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嫦娥五号发射成功,中国航天历史性一幕,首次造访月球陌生地带并将采样返回(视频/组图)

2020-11-24 来源: DeepTech深科技 原文链接 评论3条

2020 年 11 月 24 日凌晨 4 时 30 分,海南文昌航天发射场,被称为 “胖五” 的嫦娥五号由长征五号遥五火箭运载升空并成功发射,将运送嫦娥五号探测器至地月转移轨道,开启中国首次地外天体采样返回之旅。

据了解,本次航天任务包括 11 个重大飞行阶段,23 次重大轨道控制,6 次重大分离控制等复杂环节,另有航天器月面降落、月面起飞以及月球轨道上 “无人交会对接” 等环节。整个采样返回过程需要持续长达 23 天,发射起飞只是万里长征第一步。

此外,娥五号本次月球之旅肩负着重要使命 —— 从月球采集样本并顺利返回。如果嫦娥五号任务成功,中国将成为继美国、苏联之后,第三个从月球运送样本返回地球的国家。

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据悉,嫦娥五号探测器由四部分组成,从上到下依次是上升器、着陆器、返回器和轨道器。中国航天科技集团五院、嫦娥五号探测器系统副总设计师彭兢对媒体介绍称,这四个器的功能从名字上大致就能理解:上升器主要携带样品从月球表面起飞;着陆器要在月球表面着陆;返回器的功能是携带月球的样品返回地球;轨道器主要承担各个不同的轨道上飞行的功能。

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图|嫦娥五号结构图(来源:百度百科)

与嫦娥家族的其他成员相比,嫦娥五号探测器总重量 8200 公斤,是我国目前发射的最重的探测器。相比于嫦娥一号到嫦娥四号的月球探测器,嫦娥五号探测器的结构复杂得多。嫦娥一号与嫦娥二号分别是一颗单独的卫星,嫦娥三号与嫦娥四号也只有一个着陆器与一个巡视器。

此次嫦娥五号任务,创造数个 “中国首次”:一是地外天体的采样与封装,二是地外天体的起飞,三是月球轨道交会对接,四是携带样品高速地球再入,五是样品的储存、分析和研究。

以月面起飞为例,不同于地球表面的点火发射,有完备的发射塔架系统和精确测算的起飞位置、飞行轨道,月面点火升空没有一马平川的起飞地,更没有成熟完备的发射塔架,都要依靠航天器 “自力更生”,实现起飞时自主定位、定姿。

本次出征,由长征五号遥五运载火箭运送嫦娥五号探测器,据悉这也是长征五号的第二次应用性发射任务。长征五号,总长 56.97 米,起飞质量 867 吨。当前,在长征火箭成员中,只有长征五号的运载能力可将 8 吨的载荷直接送入地月转移轨道。

据了解,长征五号遥五火箭可把嫦娥五号探测器直接送入近地点高度约 200 公里,远地点高度约 41 万公里的地月转移轨道。

另据悉,地月转移轨道是一个大椭圆轨道,探测器与火箭分离后,会进入这一轨道后,进入后无需自身加速,只要沿着地月转移轨道飞行,就可到达近月点附近。

从 1 克到 2000 克

42 年前,1978 年 5 月 20 日,为打开中美建交的大门,时任美国国家安全事务助理的布热津斯基到访中国,带来了一份特殊的礼物:1 克重的月球岩石标本。

这枚标本被一分为二,0.5 克送到北京天文馆展览,剩下 0.5 克交给相关科研院所分析。时年 43 岁的天体化学家欧阳自远主持月岩研究工作,依靠这枚小小的样本,中国科学家发表了 14 篇相关论文。

然而,始终有一个疙瘩在欧阳自远心中挥之不去。这位日后的 “嫦娥之父”、中国探月工程首席科学家很清楚:分析能力再强,用的也是人家提供的石头。什么时候中国人能自己登上月球,采集月岩标本?

从首次接触月岩 42 年后,也是启动中国探月工程(2003 年)17 年后,中国航天终于迎来了高光时刻:靠自己从月球取回月岩样本。本次嫦娥五号将带回 2 千克月球样本以供研究。

嫦娥五号的使命

中国探月工程由 “探”、“登”、“驻” 三步骤构成,简称 “大三步”。其分别指无人探月、载人登月、长久驻月。

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图|无人探月三步走计划

无人探月这一步,又分成了 “三小步”:“绕”、“落”、“回”。嫦娥五号要在月球表面着陆、采样、返回,承担的是 “回” 这一步。作为中国探月工程载人登月之前的一小步,同时也是无人探月的最后一步,嫦娥五号有望实现中国开展航天活动以来的四个 “首次”。

首次在月球表面自动采样;首次从月面起飞;首次在 38 万公里以外的月球轨道上进行无人交会对接;首次携带月壤以接近第二宇宙速度(11.2 公里/秒)返回地球。

此前,中国已经成功发射并返回了嫦娥五号探路星。探路星发射,主要检验绕月高速返回地球等一系列工程技术问题,2014 年 11 月 1 日,嫦娥五号探路星返回器在内蒙古乌兰察布着陆,以这次测试作为先导,为嫦娥五号成功发射奠定了基础。

在嫦娥五号之前,只有美国的阿波罗宇航员和苏联的 “月球 - 24” 计划从月球上带回了样本。这一次,存在不同之处。首先,嫦娥五号将在月球正面最大的月海风暴洋北部吕姆克山脉附近着陆,离美国阿波罗飞船的着陆点约 1000 公里。此处从来没有机器或者人类到访的记录,这里的岩石和土壤有 12 亿年的历史,这比当年阿波罗飞行员采集的样本要年轻的多,后者只有 3.1-44 亿年之间。

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图|嫦娥五号在月球着陆点 (来源:Phil Stooke)

根据 Nature 杂志在近期一篇名为 “中国将取回 40 年来的第一块月球岩石” 的新闻中提到,“嫦娥五号” 取回的样本有助于研究月球表面的火山活动。此前,科学家认为月球火山活动在 35 亿年前达到顶峰,随后减弱并停止,但后来又发现了最近 10 亿到 20 亿年火山活动的迹象。如果 “嫦娥五号” 返回的样本能够证明这一点,月球历史会被改写。

嫦娥五号由 4 部分组成,具体是这样工作的。在月球轨道上,着陆器和上升器会下降到月球表面,轨道器和返回器保持在轨道中。着陆器将使用机械铲和可钻入地下2米的钻头收集样本。

整个过程是这样的:长征五号遥五运载火箭将嫦娥五号送入月球轨道,嫦娥五号制动后进行环月飞行。在合适的时机下,着陆器与上升器和嫦娥五号分离,着陆在月球表面指定位置,然后采样、包装,由上升器携带进入环月轨道,和返回器与轨道器交会对接,重新合体完成。

之后便是轨道器点火,离开月球轨道,以第二宇宙速度进入大气层,于内蒙古地区着陆。

整个过程看起来顺畅,但是其中却苦难重重。

第一重困难是如何在月球表面完成采样并进行封装。“封装” 听起来简单,像是把一把土壤装进袋子一样,但是在月球环境下,完成封装动作却不容易。总的来说,封装动作由两部分构成,一是机械臂在月表采集完成后,送入上升器封装;二是上升器上升到月球轨道后,将样本移入返回器封装。封装的好坏,直接关系到嫦娥五号任务的成败,返回器以宇宙第二速度进入大气层,剧烈摩擦之下温度急剧上升,封装不完善,会导致样本焚毁,功亏一篑。 

第二重困难是月球轨道对接。上升器拿到月球样本后,需要上升到月球轨道和轨道器、返回器对接,其难度之大,不亚于针尖和针尖的碰撞。相同的任务在地球轨道进行,有大量的人造卫星提供导航、测距和定位服务,但月球上类似支持太少,难度可想而知。

第三重困难是返回地球。地月距离遥远,返回器驶向地球时,由于不断加速,最终会以第二宇宙速度进入大气层,很可能因摩擦温度过高失败。为了解决难题,这次嫦娥五号极有可能采取 “太空打水漂” 方式减速,二次进入大气层。

所谓太空打水漂,就是在返回器进入大气层后,通过飞行控制提升高度,在太空滑行一段时间再进入大气层。这种降落模式官方称之为 “半弹道跳跃式飞行”,通过在大气层内 “一进一出”,消耗返回器的部分能量,减小着陆速度。

该技术在 2014 年 “嫦娥五号探路星” 计划中已经测试验证 —— 试验器准确着陆在预定位置。

何时实现载人登月?

据中国国家航天局透露的消息,目前基本明确探月工程四期还有三次任务:“嫦娥六号” 计划在月球南极进行采样返回;“嫦娥七号” 将是在月球南极进行的一次针对月球的地形地貌、物质成份、空间环境的综合探测任务;“嫦娥八号” 除了继续进行科学探测试验外,还要进行一些构建月球科研基地的前期探索。

需要明确的是,中国目前登月计划尚在研究当中,还未到决策阶段。早在 2016 年,中国提出了建设国际月球科研站的设想,并且在 2019 年与欧洲航天局、俄罗斯航天局达成初步共识,三方共同牵头开展国际月球科研站的规划论证工作。

然而要实现载人登月,至少要突破两个关键技术。一是具备超大运载能力的火箭;二是登月飞船具备强大变轨能力。

根据中国航天科工集团二院研究员杨宇光介绍,发射嫦娥四号使用的长三乙火箭地球同步轨道运载能力是 5.5 吨,奔月轨道运载能力为 3.8 吨,这远远不够。当年美国 “阿波罗” 计划使用的土星 5 号运载火箭,近地轨道运载能力 118 吨,月球轨道运载能力 45 吨。此外,由于登月舱需要近月制动,变轨速度大约为 800-900 米 / 秒,飞船需要精确的变轨从环月轨道返回到月地转移轨道。

登月并非易事,但努力值得。作为重要的中转站,征服并且在月球上建立永久基地,将是人类进军深空的重要节点。 

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最新评论(3)
土澳居民BUNFd
土澳居民BUNFd 2020-11-24 回复
中国这次返回后,给它一公斤,让它玩玩。
JoYciE_NG
JoYciE_NG 2020-11-24 回复
采土有啥用啊
殇舞_dock
殇舞_dock 2020-11-24 回复
在月球建基地


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