“嫦娥”去月球挖土了!

日期:2020-11-26來源:楚雄州科協點擊:3149 字號: 手機:

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“‘嫦娥’要去月球挖土了!”

11月24日,隨著嫦娥五號成功發射,這句頗為形象的話很快在網絡上流傳開來。作為我國探月工程“繞、落、回”三步走中的最后一步“回”,嫦娥五號將開啟我國首次地外天體采樣返回之旅——飛到月球挖取月壤,再帶著月壤返回地球,這被認為是我國迄今最復雜的航天工程之一。

都鑫鑫攝

“這次任務相對于我們已經實施的繞月探測、落月探測來說,是一次新的、更大的技術跨越。”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如是說。

在裴照宇看來,嫦娥五號任務對于我們“繞、落、回”整體規劃來說,是收官之作;對于未來的我國月球探測來說,是奠基之作。

既是收官,又是奠基,可見嫦娥五號承擔的使命有多么艱巨和光榮。那么,要去月球挖土的“嫦娥”,這一路將面臨哪些挑戰?如何帶著月壤安全回家?

任務過程約23天,環環相扣不能有失誤

為何要去月球挖土?

一言以蔽之:為了更好地認識月球。“將月壤樣品帶回地球,讓科學家進行系統、長期的實驗室研究,分析月壤的結構、物理特性、物質組成,可以深化月球成因和演化歷史的研究,為和平利用空間資源貢獻中國智慧。”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,我們已去過多次,但去月球自動采樣并帶回地球,以前沒做過。嫦娥五號任務的復雜性和難度,可以用五個“首次”來詮釋。“一是地外天體的采樣與封裝,二是地外天體的起飛,三是月球軌道交會對接,四是攜帶樣品高速地球再入,五是樣品的存儲、分析和研究,這在我國都是首次。”裴照宇言簡意賅。

這是長征五號遙五運載火箭發射。新華社記者 金立旺 攝

由于任務風險太大,我國還專門做了一次再入返回飛行試驗。2014年10月24日,再入返回飛行試驗器發射升空,順利進入地月轉移軌道,返回器于11月1日精準著陸在預定著陸點,實現了“準時發射、精確入軌、可靠飛行、精準回收”,意味著我們突破和掌握了航天器以接近第二宇宙速度再入返回關鍵技術。

不過,這并不意味著我們可以高枕無憂。阮劍華介紹,嫦娥五號發射后,將經過地月轉移、近月制動、環月飛行、月面軟著陸等過程,降落在月球正面風暴洋東北部,然后通過表取采樣機構和鉆取采樣機構,采集月表巖石和土壤樣品,同時開展科學探測。完成采樣和封裝后,在月面起飛,經過月球軌道交會對接、月地轉移、再入地球等過程,返回并著陸于內蒙古四王子旗地區。整個任務總共11個飛行階段,過程大約持續23天。

23天,看似很長,但其實整個任務流程都很緊湊。“一環接一環,每一環留給我們的時間都不多,每一步工作都要非常地準確,各環節環環相扣,不能有失誤。如果有一個出現意外情況,將帶來一系列后續問題。”裴照宇強調。

挖土約2公斤,數量不算少

嫦娥五號探測器由上升器、著陸器、返回器、軌道器組成,在經歷地月轉移、近月制動、環月飛行后,著陸器和上升器組合體將與軌道器和返回器組合體分離,軌道器攜帶返回器留軌運行,著陸器承載上升器擇機實施月球正面預選區域軟著陸。著陸月球后,將在月面工作約兩天,這兩天里的一個重要任務就是挖土。

挖土看似簡單,但不是隨便一鏟子下去就行。嫦娥五號采集的樣品,將被用來研究月球的起因和演化。要讓挖出來的土有更好的研究價值,必須提高采樣的可靠性,增加樣品的多樣性。因此,嫦娥五號將通過鉆取和表取兩種方式來采集樣品。

這是長征五號遙五運載火箭發射升空。新華社記者 蒲曉旭攝

科學家給嫦娥五號提出的挖土目標是,約2公斤。根據目前對采樣量的分配,鉆取的樣品是約0.5公斤,表取的樣品是約1.5公斤。

或許有人會問:為什么只有2公斤?好不容易去一趟月球,干嗎不多挖點土帶回來?

“采集量的多少會影響到容器的大小,進而影響到整個探測器的體積、重量,以及推進劑的需求。”裴照宇解釋,比如,為了鉆取0.5公斤的樣品,探測器上的鉆取機構要達到七八十公斤;為了表取1.5公斤的樣品,表取機構也要幾十公斤;這100多公斤的采樣機構都要由探測器送到月球去,會影響到探測器整體的重量、體積和功耗。

裴照宇指出,以2公斤的采樣量作為初始值來設計探測器,嫦娥五號探測器的總重量達到8.2噸。如果增加樣品的量,整個探測器很多指標都會增長,8.2噸很可能不夠,最后會超過火箭的運載能力,目前的設計是平衡后的結果。

“經過論證,2公斤的數量不算少,工程上可實現。”他說。

再入地球充滿考驗,帶回樣品就是成功

挖完土并封裝后,嫦娥五號將開啟回家之旅:上升器攜帶樣品從月面起飛,在月球軌道與軌道器實現交會對接,樣品從上升器轉移到返回器,然后軌道器攜帶返回器完成月地轉移,返回器以第二宇宙速度再入地球,最后在內蒙古四王子旗地區著陸。這正是探月任務“繞、落、回”的最后一步——回。

要從月球回到地球,嫦娥五號在月球軌道的交會對接很關鍵。這些年來,我們對“交會對接”這個詞并不陌生。我國載人航天工程曾進行過多次交會對接,比如2016年,神舟十一號與天宮二號成功實現自動交會對接。但這些交會對接都發生在地球軌道,在月球軌道上交會對接,嫦娥五號將是我國第一個。

“月球軌道距離我們將近40萬公里,而地球軌道通常只有幾百公里遠,兩者幾乎有1000倍的差距,給我們的測控帶來了新的難度。”裴照宇說,在這么遠的距離實現交會對接,首先對上升器和返回器的測量必須非常準確,然后還要在月球引力場的影響下對它們進行精準的控制。而且,此次交會對接還將通過無人控制的自動方式來實現,相應的技術方案的設計須更加可靠。

這是長征五號遙五運載火箭發射升空。新華社記者 楊冠宇攝

完成交會對接和月地轉移后,嫦娥五號返回器將進入地球。再入地球的過程,充滿考驗。裴照宇指出,從地球軌道再入地球是7.9公里每秒的速度(即第一宇宙速度),而從月球再入地球將達到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,探測器面臨的力和熱的環境要惡劣很多。

目前,嫦娥五號任務團隊正在緊鑼密鼓地準備飛控和返回器回收工作。對于即將到來的大考,阮劍華說,“整個隊伍有信心、有決心”。

“我們的目標是采樣返回,采到樣品,返回地球,就是成功。不管帶多少,都是成功!”裴照宇強調,“當然,既然設計了2公斤,我們會努力去爭取實現這個指標。”

為載人登月與深空探測打基礎,與世界各國共建國際月球科研站

“繞、落、回”全部實現之后,中國的探月水平是否進入國際第一梯隊?裴照宇給出了肯定的答復。“從國際上已經開展的月球探測活動來看,繞、落、回應該囊括了主要的探測方式。”他說。

根據之前的部署,我國探月工程分為“無人月球探測”“載人登月”和“建立月球基地”三個階段。此次成功發射的嫦娥五號任務,裴照宇將其總結為既是“收官之作”,又是“奠基之作”。也就是說,嫦娥五號在探月工程中將發揮著承上啟下的作用。

這是長征五號遙五運載火箭發射升空。 新華社記者 郭程攝

國家航天局表示,嫦娥五號任務將完善探月工程體系,為我國未來開展載人登月與深空探測積累重要的人才、技術和物質基礎。這也意味著,還有更艱巨的任務在等著我們。

“在探月工程三期研制過程中,我們對后續的月球探測進行了論證,規劃了嫦娥七號和嫦娥八號任務,這兩次任務的目標是建設月球科研站基本型。”裴照宇透露。

在裴照宇看來,我們現在對月球的認識,就像一百年前對深海的認識一樣,還非常有限,需要人類攜手一起探索。

“我們向國際社會發出了倡議,希望與世界各國合作,共建國際月球科研站,這將為月球科學探測和月球相關技術的實驗提供共享平臺。”他說。

(光明日報全媒體記者 陳海波)

圖片來源:新華網等

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