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中国航天史上“四个首次”即将由嫦娥五号完成,难度究竟有多大?
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来源:上观新闻 作者:刘锟 2020-11-24 05:41
摘要:中国航天人一一破解月面自动采样、月面起飞上升、月球轨道交会对接、高速再入返回地球四大难题。

11月24日4时30分,嫦娥五号探测器带着中国探月工程“绕落回”三步走中最后一步的使命飞奔月球。在这次“取土之旅”之旅中,嫦娥五号将有望实现我国航天史上的四个“首次”。每一个首次背后意味着什么?中国航天人将如何一一破解?就此,解放日报·上观新闻记者采访了中国航天科技集团五院专家进行揭秘。

首次月面自动采样

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。

在这个阶段,嫦娥五号将在月面选定区域着陆,并使出浑身解数采集月壤,实现我国首次月面自动采样。为此,来自航天科技集团五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,嫦娥五号就开始了为期2天的月面工作。她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“神器”,将科学分工,精密配合,采取深钻、浅钻、“铲土”“挖土”“夹土”等各种方式,采集约2公斤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取土后,她就要踏上“回娘家”的旅程。想回娘家可不容易,第一步能否“迈好”至关重要,这就是涉及到突破我国航天史上另一个首次——月面起飞上升。

航天科技集团五院专家表示,顺利完成月壤采样封装后,上升器就要准备月面点火起飞了,这是一个高难度科目。众所周知,运载火箭在地球起飞是有一套完备的发射塔架系统的,点火起飞位置也经过了精确测算,飞行轨道也是一遍遍计算好的。而月面起飞就不一样了,它没有一马平川的起飞地,更没有成熟完备的发射塔架,着陆器就相当于上升器的发射塔架,托举着嫦娥五号回家。而月球表面环境复杂,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、下凹等不同的地形上。这就给起飞带来很大难度。

此外,还要克服地月环境差异、发动机羽流导流空间受限等难题。月面起飞的时候,还无法像运载火箭一样在地面发射前由地面人员完成测调和确认,必须依靠航天器“自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。为了确保上升器能够顺利起飞上升,中国航天的嫦娥研制团队进行了大量的试验验证,并建立了一整套环环相扣的系统保证任务,为嫦娥五号胜利迈出回家一步保驾护航。

首次实现月球轨道交会对接

当着陆器托举上升器实现月面起飞上升后,嫦娥“五姑娘”一路飞奔而去。但是仅仅依靠上升器是不可能实现返回地球的,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。

此前,人类三次无人月球采样任务,由于无法掌握月球轨道无人交会对接技术,采用的都是月面起飞直接返回地球的方案。而嫦娥五号则是采用具有世界先进水平的月球轨道交会对接技术。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,设计师们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,助推嫦娥五号实现完美对接。

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,这时它的飞行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度,而一般从近地轨道返回的航天器速度大多为每秒8公里的第一宇宙速度。可别小看了这每秒3公里的差距,因为,就好像扔石头,同样一块石头,从一层楼扔下来的速度和从十几层楼扔下来速度肯定不一样。同理,航天器从数百公里高的近地轨道返回和从38万公里远的月球返回必然不同,且差距巨大。一旦速度过猛,返回器一头撞向地球,后果不堪设想,必须让返回器减速飞行。

为此,嫦娥五号探测器的设计师们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,整个再入返回过程就是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四子王旗着陆场。

栏目主编:刘锟 文字编辑:刘锟 题图来源:中国航天科技集团
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