雙“五”合璧 奔月取土踏征程(嫦娥五號探月任務特別報道之一)

嫦娥五號探測器示意圖  圖片來源:中國探月與深空探測網

長征五號遙五運載火箭發射升空。  新華社記者 蒲曉旭攝

11月24日,長征五號遙五運載火箭在晨曦之中轟鳴升空,將嫦娥五號探測器送往月球。中國探月工程“繞、落、回”三步走的收官之戰,正式拉開帷幕。

嫦娥五號探月,既是一場38萬公里地月往返的漫長馬拉松,也是一場從發射、着陸到採樣、返回的接力賽。作爲中國航天領域迄今爲止最複雜、難度最大的任務之一,嫦娥五號將創造諸多紀錄,並帶回來自月球的“紀念品”――月壤。這對於中國開啓月球與深空探測新徵程、建設航天強國有着里程碑意義。

最難任務實現五個“首次”

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對於月球,中國人的矢志探索未曾停歇。從2017年嫦娥一號繞月探測、爲月球拍下“全身照”開始,中國已完成5次探月任務,實現了繞月探測、落月探測和巡視探測。

嫦娥五號的升空,則開啓了中國探月工程“繞、落、回”三步走戰略的衝刺之旅。作爲探月工程三期的收官之戰,嫦娥五號探測器將落月“挖土”,帶上月壤樣品返回地球,實現中國首次月球無人採樣返回任務。

事實上,嫦娥五號的“首次”不只帶回月壤。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表示,嫦娥五號任務順利完成將有望實現中國航天史上的5個“首次”:地外天體的採樣與封裝;地外天體的起飛;月球軌道交會對接;攜帶樣品高速地球再入;樣品的存儲、分析和研究――這將成爲中國航天技術的一次重大跨越,爲進一步認識月球提供重要支撐。

與此同時,作爲中國航天史上最複雜的任務之一,嫦娥五號在整個探月行程中將經歷11個階段、約23天的在軌飛行過程,採集約2千克月球樣品返回地球。從任務的操作來看,一次探月飛行包括兩次發射(地面發射與月面發射)、兩次着陸(月面着陸與地球着陸)、兩次封裝(月面封裝與月軌封裝)、一次交會對接(月軌對接)。

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“糖葫蘆”探測器“組團”工作

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要實施如此複雜的探月任務,嫦娥五號具備了一身本領。相較於嫦娥家族的4位“大姐姐”,嫦娥五號探測器雖然“年紀”小,但結構最複雜,噸位也是家族第一――探測器總重量達8.2噸,高度在7.2米左右,是今年中國航天發射的最重探測器。當然,這也對運載火箭提出了很高的要求,顯示出長征五號遙五運載火箭的強大能力。

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嫦娥五號的重量源於4個主要部件――上升器、着陸器、返回器和軌道器。相較而言,嫦娥一號和嫦娥二號僅有一個軌道器,而嫦娥三號與嫦娥四號則只有着陸器與巡視器(月球車)。

4個部件的主要任務各不相同。據專家介紹,上升器的作用是攜帶採集的樣品,在月球表面起飛上升,將月球“紀念品”帶回地球。着陸器則具備多重功能:降落時,攜帶上升器落在月球表面;降落後,通過鑽取和表取兩種方式,完成月球表面的採樣和封裝;隨後,變身發射塔架,幫助上升器完成點火起飛。

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在抵達月球和離開月球的過程中,嫦娥五號要完成地月軌道和月地軌道的轉換。軌道器的作用就是承擔在不同軌道上的飛行任務――嫦娥五號抵達月球后,軌道器要及時剎車制動,幫助探測器進入環繞月球軌道。此後,軌道器將與返回器一同在軌道上待命。當上升器攜帶樣品起飛後,軌道器將幫助返回器完成交會對接和樣品轉移,隨後在合適的時機進入月地轉移軌道,“目送”返回器回到地球。

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爲了完成複雜的工作,嫦娥五號四大“神器”將“組團”接力作戰。着陸器與上升器組成“着上組合體”,主要承擔前期的登月採樣任務;軌道器和返回器則組成“軌返組合體”,完成最後一棒的“衝刺”,將珍貴的月壤樣品帶到地球。

“這四器就像‘糖葫蘆’一樣,每一個都是單獨的個體,放在一起還能組合。四器串在一起,則構成了一個完整的探測器。”航天科技集團五院嫦娥五號探測器系統副總設計師彭兢說。

邊鏟邊鑽“挖土”2千克

月球表面自動採樣封裝,是嫦娥五號探月任務中最令人關注的環節。這也是人類航天器時隔44年之後再度飛赴月球取壤。

專家表示,月壤蘊藏着巨大的科學研究價值,不僅涉及月球本身,還包含太陽系空間的物質和能量等重要信息。通過對月壤的研究,可以提供月球資源開發利用的重要信息,併爲未來月球基地的選址提供科學依據。目前,已有不少國外科學家和航天機構提出,希望利用中國獲得的月球樣品開展研究。

上世紀六七十年代,美國和蘇聯先後實現了月球採樣返回。美國通過6次登月計劃,將12名航天員送上月球的同時,帶回了380多千克的月壤和月岩樣品;蘇聯則在3次探月過程中,用無人採樣的方式採集了300餘克樣品。

此次嫦娥五號設定了2千克的採集目標。裴照宇表示,經過論證,2千克數量上不算少,工程上可實現。“但作爲對這次任務的考覈,我們的目標是採樣返回。採到樣品返回地球,就是成功。”

據介紹,嫦娥五號主要採用了兩種採樣方式,即機械臂表取和鑽具鑽取。所謂表取,是用類似於人手的“鏟子”採集月壤;鑽取則可深入月球內部2米,鑽取月壤巖芯。在兩天的工作時間裏,嫦娥五號的各種設備將採取深鑽、淺鑽以及“剷土”“挖土”“夾土”等方式採集足量月壤,並進行密封封裝,將珍貴樣本送回地球家園。

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採取2千克樣本看似簡單,但卻面臨不少困難。一方面,全新研製的月面採樣裝置需要考慮飛行任務以及探測器的測控、光照條件、電源、熱控等各種約束;另一方面,採樣期間還要面臨月面的高溫工作環境以及地質情況等不確定因素――在白天,月球表面溫度可達零上180攝氏度。

爲了讓採樣物盡其用、獲取更有價值的研究成果,嫦娥五號的降落點也很有講究。專家介紹,着陸器將降落在月球正面西北部風暴洋地區,人類的探測器還未曾到訪此處。科學家認爲,這塊區域形成的地質年代比較短,此前美蘇採集的月球樣品歷史更早一些。因此,在風暴洋地區採樣並分析其月壤的結構、物理特性、物質組成等,可以更完整地認識和了解月球的形成和演化過程,甚至有望揭示月球10多億年以來的火山活動和隕石撞擊歷史。

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完成月壤的採樣和封裝後,嫦娥五號的着陸器將點火起飛,把載滿寶藏的上升器送回月球軌道。

月面起飛上升,這也是中國航天史上的第一次。從地球出發時,“嫦五”還可以乘坐“胖五”,沿着既定軌道奔月;但漫長的回家之路,沒有平坦的起飛地、沒有成熟完備的發射塔架,嫦娥五號只能靠自己的本事。

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中國航天科技集團五院嫦娥五號探測器副總設計師阮劍華說,月球表面環境複雜,着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、下凹等不同的地形上,這給起飛帶來很大難度。此外,嫦娥五號還要克服地月環境差異、發動機羽流導流空間受限等難題。月面起飛時,航天器需要自主定位、定姿。

爲了確保上升器順利起飛上升,嫦娥五號研製團隊進行了大量的試驗驗證,並建立了一整套環環相扣的系統保證措施,爲嫦娥五號勝利邁出回家的一步保駕護航。

當上升器抵達月球軌道後,將與軌返組合體交會對接,把採集到的月壤轉移到返回器,這也是此次探月任務的難點之一。

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儘管中國的空間自主交會對接技術已經成熟,但過去的工作都是在地球軌道上進行的,有充足的地面站與人造衛星資源提供精準測距、定位、導航服務。在38萬公里外的月球軌道上進行無人交會對接,在人類航天史上尚屬首次――此前蘇聯實施的3次無人月球採返任務,均採用月面起飛後直接返回地球的方式。

彭兢介紹說,上升器和軌返組合體交會時,兩個航天器的相對位置誤差不能超過5釐米。上升器重量約爲三四百千克,軌返組合體則重達近2000千克,如果採用一定速度的碰撞式對接,稍有誤差就會把小的航天器撞飛。因此,科研人員設計了兩個航天器在相對速度爲零的狀態下進行對接的方案,這對航天器的姿態、測控精度等提出了更高要求。

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“打個水漂”從太空回家

在距離地球約5000公里時,返回器將同軌道器分離,獨自踏上回家之路。經歷慣性滑行、地球大氣再入、回收着陸三個階段,最終平穩安全地降落在預定地點――內蒙古四子王旗着陸場。

在再入和回收階段,擔任探月接力任務“最後一棒”的返回器,將以接近每秒11公里的第二宇宙速度,從38萬公里遠的距離向地球飛奔而來。與之相比,從數百公里高的近地軌道返回的航天器,其速度大多爲每秒8公里的第一宇宙速度。每秒3公里差距看似不大,但返回器一旦速度過猛,一頭撞向地球,後果不堪設想。

爲了讓返回器減速飛行,嫦娥五號的科研人員提出了“半彈道跳躍式”再入返回技術方案。用更形象的比喻來說,就如同在太空中打水漂一樣,讓返回器先高速進入大氣層,再借助大氣層提供的升力躍出大氣層,隨後再以第一宇宙速度“扎入”大氣層,返回地面。

在太空中打水漂看似瀟灑,實際上對返回器落點的控制並不容易。爲了驗證這一技術,中國在2014年進行了再入返回飛行試驗,爲嫦娥五號探路的“嫦娥五T”平安返回地球,驗證了再入技術的可靠性。此次試驗也讓中國成爲第三個成功實施航天器從月球軌道重返地面的國家。