探月收官之戰:“嫦娥”奔月“挖土”
11月24日凌晨4時30分,在中國文昌航天發射場,長征五號遙五運載火箭成功發射探月工程嫦娥五號探測器,火箭經過2200多秒的飛行,順利將探測器送入地月轉移軌道。接下來,嫦娥五號將會登陸月球采取2公斤土壤樣本后重返地球,完成我國首次地外天體采樣返回任務。

△長征五號遙五運載火箭發射。 新華社記者 金立旺 攝

    11月24日凌晨,長征五號遙五運載火箭在海南文昌發射升空,先后實施了助推器分離、整流罩分離、一二級分離以及器箭分離等四次分離,成功將嫦娥五號月球探測器送入地月轉移軌道。

    根據計劃,嫦娥五號探測器將于11月下旬登陸月球,在月球最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,采取約2公斤重的月球土壤樣品,實現中國首次地外天體采樣返回。這是中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰,同時也是中國目前技術難度最大、系統組成最復雜的航天任務之一。如果嫦娥五號能夠圓滿實現任務,我國將是世界上第三個在月球上采樣返回的國家。

“長征”與“嫦娥”中的“胖胖”組合

    △11月17日,長征五號遙五運載火箭和嫦娥五號探測器在中國文昌航天發射場完成技術區總裝測試。新華社記者 郭程 攝

    此次發射任務是長征系列運載火箭的第353次飛行。長征系列火箭一直是中國探月工程中不可或缺的運載角色。

    中國探月工程作為《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》明確的國家科技重大專項標志性工程,是為推動航天事業發展、促進科技進步和創新、提高綜合國力作出的重大戰略決策,自2004年1月立項并正式啟動以來,長征三號甲遙十四火箭將嫦娥一號衛星送入預定軌道,拍攝了全月球影像圖;長征三號丙遙七火箭將嫦娥二號衛星送入地月轉移軌道,首次實現我國對小行星的飛躍探測;長征三號乙遙二十三火箭攜帶嫦娥三號發射升空,成功實現落月夢想;長征三號乙遙三十火箭將嫦娥四號探測器送入預定軌道,實現人類探測器首次月背軟著陸,揭開月球背面神秘面紗……

長征五號遙五運載火箭發射升空。 新華社記者 郭程 攝

    此次執行任務的嫦娥五號探測器,與嫦娥一號、二號、三號、四號相比,技術跨度大、結構也更為復雜,嫦娥五號探測器由軌道器、返回器、著陸器、上升器四部分組成,重達8.2噸,是迄今我國發射重量最重的探測器。這個重量的探測器需要進入近地點200公里、遠地點約41萬公里的地月轉移軌道,對運載火箭的能力提出了很高的要求。

    長征五號遙五運載火箭重達800多噸,一直被大家親切稱為“胖五”,“胖五”大火箭家族的長征五號運載火箭和長征五號B運載火箭,先后運送了實踐二十號衛星、新一代載人飛船試驗船、我國首次火星探測任務天問一號探測器等重磅“乘客”。

    長征五號火箭第一總指揮、中國航天科技集團一院黨委書記李明華說,在長征火箭家族中,只有長征五號運載火箭可以將嫦娥“五妹”這么重的探測器直接送入地月轉移軌道,這是對運載火箭能力的集中檢驗,也是對中國航天能力的最佳注解。

中國探月工程的收官之戰

△長征五號遙五運載火箭發射升空。 新華社記者 蒲曉旭 攝

    從宏觀來看,人類的月球探測一般遵循“探”“登”“駐”三大步,即無人探測、載人登月、短期駐扎。2004年中國探月工程立項實施,在此基礎上,又將第一大步“探月”進一步細分為“繞”“落”“回”三小步。嫦娥一號到嫦娥四號任務的成功實施,已圓滿完成三步走戰略的前兩步;而嫦娥五號肩負著完成探月工程第三步的重任。
 
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△嫦娥五號探測器。中國空間技術研究院 供圖

    嫦娥五號任務由中國國家航天局組織實施,具體由工程總體和探測器、運載火箭、發射場、測控與回收、地面應用等五大系統組成。中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制運載火箭系統、中國空間技術研究院抓總研制探測器系統。

    ▪科學目標:開展著陸點區域形貌探測和地質背景勘察,獲取與月球樣品相關的現場分析數據,建立現場探測數據與實驗室分析數據之間的聯系;對月球樣品進行系統、長期的實驗室研究,分析月壤的結構、物理特性、物質組成,深化月球成因和演化歷史的研究。

    ▪工程目標:一是突破窄窗口多軌道裝訂發射、月面自動采樣與封裝、月面起飛、月球軌道交會對接、月球樣品儲存等關鍵技術,提升中國航天技術水平;二是實現中國首次地外天體自動采樣返回,推動中國科學技術重大進步;三是完善探月工程體系,為中國未來開展載人登月與深空探測積累重要的人才、技術和物質基礎。

    ▪技術難點:主要表現在軌道設計、月面采樣封裝、月面起飛上升、月球軌道交會對接與樣品轉移、月地入射、地球大氣高速再入返回等六個關鍵環節。

出發時間的選擇大有玄機

 
△這是長征五號遙五運載火箭發射升空。 新華社記者 金立旺 攝

    此次發射正值凌晨破曉時分,中國航天科技集團所屬中國運載火箭技術研究院總體設計部型號設計師錢航在接受記者采訪時,揭秘了“胖五”選擇在凌晨發射嫦娥五號探測器的幾點原因。

    一是便于奔月軌道的設計。錢航表示,月球探測與火星探測一樣,都屬于深空探測,在火箭發射軌道設計上,要考慮到地月相對位置關系,在滿足地球與月球位置關系的限制、火箭射向和滑行時間的約束、探測器地月轉移時間、返回器再入航程等條件下,確定火箭的發射窗口。經過綜合考慮,長征五號遙五火箭在凌晨發射最有利于奔月軌道的設計,可以滿足各種約束條件。

    二是減少太陽活動對于嫦娥五號的影響。長征五號火箭飛向宇宙的時候,正好是地球把太陽光直接遮蔽住,避免有過多太陽輻射對嫦娥五號探測器產生影響,影響地面科研人員對嫦娥五號探測器的操控。

    三是有利于信號的傳播。航天發射并不是一件輕松的事情,天氣條件為重中之重。凌晨天空云層更少,也就代表云層更薄,這樣的條件更有利于信號的傳播。厚云層會阻礙電磁波傳播,影響地面科研人員對嫦娥五號的控制。

    四是為了方便觀測。在凌晨發射“胖五”,可更好地利用望遠鏡等天文設備,對觀察到的發射情況做出總結。由于凌晨整體環境亮度比較低,運載火箭噴射著火焰飛向太空時更為顯眼和突出,有利于地面的光學和測量設備跟蹤到目標,收集相關信息。

    五是溫度和光照的平衡。夜晚空氣涼爽,“胖五”的整流罩溫度更低,更能保護整流罩。但蓄電池容量是有限的,因此“胖五”飛向宇宙還必須有太陽光照。選擇凌晨發射,可以實現溫度和光照的平衡,“胖五”達到數萬公里之后,蓄電池就得以最大的光照夾角獲得源源不斷的光照能源,保證蓄電池持續工作。

返回將用“太空打水漂”方案

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△嫦娥五號探測器。中國空間技術研究院 供圖

    嫦娥五號探測器在經歷地月轉移、近月制動、環月飛行后,著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離,軌道器攜帶返回器留軌運行,著陸器承載上升器擇機實施月球正面預選區域軟著陸,按計劃開展月面自動采樣工作。而能否把來自月球的土壤樣本順利帶回地球,是此次奔月之旅成功與否的關鍵。由于月球與地球的距離遙遠,在離開月球返回地球的路上,火箭的速度會不斷上升,在進入地球大氣層時,會以第二宇宙速度左右的高速再入。而當返回艙高速地撞擊地球大氣層,就會一直燃燒著,把采集回來的樣品全部燒掉。

    為了避免出現這種情況,中國探月工程首席科學家、中國科學院院士、被譽為“嫦娥之父”的歐陽自遠說,“我們采取了一個辦法,當返回艙下降到大氣層彈道一半的時候,就不能再下降了,讓它跳出大氣層,再下降。就像小孩兒在水面上用石頭打一個水漂,把石頭砸進去,再冒出來,再落下去,如此返回艙的速度就慢了。這樣的話,我們就可以利用降落傘讓它降落下來,就比較安全了!

    在2014年,我國利用“嫦娥五號T1”試驗器“舞娣”開展測試,再入器樣件在經過了長時間的再入之后,平穩地落在了預定的落區范圍內,驗證了再入技術的可靠性。這個方案也被稱作“太空打水漂”。

奔月“挖土”:月壤的價值

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△嫦娥五號探測器。中國空間技術研究院 供圖
 
    雖然月壤在月球上唾手可得,但是對地球人來說卻蘊藏著極大的科學價值。月壤是研究月球的樣本,由月球巖石在遭受隕石撞擊、太陽風轟擊和宇宙射線輻射等空間風化作用后形成,其中有大量的月球巖石碎塊、礦物及隕石等物質?茖W家通過研究這些月壤物質,既可以了解月球的地質演化歷史,也可以為了解太陽活動等提供必要的信息。

    此次嫦娥五號將在月球正面最大的月海風暴洋北部呂姆克山脈附近著陸,風暴洋相對較年輕,富集鈾、釷、鉀等放射性元素,該地存在于大約13億至20億年前的玄武巖,而人類目前尚未有這一時段的月壤樣本。
 
    據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,來自中國航天科技集團五院的設計師們設計了兩種“挖土”模式:鉆取和表取。當軟著陸在月球表面,嫦娥五號將開始為期2天的月面工作,采取深鉆、淺鉆,以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式,采集約2公斤月壤,并進行密封封裝。自上世紀六七十年代美國與俄羅斯執行飛行任務以來,這將首次使科學家能夠研究新獲得的月球物質。

    國際頂尖學術期刊《自然》(Nature)在近期一篇題為“中國將取回40年來的第一塊月球巖石”的文章中提到,嫦娥五號獲取的樣本將填補科學家對月球火山活動理解上的一個重要空白。此前,美國和蘇聯的月球任務所獲得的巖石表明,月球上的火山活動在35億年前達到頂峰,隨后逐漸減弱并停止。但對月球表面的觀測發現,某些區域可能含有最近10億至20億年前才形成的火山熔巖——如果嫦娥五號的樣本證實這段時間月球仍在活動,那么月球歷史將可能被改寫。

中國航天史上五個“首次”

△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

△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

    嫦娥五號探測器是中國首個實施無人月面采樣返回的航天器,此次任務有望實現中國航天史上的五個“首次”。

    ——首次月面自動采樣。作為此次任務的核心關鍵之一,月球表面自動采樣封裝是嫦娥五號任務中最引人注目的一個環節。設計師為嫦娥五號精心設計了兩種“挖土”模式:鉆取和表取。

    ——首次月面起飛上升。月球表面環境復雜,著陸器不一定是四平八穩的狀態,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形。月面起飛時必須依靠航天器“自力更生”,實現起飛時自主定位、定姿。

    ——首次月球軌道交會對接。嫦娥五號需要飛到月球軌道上,與軌返組合體交會對接,把采集到的月壤轉移到返回器。經過多年的實踐探索,中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,但在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接不僅在中國尚屬首次,而且也是人類航天史上的第一次。

    ——首次帶月壤高速再入返回地球。嫦娥五號返回器飛行速度接近每秒11公里的第二宇宙速度。一旦速度過猛,返回器將一頭撞向地球,后果不堪設想,因此必須讓返回器減速飛行。設計師們創新提出了半彈道跳躍式再入返回技術方案,就像在太空打水漂一樣,讓返回器先是高速進入大氣層,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,然后以第一宇宙速度扎入大氣層,返回地面。

    ——首次自取月球樣品的存儲、分析和研究。嫦娥五號探測器隨身攜帶各種“神器”,采集約2千克月壤并進行密封封裝并安全送回地球?蒲腥藛T將首次對中國自取月球樣品進行存儲、分析和研究。

 

綜合整理自:新華社、中國新聞網、鳳凰網、參考消息網、新民晚報、中國青年報  作者:郭超凱 龐丹 葉雨恬  郜陽等

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