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主辦單位:國家航天局探月與航天工程中心 承辦單位:國家航天局新聞宣傳中心 協(xié)辦單位:嫦娥奔月航天科技(北京)有限責任公司 中國科學(xué)院國家天文臺 地址:北京市海淀區阜成路甲8號 郵編:100048 京ICP備19018762號 信息報送:clep@cnsa.gov.cn |
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2020年11月24日4時(shí)30分,嫦娥五號探測器在中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)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(wù)。
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最為復雜的航天器系統之一,由軌道器、返回器、著(zhù)陸器、上升器組成,包含15個(gè)分系統。在此次任務(wù)中,嫦娥五號將經(jīng)歷11個(gè)飛行階段,20余天的在軌飛行過(guò)程,采集約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(wù)新聞發(fā)言人裴照宇介紹,如果任務(wù)取得成功,有望創(chuàng )造我國航天史上的5個(gè)“首次”。作為此次任務(wù)的核心關(guān)鍵之一,月球表面自動(dòng)采樣封裝是嫦娥五號任務(wù)中最引人注目的一個(gè)環(huán)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(zhù)陸,使出渾身解數采集月壤,實(shí)現我國首次地外天體采樣與封裝。五院設計師們采用表鉆結合,多點(diǎn)采樣的方式,精心設計了兩種“挖土”模式:鉆取和表取。當著(zhù)陸上升組合體順利軟著(zhù)陸在月球表面,嫦娥五號就開(kāi)始為期2天的月面工作。它隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級封裝裝置和密封封裝裝置等,將科學(xué)分工、精密配合,采取深鉆、淺鉆、“鏟土”、“挖土”、“夾土”等方式,采集約2公斤月壤并進(jìn)行密封封裝。
據五院專(zhuān)家介紹,嫦娥五號任務(wù)采樣裝置為全新研制,技術(shù)新、難度大,需要考慮飛行任務(wù)以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等條件約束;采樣期間面臨月面高溫的工作環(huán)境;采樣任務(wù)時(shí)序緊張、機構動(dòng)作多、不確定因素多。因而采樣封裝是此次任務(wù)的核心環(huán)節之一。完成月面工作后,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(guān)重要,這要突破我國航天史上另一個(gè)首次——月面起飛上升。
嫦娥五號上升器在月面點(diǎn)火起飛,是一個(gè)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(fā)射系統,點(diǎn)火起飛位置經(jīng)過(guò)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(méi)有一馬平川的發(fā)射場(chǎng),更沒(méi)有成熟完備的發(fā)射塔架,上升器只能站在著(zhù)陸器身上發(fā)射。而月球表面環(huán)境復雜,著(zhù)陸器不一定是平穩狀態(tài),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(huì )增加起飛的難度。總而言之,整個(gè)起飛過(guò)程只能依靠航天器自力更生。
五院專(zhuān)家介紹,面對傾斜發(fā)射的技術(shù)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(shí)現精確入軌,必須通過(guò)大量地面仿真和試驗對起飛上升發(fā)動(dòng)機開(kāi)展驗證。但月面環(huán)境的特殊性,低重力、高真空等環(huán)境模擬使得地面驗證較為困難。
經(jīng)過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān),五院科研團隊成功開(kāi)展了各項試驗驗證,建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統保證任務(wù),護送嫦娥五號離開(kāi)月球。嫦娥五號上升器從月面起飛后,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(huì )對接,把樣品交給返回器,讓其完成接下來(lái)的旅程。
上世紀70年代,蘇聯(lián)成功實(shí)施了三次無(wú)人月球采樣任務(wù),先后利用月球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(shù)首席科學(xué)傳播專(zhuān)家龐之浩向科技日報記者介紹,蘇聯(lián)采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(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐探索,我國在載人航天領(lǐng)域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會(huì )對接技術(shù),但是在38萬(wàn)公里外的月球軌道上進(jìn)行無(wú)人交會(huì )對接,不僅在我國尚屬首次,而且也是人類(lèi)航天史上的第一次,這給五院科研團隊帶來(lái)了極大挑戰。
記者從五院了解到,嫦娥五號月球軌道交會(huì )對接采用停靠抓捕式交會(huì )對接方式,且無(wú)衛星導航信號支持,對接和樣品轉移過(guò)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(huì )對接飛行方案設計。
同時(shí),月球交會(huì )對接過(guò)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(mǎn)足樣品轉移相關(guān)要求。對接機構與樣品轉移機構一體化設計也是難點(diǎn)。
從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開(kāi)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(huì )、對接、組合體運行、軌返組合體與對接艙分離等一系列關(guān)鍵動(dòng)作,力助嫦娥五號精準完成樣品接力。
近地軌道航天器再入返回大氣層時(shí),速度通常為每秒約7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五號從月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來(lái),速度接近每秒11.2公里的第二宇宙速度。每秒3公里多的速度差,帶來(lái)的力道大不相同。假如嫦娥五號沖勁過(guò)猛,一頭撞向地球,整個(gè)任務(wù)都將前功盡棄。
為此,科研人員提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案,就像在大氣層表面打水漂一樣,讓返回器先高速進(jìn)入大氣層,隨后借助大氣層提供的升力“跳”起來(lái),再以第一宇宙速度重新進(jìn)入大氣返回地面。
2014年,我國發(fā)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(guò)程,并對跳躍式再入返回技術(shù)進(jìn)行了成功驗證,使我國成為繼美、蘇之后,世界第三個(gè)成功實(shí)施航天器從月球軌道重返地面的國家。
不過(guò),當年的試驗與如今的任務(wù)尚有細微差別。五院專(zhuān)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(wù)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(zhì)量特性,這對返回器制導導航控制系統的魯棒性(控制系統在一定參數攝動(dòng)下,維持某些性能的特性)提出了較高要求。
除了前述四點(diǎn),裴照宇還表示,我國將首次實(shí)施完整的月球樣品存儲、分析和研究全過(guò)程。從立項到發(fā)射,嫦娥五號任務(wù)團隊經(jīng)歷了10年的艱辛奮戰。圍繞諸多關(guān)鍵核心技術(shù)和難點(diǎn),五院充分研究繼承低軌道衛星、高軌道衛星、載人航天交會(huì )對接、地外天體無(wú)人著(zhù)陸與航天器返回等技術(shù)經(jīng)驗,聯(lián)合參研單位集中最強陣容攻克難關(guān),確保了嫦娥五號探測器方案設計合理,各項功能性能滿(mǎn)足任務(wù)的要求,研制過(guò)程技術(shù)狀態(tài)和質(zhì)量受控。
在接下來(lái)20多天里,嫦娥五號能否成功完成任務(wù)如期歸來(lái),讓我們拭目以待。
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