作者:刘峣 来源:人民日报海外版 发布时间:2020/12/5 9:39:23
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“嫦娥”回家 从月亮上起飞

 

古有嫦娥奔月传说,今有“嫦娥”回家直播。顺利完成月球上的科学任务之后,嫦娥五号要回家了。

12月3日23时许,嫦娥五号上升器在月面点火起飞,携带着精心“打包”的月壤奔向环月飞行轨道,踏上了返回地球的征程。漫漫归途中,还有一场惊心动魄的月球轨道空间交会对接考验着嫦娥五号。

起飞离月宫 载人不是梦

嫦娥五号回家之旅顺利开启,标志着中国首次地外天体起飞的成功。

与奔月时借助长征五号运载火箭的力量不同,嫦娥五号在月面起飞面临着诸多考验和不确定因素。专家介绍,由于不具备成熟的发射塔架系统,上升器在月面起飞时,只能依靠在月球上“协同作战”的着陆器作为“临时塔架”;起飞过程中,由于月面环境复杂,上升器的起飞初始基准与起飞平台姿态不确定,还面临着发动机羽流导流空间受限、地月环境存在差异等问题;上升器起飞后,由于月球上没有导航星座,需在地面测控辅助下,借助自身携带的特殊敏感器实现自主定位、定姿。

时间窗口同样分秒必争。从12月1日着陆到12月3日飞离,嫦娥五号必须在月球白天的48小时内完成采样封装等科学任务,并在月球入夜、进入极端寒冷环境前离开月面。

因此,此次地外天体起飞的顺利实现,不仅跨越了嫦娥五号探月的一大难关,对于走向深空的中国航天而言意义更为深远。

中国航天科技集团党组书记、董事长吴燕生表示,嫦娥五号实现地外天体起飞,标志着中国首次掌握了地外天体起飞技术。中国人独立自主完成载人登月、建立月球空间站,甚至走向更为深远的太空将不再是梦。

在上升器点火返回前,嫦娥五号还准备了一个惊喜——着陆器在月面成功展示了一面“织物版”国旗,这是中国在月球表面首次实现国旗的“独立展示”。这并不是五星红旗第一次在月球出现,但这是一次独特和令人振奋的亮相。

2013年12月,嫦娥三号着陆器与玉兔号月球车成功互拍,让中国国旗首次出现在月球上;2018年12月,嫦娥四号探测器将耀眼的“中国红”带到了月球背面。与此前两次通过喷涂的方式展现国旗不同,嫦娥五号展示的五星红旗是一面真正的“旗帜”。

据了解,为了让国旗在月球极端恶劣的气候等环境条件下顺利亮相,相关研制团队用了超过1年的时间进行选材,最终选用了某新型复合材料。为了让国旗平整展示、让呈现效果更好、照片元素更丰富,科研团队采用了卷轴展开的形式,并将国旗尺寸定为2000毫米×900毫米。

着陆处女地 采得月壤归

在此次整装出发之前,嫦娥五号已在月球忙碌了近19个小时,实现了月面着陆和自动采样封装两大“壮举”。

嫦娥三号和嫦娥四号的登月经验,为嫦娥五号的月面着陆奠定了基础。与之相比,由于涉及月面采样和起飞,嫦娥五号的对于着陆位置的精度和平整度有更严苛的要求。为了实现“选址正确、落得准确”,嫦娥五号采用了嫦娥三号和四号验证过的“粗精接力避障”方式,在制导导航与控制(GNC)系统的指挥下稳稳降落。

与嫦娥三号相比,嫦娥五号任务的着陆缓冲能力要求提高了30%,但着陆缓冲机构重量指标减少了5%,这对嫦娥五号的减重设计提出了极高要求。为此,在嫦娥三号和四号的基础上,嫦娥五号的四条“腿”(着陆缓冲机构)实现了强化升级,具备完全自主知识产权的“偏置收拢、自我压紧”式方案,保证收拢简单、展开可靠。

嫦娥五号即将带回的2千克月壤“纪念品”,取自于月球风暴洋地区,这里是人类探测器从来没有造访过的处女地。专家表示,月壤蕴藏着巨大的科学研究价值,不仅涉及月球本身,还包含太阳系空间的物质和能量等重要信息。通过对月壤的研究,可以提供月球资源开发利用的重要信息,并为未来月球基地的选址提供科学依据。

作为时隔44年之后再度奔月取土的人类航天器,嫦娥五号为何选择在风暴洋地区采样“取土”?

从历史来看,上世纪六七十年代,美国和苏联先后实现了月球采样返回。美国通过6次登月计划,带回380多千克的月壤和月岩样品;苏联则在3次探月过程中采集了300余克样品。美苏月壤样品采集地历史更老,而嫦娥五号降落区域形成的地质年代较短,约为37亿年。如果嫦娥五号能够带回迄今为止最年轻的月壤样品,将有望在月球火山活动和演化历史研究等方面取得原创性的科学成果。

为此,嫦娥五号在挖土过程中“手脚并用”,用“表取”和“钻取”结合的方式,既抓取了月球表面的月壤,又钻取了月表以下两米左右位置的月壤。专家表示,此举能够更加原汁原味地保留月表以下两米的月壤构造情况,让科学家们能够更加清楚地了解到月壤的构造和分布以及每一层的特征。

虽然嫦娥五号尚未“到家”,但月壤样品已“炙手可热”。不少国外科学家和航天机构提出,希望利用中国获得的月球样品开展研究。

交会对接后 嫦娥潇洒回

嫦娥五号从月面起飞,仅仅是重返地球的第一步。上升器经历垂直上升、姿态调整和轨道射入3个阶段进入预定环月轨道后,将与轨返组合体(轨道器和返回器)交会对接,把采集到的月壤转移到返回器中。

在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,这在人类航天史上尚属首次。此前苏联实施过3次无人月球采样任务,均是从月面起飞后直接返回地球。

从2011年至今,中国载人航天工程完成了多次交会对接任务,空间自主交会对接技术已经成熟。但此前的对接任务都是在地球轨道上完成的,有充足的地面站与人造卫星资源提供精准的测距、定位、导航服务。在月球轨道上实现“穿针引线”般的交会对接,可谓前无古人、挑战重重。

据专家介绍,上升器和轨返组合体交会时,两个航天器的相对位置误差不能超过5厘米。上升器重量为三四百千克,轨返组合体则重达近2000千克,如果采取碰撞式对接,一旦控制不好,重量和体积小一号的上升器就有被撞飞的风险。为此,科研人员设计了两个航天器在相对速度为零的状态下“搂紧”对接的方案,类似双臂拉住对方随后收紧。这对航天器的姿态、测控精度等提出了更高要求。

当完成接力、接到珍贵的样品后,轨范组合体将与上升器分离。而在距地球约5000公里时,返回器将再度同轨道器分离,独自踏上回家之路。在此阶段,返回器将以接近每秒11公里的第二宇宙速度奔向地球。为了不“超速”、更安全地回家,返回器将以“半弹道跳跃式”的再入返回方式在太空中“打水漂”——先高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,随后再以每秒8公里的第一宇宙速度“扎入”大气层。经历惯性滑行、地球大气再入、回收着陆三个阶段,返回器将在内蒙古四子王旗预定着陆区域落地。

 
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