探月收官之战:“嫦娥”奔月“挖土”
11月24日凌晨4时30分,在中国文昌航天发射场,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,火箭经过2200多秒的飞行,顺利将探测器送入地月转移轨道。接下来,嫦娥五号将会登陆月球采取2公斤土壤样本后重返地球,完成我国首次地外天体采样返回任务。

△长征五号遥五运载火箭发射。 新华社记者 金立旺 摄

    11月24日凌晨,长征五号遥五运载火箭在海南文昌发射升空,先后实施了助推器分离、整流罩分离、一二级分离以及器箭分离等四次分离,成功将嫦娥五号月球探测器送入地月转移轨道。

    根据计划,嫦娥五号探测器将于11月下旬登陆月球,在月球最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,采取约2公斤重的月球土壤样品,实现中国首次地外天体采样返回。这是中国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战,同时也是中国目前技术难度最大、系统组成最复杂的航天任务之一。如果嫦娥五号能够圆满实现任务,我国将是世界上第三个在月球上采样返回的国家。

“长征”与“嫦娥”中的“胖胖”组合

    △11月17日,长征五号遥五运载火箭和嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场完成技术区总装测试。新华社记者 郭程 摄

    此次发射任务是长征系列运载火箭的第353次飞行。长征系列火箭一直是中国探月工程中不可或缺的运载角色。

    中国探月工程作为《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》明确的国家科技重大专项标志性工程,是为推动航天事业发展、促进科技进步和创新、提高综合国力作出的重大战略决策,自2004年1月立项并正式启动以来,长征三号甲遥十四火箭将嫦娥一号卫星送入预定轨道,拍摄了全月球影像图;长征三号丙遥七火箭将嫦娥二号卫星送入地月转移轨道,首次实现我国对小行星的飞跃探测;长征三号乙遥二十三火箭携带嫦娥三号发射升空,成功实现落月梦想;长征三号乙遥三十火箭将嫦娥四号探测器送入预定轨道,实现人类探测器首次月背软着陆,揭开月球背面神秘面纱……

长征五号遥五运载火箭发射升空。 新华社记者 郭程 摄

    此次执行任务的嫦娥五号探测器,与嫦娥一号、二号、三号、四号相比,技术跨度大、结构也更为复杂,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,重达8.2吨,是迄今我国发射重量最重的探测器。这个重量的探测器需要进入近地点200公里、远地点约41万公里的地月转移轨道,对运载火箭的能力提出了很高的要求。

    长征五号遥五运载火箭重达800多吨,一直被大家亲切称为“胖五”,“胖五”大火箭家族的长征五号运载火箭和长征五号B运载火箭,先后运送了实践二十号卫星、新一代载人飞船试验船、我国首次火星探测任务天问一号探测器等重磅“乘客”。

    长征五号火箭第一总指挥、中国航天科技集团一院党委书记李明华说,在长征火箭家族中,只有长征五号运载火箭可以将嫦娥“五妹”这么重的探测器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。

中国探月工程的收官之战

△长征五号遥五运载火箭发射升空。 新华社记者 蒲晓旭 摄

    从宏观来看,人类的月球探测一般遵循“探”“登”“驻”三大步,即无人探测、载人登月、短期驻扎。2004年中国探月工程立项实施,在此基础上,又将第一大步“探月”进一步细分为“绕”“落”“回”三小步。嫦娥一号到嫦娥四号任务的成功实施,已圆满完成三步走战略的前两步;而嫦娥五号肩负着完成探月工程第三步的重任。
 
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△嫦娥五号探测器。中国空间技术研究院 供图

    嫦娥五号任务由中国国家航天局组织实施,具体由工程总体和探测器、运载火箭、发射场、测控与回收、地面应用等五大系统组成。中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制运载火箭系统、中国空间技术研究院抓总研制探测器系统。

    ▪科学目标:开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,深化月球成因和演化历史的研究。

    ▪工程目标:一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术,提升中国航天技术水平;二是实现中国首次地外天体自动采样返回,推动中国科学技术重大进步;三是完善探月工程体系,为中国未来开展载人登月与深空探测积累重要的人才、技术和物质基础。

    ▪技术难点:主要表现在轨道设计、月面采样封装、月面起飞上升、月球轨道交会对接与样品转移、月地入射、地球大气高速再入返回等六个关键环节。

出发时间的选择大有玄机

 
△这是长征五号遥五运载火箭发射升空。 新华社记者 金立旺 摄

    此次发射正值凌晨破晓时分,中国航天科技集团所属中国运载火箭技术研究院总体设计部型号设计师钱航在接受记者采访时,揭秘了“胖五”选择在凌晨发射嫦娥五号探测器的几点原因。

    一是便于奔月轨道的设计。钱航表示,月球探测与火星探测一样,都属于深空探测,在火箭发射轨道设计上,要考虑到地月相对位置关系,在满足地球与月球位置关系的限制、火箭射向和滑行时间的约束、探测器地月转移时间、返回器再入航程等条件下,确定火箭的发射窗口。经过综合考虑,长征五号遥五火箭在凌晨发射最有利于奔月轨道的设计,可以满足各种约束条件。

    二是减少太阳活动对于嫦娥五号的影响。长征五号火箭飞向宇宙的时候,正好是地球把太阳光直接遮蔽住,避免有过多太阳辐射对嫦娥五号探测器产生影响,影响地面科研人员对嫦娥五号探测器的操控。

    三是有利于信号的传播。航天发射并不是一件轻松的事情,天气条件为重中之重。凌晨天空云层更少,也就代表云层更薄,这样的条件更有利于信号的传播。厚云层会阻碍电磁波传播,影响地面科研人员对嫦娥五号的控制。

    四是为了方便观测。在凌晨发射“胖五”,可更好地利用望远镜等天文设备,对观察到的发射情况做出总结。由于凌晨整体环境亮度比较低,运载火箭喷射着火焰飞向太空时更为显眼和突出,有利于地面的光学和测量设备跟踪到目标,收集相关信息。

    五是温度和光照的平衡。夜晚空气凉爽,“胖五”的整流罩温度更低,更能保护整流罩。但蓄电池容量是有限的,因此“胖五”飞向宇宙还必须有太阳光照。选择凌晨发射,可以实现温度和光照的平衡,“胖五”达到数万公里之后,蓄电池就得以最大的光照夹角获得源源不断的光照能源,保证蓄电池持续工作。

返回将用“太空打水漂”方案

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△嫦娥五号探测器。中国空间技术研究院 供图

    嫦娥五号探测器在经历地月转移、近月制动、环月飞行后,着陆器和上升器组合体将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,着陆器承载上升器择机实施月球正面预选区域软着陆,按计划开展月面自动采样工作。而能否把来自月球的土壤样本顺利带回地球,是此次奔月之旅成功与否的关键。由于月球与地球的距离遥远,在离开月球返回地球的路上,火箭的速度会不断上升,在进入地球大气层时,会以第二宇宙速度左右的高速再入。而当返回舱高速地撞击地球大气层,就会一直燃烧着,把采集回来的样品全部烧掉。

    为了避免出现这种情况,中国探月工程首席科学家、中国科学院院士、被誉为“嫦娥之父”的欧阳自远说,“我们采取了一个办法,当返回舱下降到大气层弹道一半的时候,就不能再下降了,让它跳出大气层,再下降。就像小孩儿在水面上用石头打一个水漂,把石头砸进去,再冒出来,再落下去,如此返回舱的速度就慢了。这样的话,我们就可以利用降落伞让它降落下来,就比较安全了。”

    在2014年,我国利用“嫦娥五号T1”试验器“舞娣”开展测试,再入器样件在经过了长时间的再入之后,平稳地落在了预定的落区范围内,验证了再入技术的可靠性。这个方案也被称作“太空打水漂”。

奔月“挖土”:月壤的价值

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△嫦娥五号探测器。中国空间技术研究院 供图
 
    虽然月壤在月球上唾手可得,但是对地球人来说却蕴藏着极大的科学价值。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。科学家通过研究这些月壤物质,既可以了解月球的地质演化历史,也可以为了解太阳活动等提供必要的信息。

    此次嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,风暴洋相对较年轻,富集铀、钍、钾等放射性元素,该地存在于大约13亿至20亿年前的玄武岩,而人类目前尚未有这一时段的月壤样本。
 
    据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介绍,来自中国航天科技集团五院的设计师们设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。当软着陆在月球表面,嫦娥五号将开始为期2天的月面工作,采取深钻、浅钻,以及“铲土”“挖土”“夹土”等方式,采集约2公斤月壤,并进行密封封装。自上世纪六七十年代美国与俄罗斯执行飞行任务以来,这将首次使科学家能够研究新获得的月球物质。

    国际顶尖学术期刊《自然》(Nature)在近期一篇题为“中国将取回40年来的第一块月球岩石”的文章中提到,嫦娥五号获取的样本将填补科学家对月球火山活动理解上的一个重要空白。此前,美国和苏联的月球任务所获得的岩石表明,月球上的火山活动在35亿年前达到顶峰,随后逐渐减弱并停止。但对月球表面的观测发现,某些区域可能含有最近10亿至20亿年前才形成的火山熔岩——如果嫦娥五号的样本证实这段时间月球仍在活动,那么月球历史将可能被改写。

中国航天史上五个“首次”

△这是航天科技人员在文昌航天发射场庆祝发射成功。新华社记者金立旺摄

△这是航天科技人员在文昌航天发射场庆祝发射成功。新华社记者金立旺摄

    嫦娥五号探测器是中国首个实施无人月面采样返回的航天器,此次任务有望实现中国航天史上的五个“首次”。

    ——首次月面自动采样。作为此次任务的核心关键之一,月球表面自动采样封装是嫦娥五号任务中最引人注目的一个环节。设计师为嫦娥五号精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。

    ——首次月面起飞上升。月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形。月面起飞时必须依靠航天器“自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。

    ——首次月球轨道交会对接。嫦娥五号需要飞到月球轨道上,与轨返组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。经过多年的实践探索,中国在载人航天领域已经熟练掌握了近地轨道交会对接技术,但在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接不仅在中国尚属首次,而且也是人类航天史上的第一次。

    ——首次带月壤高速再入返回地球。嫦娥五号返回器飞行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度。一旦速度过猛,返回器将一头撞向地球,后果不堪设想,因此必须让返回器减速飞行。设计师们创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面。

    ——首次自取月球样品的存储、分析和研究。嫦娥五号探测器随身携带各种“神器”,采集约2千克月壤并进行密封封装并安全送回地球。科研人员将首次对中国自取月球样品进行存储、分析和研究。

 

综合整理自:新华社、中国新闻网、凤凰网、参考消息网、新民晚报、中国青年报  作者:郭超凯 庞丹 叶雨恬  郜阳等