作者:陈海波 来源:光明日报 发布时间:2020/11/25 10:31:32
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“绕、落、回”收官,更多探测陆续开启——
去月球挖土的“嫦娥”如何带着月壤安全回家

 

“‘嫦娥’要去月球挖土了!”

11月24日,随着嫦娥五号成功发射,这句颇为形象的话很快在网络上流传开来。作为我国探月工程“绕、落、回”三步走中的最后一步“回”,嫦娥五号将开启我国首次地外天体采样返回之旅——飞到月球挖取月壤,再带着月壤返回地球,这被认为是我国迄今最复杂的航天工程之一。

“这次任务相对于我们已经实施的绕月探测、落月探测来说,是一次新的、更大的技术跨越。”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说。

在裴照宇看来,嫦娥五号任务对于我们“绕、落、回”整体规划来说,是收官之作;对于未来我国月球探测来说,是奠基之作。

既是收官,又是奠基,可见嫦娥五号承担的使命有多么艰巨和光荣。那么,要去月球挖土的“嫦娥”,这一路将面临哪些挑战?如何带着月壤安全回家?

任务过程约23天,环环相扣不能有失误

为何要去月球挖土?

一言以蔽之:为了更好地认识月球。“将月壤样品带回地球,让科学家进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,可以深化月球成因和演化历史的研究,为和平利用空间资源贡献中国智慧。”航天科技集团五院嫦娥五号探测器副总设计师阮剑华说。

月球,我们已去过多次,但去月球自动采样并带回地球,以前没做过。嫦娥五号任务的复杂性和难度,可以用五个“首次”来诠释。“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,这在我国都是首次。”裴照宇言简意赅。

阮剑华介绍,嫦娥五号发射后,将经过地月转移、近月制动、环月飞行、月面软着陆等过程,降落在月球正面风暴洋东北部,然后通过表取采样机构和钻取采样机构,采集月表岩石和土壤样品,同时开展科学探测。完成采样和封装后,在月面起飞,经过月球轨道交会对接、月地转移、再入地球等过程,返回并着陆于内蒙古四子王旗地区。整个任务总共11个飞行阶段,过程大约持续23天。

23天,看似很长,但其实整个任务流程都很紧凑。“一环接一环,每一环留给我们的时间都不多,每一步工作都要非常准确,各环节环环相扣,不能有失误。如果有一个出现意外情况,将带来一系列后续问题。”裴照宇强调。

挖土约2公斤,数量不算少

嫦娥五号探测器由上升器、着陆器、返回器、轨道器组成,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。着陆月球后,将在月面工作约两天,这两天里的一个重要任务就是挖土。

挖土看似简单,但不是随便一铲子下去就行。嫦娥五号采集的样品,将被用来研究月球的起因和演化。要让挖出来的土有更好的研究价值,必须提高采样的可靠性,增加样品的多样性。因此,嫦娥五号将通过钻取和表取两种方式来采集样品。

科学家给嫦娥五号提出的挖土目标是:约2公斤。根据目前对采样量的分配,钻取的样品是约0.5公斤,表取的样品是约1.5公斤。

好不容易去一趟月球,为何不多挖点土带回来?

“采集量的多少会影响到容器的大小,进而影响到整个探测器的体积、重量,以及推进剂的需求。”裴照宇解释,比如,为了钻取0.5公斤的样品,探测器上的钻取机构要达到七八十公斤;为了表取1.5公斤的样品,表取机构也要几十公斤;这100多公斤的采样机构都要由探测器送到月球去,会影响到探测器整体的重量、体积和功耗。

裴照宇指出,以2公斤的采样量作为初始值来设计探测器,嫦娥五号探测器的总重量达到8.2吨。如果增加样品的量,整个探测器很多指标都会增长,8.2吨很可能不够,最后会超过火箭的运载能力,目前的设计是平衡后的结果。“2公斤的数量不算少,工程上可实现。”他说。

再入地球充满考验,带回样品就是成功

挖完土并封装后,嫦娥五号将开启回家之旅:上升器携带样品从月面起飞,在月球轨道与轨道器实现交会对接,样品从上升器转移到返回器,然后轨道器携带返回器完成月地转移,返回器以第二宇宙速度再入地球,最后在内蒙古四子王旗地区着陆。这正是探月任务“绕、落、回”的最后一步——回。

要从月球回到地球,嫦娥五号在月球轨道的交会对接很关键。这些年来,我们对“交会对接”这个词并不陌生。我国载人航天工程曾进行过多次交会对接。但这些交会对接都发生在地球轨道,在月球轨道上交会对接,嫦娥五号将是我国第一个。

完成交会对接和月地转移后,嫦娥五号返回器将进入地球。再入地球的过程,充满考验。裴照宇指出,从地球轨道再入地球是7.9公里每秒的速度(即第一宇宙速度),而从月球再入地球将达到11公里每秒的速度(即第二宇宙速度),增加了30%以上。如此高速之下,探测器面临的力和热的环境要恶劣很多。

目前,嫦娥五号任务团队正在紧锣密鼓地准备飞控和返回器回收工作。“我们的目标是采样返回,采到样品,返回地球,就是成功。不管带多少,都是成功!”裴照宇强调,“当然,既然设计了2公斤,我们会努力争取实现这个指标。”

为载人登月与深空探测打基础

根据之前的部署,我国探月工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。此次成功发射嫦娥五号的任务,裴照宇将其总结为既是“收官之作”,又是“奠基之作”。也就是说,嫦娥五号在探月工程中将发挥着承上启下的作用。

国家航天局表示,嫦娥五号任务将完善探月工程体系,为我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。这也意味着,还有更艰巨的任务在等着我们。

“在探月工程三期研制过程中,我们对后续的月球探测进行了论证,规划了嫦娥七号和嫦娥八号任务,这两次任务的目标是建设月球科研站基本型。”裴照宇透露。

在裴照宇看来,我们现在对月球的认识,就像一百年前对深海的认识一样,仍非常有限,需要人类携手一起探索。“我们向国际社会发出了倡议,希望与世界各国合作,共建国际月球科研站,这将为月球科学探测和月球相关技术的实验提供共享平台。”

 
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