

彭兢表示,此前只有苏联完成过无人月球采样,当时采用钻取的方式,所用钻头是中空结构,把钻头深入月球表面以下,然后从里边获取岩石样本。我们借鉴苏联钻取采样的方式,并提高技术水平获得更多的月岩。但单一采样方式获取的样品受限较多,因此我们还将利用机械臂从月球表面抓取样品,这两种取样方式可以互为备份。

回家之路仍有挑战

根据国家航天局介绍,嫦娥五号返回地球时将采用半弹道、跳跃式返回模式,着陆区域为内蒙古四子王旗相关区域。早在2014年10月,中国就曾成功试验飞行器以第二宇宙速度再入返回,验证了气动力、气动热防护、制导导航与控制等多项关键技术,为嫦娥五号任务奠定了坚实的基础。

有航天专家表示,“半弹道跳跃式飞行”增加了返回器在大气层的“一出一入”,从而减小着陆速度,有利于选择降落区。彭兢介绍说,嫦娥五号任务的返回器跟2014年验证试验时返回器状态基本一致。那次飞行试验的目的就是为了验证返回器能以第二宇宙速度,也就是约每秒11公里的速度,返回地球大气层。其中涉及气动、防热、控制等一系列复杂关键技术。2014年的试验取得成功后,我们对完成嫦娥五号任务有了更大信心。不过与2014年的试验相比,嫦娥五号返回器还有一些细微差别。因为这次返回器要接收从月球表面起飞带上来的月球样品,所以多了一个返回舱,而且返回舱要保证在交互对接时能打开,确保样品容器进入舱里面,在返回地球过程中还要保证舱门可以严密关闭保护样品。针对这些差别,研制人员已经做了大量地面试验。

在此之前还有一个关键节点——高精度月地入射。《环球时报》记者了解到,月地入射的主要目的是通过月球轨道上的轨道机动,使轨返组合体进入月地转移轨道。由于月地关系不断变化,月地入射窗口及入射点位置均受到严格约束;同时,月地入射的精度在一定程度上决定了返回器再入点精度,影响返回器的安全着陆,控制精度要求也非常高。

地面大网保障“嫦娥奔月”

嫦娥五号探月采样返回这么复杂的过程,全程需要一双“无形之手”牵引指挥。从火箭升空的那一刻起,火箭飞行、星箭分离、嫦娥五号落月、探月、采样、返回等整个过程,都依托由地面雷达、地面测控站、海上测量船及中继卫星等陆海空天全方位布局的系统,用无形电波张开的通信测控“天罗地网”,全程掌握嫦娥五号的位置、状态等信息,接收它发回来的数据,并向它传递来自地面的指令信息。

仰望星空的我国首个35米深空天线组阵系统。

中国电科技术人员表示,长征五号火箭发射时,新一代雷达遥测综合测量系统提供了持续保障。它是国内首部大口径雷达遥测一体化系统,能跟踪火箭反射回波,即使在应答机或遥测设备异常情况下,仍能测量火箭飞行轨迹。

据中国电科工作人员介绍,不同于常规任务,月球探测任务面临着测控距离遥远、自由空间损耗、空间延时大以及任务场景复杂等诸多挑战。不久前我国首个深空天线组阵系统正式启用,与南美35米深空测控系统、佳木斯66米深空测控站,以及分散各地的地面测控站、海面测量船联袂出征,共同提供嫦娥五号的测控通信保障。该深空天线组阵系统由4个35米深空天线组成,可实现单天线或2/3/4任意天线组阵,从深度和广度上大大提升我国深空测控能力。中国电科技术人员表示,其中4天线组阵时拥有超过66米口径天线数据接收能力,测控距离超过4亿公里。

由于月地距离遥远,对嫦娥五号的测控通信微弱信号需要“遥控器”和灵敏“顺风耳”支撑。作为深空测控重要组成,大功率高功放设备是探测器通信链路的“遥控器”,能将微小的上行已调信号放大后,经大口径天线发射出去,实现对距离几十万公里以外月球探测器的精准控制;而特种低温接收机则像探测器的“顺风耳”,通过物理极限大幅降低电子器件热噪声,可在零下260摄氏度的低温环境下,精确接收到来自遥远太空的微弱信号。