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“长五”送“嫦五”,月球去“挖土”!

嫦娥五号月面采样返回任务演示动画

九天揽月星河阔,十六春秋绕落回。浩瀚宇宙,人类探索的脚步永不停歇。

北京时间 11 月 24 日 4 时 30 分,中国在文昌航天发射场用长征五号遥五运载火箭,成功将嫦娥五号月球探测器送入地月转移轨道,发射取得圆满成功。这是中国探月工程“绕、落、回”三步走的收官之战 , 同时也是中国目前技术难度最大、系统组成最复杂的航天任务之一;此次任务将实现中国首次地外天体采样返回。

发射瞬间。李迪克 摄

长征五号遥五运载火箭将嫦娥五号探测器发射升空

中国航天史上五个“首次”

嫦娥五号探测器是中国首个实施无人月面采样返回的航天器,有望实现中国航天史上的五个“首次”。

—— 首次月面自动采样。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。为此,中国航天科技集团所属中国空间技术研究院的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。当着陆上升组合体顺利软着陆在月球表面,嫦娥五号将开展为期约 2 天的月面工作,采集约 2 千克月壤并进行密封封装,经月面起飞、月球轨道交会对接、月地转移和再入回收等过程将月球样品安全送至地球家园。

—— 首次月面起飞上升。当嫦娥五号完成月面工作后,它就要踏上“回娘家”的旅程,这就是涉及到突破中国航天史上另一个首次 —— 月面起飞上升。顺利完成月壤采样封装后,上升器就要准备月面点火起飞,这是一个高难度科目。月球表面环境复杂,着陆器不一定是四平八稳的状态,很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同地形。这给起飞带来很大难度。此外,探测器还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞时必须依靠航天器“自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。

—— 首次月球轨道交会对接。当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,嫦娥五号一路飞奔而去。但是仅仅依靠上升器是不能返回地球的,它需要飞到月球轨道上,在这里与轨返组合体交会对接,把采集到的月壤转移到返回器。经过多年的实践探索,中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中国尚属首次,而且也是人类航天史上的第一次。

—— 首次带月壤高速再入返回地球。当返回器带着月壤,从 38 万公里远的月球风驰电掣般向地球飞来,它的飞行速度是接近每秒 11 公里的第二宇宙速度。一旦速度过猛,返回器将一头撞向地球,后果不堪设想,因此必须让返回器减速飞行。科研人员创新提出了半弹道跳跃式再入返回技术方案,就像在太空打水漂一样,让返回器先是高速进入大气层,再借助大气层提供的升力跃出大气层,然后以第一宇宙速度扎入大气层,返回地面。整个过程环环相扣,确保嫦娥五号能安全顺利地降落在内蒙古四子王旗着陆场。

—— 首次自取月球样品的存储、分析和研究。嫦娥五号探测器随身携带各种“神器”,采集约 2 千克月壤并进行密封封装并安全送回地球。科研人员将首次对中国自取月球样品进行存储、分析和研究。

图为嫦娥五号探测器 来源:中国空间技术研究院

2020 年最具“分量”发射

此番“长五”送“嫦五”,被视为今年中国最具“分量”的探测器发射任务。

嫦娥五号月球探测器重达 8.2 吨,是中国目前发射的重量最重的探测器。今年 7 月 23 日发射的天问一号火星探测器重约 5 吨;此前中国发射的嫦娥三号、嫦娥四号月球探测器重量约为 4 吨。嫦娥五号探测器需要进入近地点 200 公里、远地点 41 万公里的地月转移轨道,这对运载火箭的能力提出了很高要求。

图为长征五号遥五火箭垂直转运。骆云飞 摄

“在长征火箭家族中,只有长征五号运载火箭可以将 8 吨重的载荷直接送入地月转移轨道,这是对运载火箭能力的集中检验,也是对中国航天能力的最佳注解。”长征五号火箭第一总指挥、中国航天科技集团所属中国运载火箭技术研究院党委书记李明华说。

执行此次任务的长征五号运载火箭是中国新一代大推力低温液体运载火箭,全长近 57 米,起飞重量约 870 吨,起飞推力超过 1000 吨;地球同步转移轨道(GTO)运载能力可达 14 吨,是目前中国运载能力最大的火箭。长征五号火箭和嫦娥五号探测器“强强联手”,有望实现中国首次月球采样返回。

从立项到发射,嫦娥五号探测器历时 10 年。围绕关键核心技术和诸多难点、风险点,中国空间技术研究院先后突破了月表采样任务所涉及到的 20 余项关键技术和总体设计优化技术、地面试验验证技术,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要求。

图为嫦娥五号探测器 来源:中国空间技术研究院

探月三步走收官之战

中国探月工程于 2004 年立项实施,确定了“绕、落、回”三步走战略规划。嫦娥一号到嫦娥四号任务的成功实施,已圆满完成三步走战略的前两步。如今嫦娥五号探测器发射升空,有望实现探月工程三步走的最后一步“回”。

由中国航天科技集团研制的嫦娥五号探测器是迄今为止中国研制的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 4 个器组成,包含 15 个分系统。

在此次任务中,嫦娥五号探测器将经过 20 余天的在轨飞行,采集约 2 千克的月球样品返回地球。期间包含发射入轨、地月转移、近月制动、环月飞行、着陆下降、月面工作、月面上升、交会对接与样品转移、环月等待、月地转移、再入回收等 11 个阶段。

中国国家航天局表示,嫦娥五号任务计划实现三大工程目标:一是突破窄窗口多轨道装订发射、月面自动采样与封装、月面起飞、月球轨道交会对接、月球样品储存等关键技术,提升中国航天技术水平;二是实现中国首次地外天体自动采样返回,推动中国科学技术重大进步;三是完善探月工程体系,为中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。

嫦娥五号任务的科学目标主要是开展着陆点区域形貌探测和地质背景勘察,获取与月球样品相关的现场分析数据,建立现场探测数据与实验室分析数据之间的联系;对月球样品进行系统、长期的实验室研究,分析月壤的结构、物理特性、物质组成,深化月球成因和演化历史的研究。

深空探测永不停歇

自古以来,月亮始终吸引着人们的眼球,探月梦想由来已久,神话故事中嫦娥服下丹药,飞上月球。如今,“嫦娥”系列探测器在长征系列火箭的托举下,已五度奔月。

从嫦娥一号实现中国千年奔月梦想,到嫦娥二号首次实现中国对小行星的飞越探测、嫦娥三号成功实现落月、嫦娥四号实现人类历史上首次月球背面软着陆,再到嫦娥五号即将实现中国首次地外天体采样返回 …… 自 2004 年启动以来,中国探月工程连战连捷,硕果累累。

中国探月工程副总设计师于登云曾表示,中国探月工程起步晚但起点高,经费投入少但科技产出多,发射次数少但成功率高,中国探月正从“跟跑、并跑”走向部分“领跑”。后续,中国探索月球的步伐依旧稳健:嫦娥六号、嫦娥七号、嫦娥八号等探测器还将实施第二次采样返回、月球极区资源详查以及一些关键技术的月面试验和技术利用。

九天揽月星河阔,十六春秋绕落回。浩瀚宇宙,人类探索的脚步永不停歇。

责任编辑丨安娜

值班主任丨崔凌云

来源丨中国新闻网

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