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成功发射!“长五”飞天,“嫦五”奔月

发布时间: 2020-11-24 13:52:04   作者:本站编辑   来源: 科技日报   浏览次数:        字号:[ 常规 ]

◎ 庞丹 科技日报记者 付毅飞

2020年11月24日4时30分,嫦娥五号探测器在中国文昌航天发射场发射成功。这是我国探月工程“绕、落、回”三步走中,第三步的首次任务。

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由中国航天科技集团有限公司研制的嫦娥五号探测器,是迄今为止我国研制最为复杂的航天器系统之一,由轨道器、返回器、着陆器、上升器组成 ,包含15个分系统。在此次任务中,嫦娥五号将经历11个飞行阶段,20余天的在轨飞行过程,采集约2公斤月球样品返回地球。

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,如果任务取得成功,有望创造我国航天史上的5个“首次”。

多种方式的月面自动采样

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。

记者从航天科技集团五院了解到,嫦娥五号将在月面选定区域着陆,使出浑身解数采集月壤,实现我国首次地外天体采样与封装。

五院设计师们采用表钻结合,多点采样的方式,精心设计了两种“挖土”模式:钻取和表取。

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效果图。中国航天科技集团八院供图

当着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面,嫦娥五号就开始为期2天的月面工作。它随身携带的钻取采样装置、表取采样装置、表取初级封装装置和密封封装装置等,将科学分工、精密配合,采取深钻、浅钻、“铲土”、“挖土”、“夹土”等方式,采集约2公斤月壤并进行密封封装。

据五院专家介绍,嫦娥五号任务采样装置为全新研制,技术新、难度大,需要考虑飞行任务以及探测器的测控、光照条件、电源、热控等条件约束;采样期间面临月面高温的工作环境;采样任务时序紧张、机构动作多、不确定因素多。因而采样封装是此次任务的核心环节之一。

月面起飞全靠航天器自力更生

完成月面工作后,嫦娥五号就要踏上归途。从月球回家可不容易,第一步能否迈好至关重要,这要突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。

嫦娥五号上升器在月面点火起飞,是一个高难度科目。

众所周知,运载火箭在地球起飞有一套完备的发射系统,点火起飞位置经过精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。

而月面起飞就不一样了,没有一马平川的发射场,更没有成熟完备的发射塔架,上升器只能站在着陆器身上发射。而月球表面环境复杂,着陆器不一定是平稳状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上,这都会增加起飞的难度。总而言之,整个起飞过程只能依靠航天器自力更生。

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效果图。中国航天科技集团八院供图

五院专家介绍,面对倾斜发射的技术难题,需要明确起飞稳定性的各项因素及其耦合的影响,依靠精确的定姿能力完成空中对准以实现精确入轨,必须通过大量地面仿真和试验对起飞上升发动机开展验证。但月面环境的特殊性,低重力、高真空等环境模拟使得地面验证较为困难。

经过一系列技术攻关,五院科研团队成功开展了各项试验验证,建立了一整套环环相扣的系统保证任务,护送嫦娥五号离开月球。

人类首次月球轨道无人交会对接

嫦娥五号上升器从月面起飞后,将飞到月球轨道上。但要它凭借一己之力将月球样品送回地球,却非力所能及。它需要在月球轨道上与轨道器、返回器组合体交会对接,把样品交给返回器,让其完成接下来的旅程。

上世纪70年代,苏联成功实施了三次无人月球采样任务,先后利用月球16号、20号、24号探测器,一共从月球取回300多克样品。全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩向科技日报记者介绍,苏联采用探测器从月面起飞直接返回地球的方案。探测器需要携带大量燃料,而携带样品的能力极为有限。

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效果图。中国航天科技集团八院供图

经过几十年的实践探索,我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,但是在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,不仅在我国尚属首次,而且也是人类航天史上的第一次,这给五院科研团队带来了极大挑战。

记者从五院了解到,嫦娥五号月球轨道交会对接采用停靠抓捕式交会对接方式,且无卫星导航信号支持,对接和样品转移过程自主性要求很高。这需要在考虑探测器的测控、光照条件、姿轨控、电源、热控等各种约束条件下完成交会对接飞行方案设计。

同时,月球交会对接过程中,地面测控支持能力受限,受到对接机构大小的限制,对接精度的要求较高。此外,嫦娥五号对接机构中必须考虑样品转移装置的设计,保证对接精度满足样品转移相关要求。对接机构与样品转移机构一体化设计也是难点。

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效果图。中国航天科技集团八院供图

从上升器进入环月飞行轨道开始,一直到轨返组合体与上升器完成对接与样品转移为止,五院设计师为嫦娥五号精心设计了交会、对接、组合体运行、轨返组合体与对接舱分离等一系列关键动作,力助嫦娥五号精准完成样品接力。

带着月壤高速返回地球

近地轨道航天器再入返回大气层时,速度通常为每秒约7.9公里的第一宇宙速度。而嫦娥五号从月球风驰电掣般向地球飞来,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,带来的力道大不相同。假如嫦娥五号冲劲过猛,一头撞向地球,整个任务都将前功尽弃。

为此,科研人员提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在大气层表面打水漂一样,让返回器先高速进入大气层,随后借助大气层提供的升力“跳”起来,再以第一宇宙速度重新进入大气返回地面。

2014年,我国发射嫦娥五号再入返回飞行试验器,模拟了嫦娥五号奔月、绕月、返回的全过程,并对跳跃式再入返回技术进行了成功验证,使我国成为继美、苏之后,世界第三个成功实施航天器从月球轨道重返地面的国家。

不过,当年的试验与如今的任务尚有细微差别。五院专家表示,嫦娥五号再入返回设计继承了此前飞行试验器的设计,任务再入航程也与飞行试验器基本一致。但装有月壤的样品容器重量有一定不确定性,有可能影响返回器的质量特性,这对返回器制导导航控制系统的鲁棒性(控制系统在一定参数摄动下,维持某些性能的特性)提出了较高要求。

除了前述四点,裴照宇还表示,我国将首次实施完整的月球样品存储、分析和研究全过程。

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效果图。中国航天科技集团八院供图

从立项到发射,嫦娥五号任务团队经历了10年的艰辛奋战。围绕诸多关键核心技术和难点,五院充分研究继承低轨道卫星、高轨道卫星、载人航天交会对接、地外天体无人着陆与航天器返回等技术经验,联合参研单位集中最强阵容攻克难关,确保了嫦娥五号探测器方案设计合理,各项功能性能满足任务的要求,研制过程技术状态和质量受控。

在接下来20多天里,嫦娥五号能否成功完成任务如期归来,让我们拭目以待。

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嫦娥五号任务的11个阶段

张宇

嫦娥五号从发射入轨到返回器再入回收,一共要经历11个飞行阶段:

一是发射入轨阶段。嫦娥五号将由运载火箭发射,进入到地月转移轨道的飞行阶段,开启探月返回的旅程。

二是地月转移阶段。嫦娥五号完成器箭分离,并展开相应太阳翼,逐步进入预定轨道。地月转移段飞行时间大约为112个小时,为了确保探测器按照预定轨道顺利到达近月点,期间要进行多次中途修正。

三是近月制动阶段。嫦娥五号继续在目标环月飞行轨道正常行进,并在近月点进行减速制动,以合适的运动速度进入到环月圆轨道,最终进入的轨道距离月面200公里左右,近月制动时段长达1天。

四是环月飞行阶段。嫦娥五号在环月飞行轨道中行进到动力下降初始点,并在该阶段完成轨道返回组合体和着陆上升组合体的分离,着陆上升组合体分离后要进行降轨、变轨,轨道返回组合体将继续环月飞行,等待上升器的到来。

五是着陆下降阶段。嫦娥五号着陆上升组合体将从下降初始点开始进行月面软着陆,并经过主减速段、接近段、悬停段、避障段、缓速下降段和自由下落段等多个阶段,寻找合适的月面完成软着陆,整个着陆下降的过程将维持15分钟左右。

六是月面工作阶段。嫦娥五号着陆上升组合体将在月面停留约2天,完成设定任务。通过有效载荷设备完成月面科学探测,通过采样封装设备完成月壤的钻取、表取以及封装。月面工作的时间非常紧张,仅有2天的时间,与此同时,着陆上升组合体与轨道返回组合体必须同时进行下一个阶段的准备工作,为月球轨道交会对接和样品的转移做好万全的准备。

七是月面上升阶段。上升器将经历垂直上升、姿态调整和轨道射入三个阶段,进入到相应的环月飞行轨道,此次月面发射的窗口期很短,上升器和轨道返回组合体要精准考虑测控需求、光照需求以及姿态控制要求,以确保交会对接的顺利完成。

八是交会对接与样品转移阶段。从上升器进入环月飞行轨道开始,通过远程导引和近程导引技术,上升器与轨道返回组合体逐步完成交会对接,上升器中存放的月球样品通过轨道器转移到返回器中。

九是环月等待阶段。嫦娥五号轨道返回组合体从对接舱分离并进入月地入射点,在环月等待段飞行过程中,轨道返回组合体进行1次轨道维持,等待月地入射窗口的到来,全力以赴做好返回地球的准备。

十是月地转移阶段。嫦娥五号轨道返回组合体带着月球采样产品从月球满载而归,经历多次中途修正之后,在距离地球5000公里高度处,实现轨道器和返回器的分离,返回器即将重新迎入地球的怀抱。

十一是再入回收阶段。嫦娥五号返回器与轨道器分离后,轨道器进行规避机动,返回器则要经历惯性滑行、地球大气再入、回收着陆三个阶段完成最后的降落。返回器首先以第二宇宙速度冲向地球,在进入地球大气后,通过半弹道跳跃式再入返回技术重新跳出大气层,再以第一宇宙速度进行降落,最终返回器打开降落伞,平稳安全地降落在预定地点。

嫦娥五号大事记:

2011年1月,国务院正式批复立项,嫦娥五号探测器启动研制工作。

2012年12月,完成探测器系统方案阶段研制总结评审,转入初样研制阶段。

2015年12月,完成探测器系统初样研制总结及正样设计评审,转入正样研制阶段。

2020年7月,探测器空运抵达海南文昌航天发射场,此后开展了将近5个月的发射场工作。

2020年11月24日,嫦娥五号发射。

来源:科技日报

编辑:刘义阳

审核:朱丽

终审:冷文生