嫦娥五號(hào)到月球挖土究竟有多難

11月24日凌晨，瓊北古邑，椰林深處，中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)。

身強(qiáng)體壯的“胖五”長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭再一次從這里刺入蒼穹，帶著“五姑娘”嫦娥五號(hào)探測(cè)器飛向遠(yuǎn)在38萬(wàn)公里外的月球。這標(biāo)志著探月工程“繞”“落”“回”三步走的收官之戰(zhàn)正式拉開(kāi)大幕。

對(duì)于月球這個(gè)地球唯一一顆天然衛(wèi)星，中國(guó)人探索的腳步從未停歇。此前，我國(guó)已經(jīng)完成了嫦娥一號(hào)、嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、再入返回飛行試驗(yàn)和嫦娥四號(hào)等5次任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了繞月探測(cè)、落月探測(cè)和巡視探測(cè)。

如今，中國(guó)航天的腳步要再往前邁出一步——采樣返回，即發(fā)射嫦娥五號(hào)探測(cè)器落月，獲取月壤樣品并返回地球。這是我國(guó)首次無(wú)人月球采樣返回任務(wù)。

國(guó)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(shè)計(jì)師、嫦娥五號(hào)任務(wù)新聞發(fā)言人裴照宇告訴記者，作為我國(guó)探月工程“繞”“落”“回”三步走的收官之戰(zhàn)，嫦娥五號(hào)任務(wù)有望實(shí)現(xiàn)我國(guó)航天史上的多個(gè)“首次”。

從“月宮”瀟灑走一回再捎點(diǎn)“特產(chǎn)”

隨著嫦娥五號(hào)的成功發(fā)射，人們的目光又一次聚焦嫦娥家族：與嫦娥家族中前幾位姐姐相比，嫦娥“五姑娘”有什么不同，她在大家族中又扮演著什么角色，發(fā)揮著什么作用？

“首先是‘外貌’即外觀造型不同?！睋?jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器副總設(shè)計(jì)師阮劍華介紹，與嫦娥一號(hào)、二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)相比，嫦娥五號(hào)探測(cè)器的技術(shù)跨度大、結(jié)構(gòu)也更為復(fù)雜，它是由軌道器、著陸器、上升器、返回器等四器組成。

這四器就像“糖葫蘆”一樣，每一個(gè)都是單獨(dú)的個(gè)體，放在一起還能組合，比如著陸器和上升器“抱”在一起，就組合成了“著上組合體”，軌道器和返回器組合，就成了“軌返組合體”。四器“串”在一起，則構(gòu)成了一個(gè)完整的探測(cè)器。

相應(yīng)地，嫦娥“大姐”和“二姐”分別是一顆單獨(dú)的衛(wèi)星，“三姐”和“四姐”則是由著陸器和月球車(chē)“兩器”組成。

從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，嫦娥“五姑娘”是嫦娥家族里結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的探測(cè)器。

嫦娥“五姑娘”承擔(dān)的使命、任務(wù)目標(biāo)也比較特殊。與前幾位姐姐不一樣，“五姑娘”要實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次在地外天體無(wú)人采樣返回，開(kāi)展月球樣品地面分析研究。

阮劍華介紹，探月工程從立項(xiàng)之初，就設(shè)計(jì)了“繞”“落”“回”三步走戰(zhàn)略，這意味著嫦娥家族眾姐妹將擁有不同的命運(yùn)和歸宿——

2007年10月24日，我國(guó)成功發(fā)射嫦娥一號(hào)衛(wèi)星，2009年3月1日，嫦娥“大姑娘”按預(yù)定計(jì)劃受控撞月，為探月工程一期——“繞月探測(cè)”任務(wù)畫(huà)上了一個(gè)圓滿(mǎn)的句號(hào)。

2010年10月1日，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星發(fā)射成功，2012年12月13日，嫦娥二號(hào)衛(wèi)星與圖塔蒂斯小行星由遠(yuǎn)及近“擦肩而過(guò)”，首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)對(duì)小行星的飛躍探測(cè)。

嫦娥“二姑娘”，也因此成了我國(guó)第一個(gè)行星際探測(cè)器。

2013年12月14日，嫦娥三號(hào)探測(cè)器著陸月面，次日，著陸器和巡視器互拍成像，嫦娥三號(hào)任務(wù)圓滿(mǎn)成功，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首次地外天體軟著陸和巡視探測(cè)。

從此，嫦娥“三姑娘”永久留在了月面，常駐“廣寒宮”，和玉兔號(hào)月球車(chē)一起，遙望地球家園。

2019年1月3日，嫦娥四號(hào)探測(cè)器成功登陸月球背面，成為人類(lèi)歷史上首個(gè)在月球背面軟著陸和巡視探測(cè)的航天器，至今狀態(tài)良好，未來(lái)，嫦娥“四姑娘”還將和玉兔二號(hào)月球車(chē)一起，繼續(xù)月球背面的探索之旅。

嫦娥家族此前的幾位“姐姐”，還有一個(gè)共同點(diǎn)，就是誰(shuí)也不能再次回到“娘家”，要么留在月球，要么去了更遠(yuǎn)的深空。相比之下，嫦娥“五姑娘”就幸福多了：她從“月宮”瀟灑走一回后，還能捎點(diǎn)“特產(chǎn)”——月壤，再次回到地球母親的懷抱。

如今嫦娥五號(hào)探測(cè)器已成功發(fā)射，一路高歌奔向月球，接下來(lái)采樣返回的旅程更加值得期待。

取月壤“鉆”“鏟”“挖”“夾”十八般武藝齊上陣

月球表面自動(dòng)采樣封裝，是嫦娥五號(hào)任務(wù)中最引人注目的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)階段，嫦娥“五姑娘”將在月面選定區(qū)域著陸，并“使出渾身解數(shù)”采集月壤，實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月面自動(dòng)采樣。

裴照宇表示，來(lái)自中國(guó)航天科技集團(tuán)五院的設(shè)計(jì)師們采用表鉆結(jié)合、多點(diǎn)采樣的方式，設(shè)計(jì)了兩種“挖土”模式：鉆取和表取。

當(dāng)著陸上升組合體軟著陸在月球表面，嫦娥“五姑娘”就開(kāi)始了為期2天的月面工作。

“五姑娘”隨身攜帶的鉆取采樣裝置、表取采樣裝置、表取初級(jí)封裝裝置和密封封裝裝置等“神器”，將采取深鉆、淺鉆，以及“鏟土”“挖土”“夾土”等方式，采集約2公斤月壤，并進(jìn)行密封封裝。

這之后，“五姑娘”再經(jīng)月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等過(guò)程，將月球樣品安全送至地球家園。

完成月面工作后，“五姑娘”就要踏上“回娘家”的旅程了。

萬(wàn)事開(kāi)頭難，想回娘家可不容易，第一步能否“邁好”至關(guān)重要。這就是涉及到突破我國(guó)航天史上的另一個(gè)“首次”——月面起飛上升。

完成月壤采樣封裝后，“五姑娘”的上升器，要準(zhǔn)備月面點(diǎn)火起飛，這是一個(gè)高難度科目。

人們對(duì)于火箭的點(diǎn)火起飛較為熟悉，那是有一套完備的發(fā)射塔架系統(tǒng)的，點(diǎn)火起飛位置也經(jīng)過(guò)精確測(cè)算，飛行軌道同樣是一遍遍計(jì)算好的。

相應(yīng)地，月面起飛就有所不同了，它沒(méi)有一馬平川的起飛地，更沒(méi)有成熟完備的發(fā)射塔架，著陸器就相當(dāng)于上升器的發(fā)射塔架，托舉“五姑娘”回家。

阮劍華說(shuō)，月球表面環(huán)境復(fù)雜，著陸器不一定是四平八穩(wěn)的狀態(tài)，很有可能落在斜坡上或者凸起、下凹等不同的地形上。這就給起飛帶來(lái)很大的難度。

此外，“五姑娘”還要克服地月環(huán)境差異、發(fā)動(dòng)機(jī)羽流導(dǎo)流空間受限等難題。月面起飛時(shí)，“五姑娘”還無(wú)法像運(yùn)載火箭一樣“在地面發(fā)射前由地面人員完成測(cè)調(diào)和確認(rèn)”，而必須依靠航天器“自力更生”，實(shí)現(xiàn)起飛時(shí)自主定位、定姿。

阮劍華說(shuō)，為了確?！拔骞媚铩鄙仙髂軌蝽樌痫w上升，中國(guó)航天科技集團(tuán)五院嫦娥研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，并建立了一整套環(huán)環(huán)相扣的系統(tǒng)保證任務(wù)，為嫦娥五號(hào)勝利邁出回家一步保駕護(hù)航。

在太空打水漂再入返回地球家園

當(dāng)著陸器托舉上升器實(shí)現(xiàn)月面起飛上升后，嫦娥“五姑娘”將一路飛奔，直到月球軌道。

在這里，上升器還要和軌返組合體交會(huì)對(duì)接，把采集到的月壤轉(zhuǎn)移到返回器。

裴照宇告訴記者，經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)踐探索，我國(guó)在載人航天領(lǐng)域已經(jīng)熟練掌握了近地軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)，但是在38萬(wàn)公里外的月球軌道上，進(jìn)行無(wú)人交會(huì)對(duì)接不僅在我國(guó)尚屬首次，在人類(lèi)航天史上也是第一次。

據(jù)他介紹，人類(lèi)此前3次無(wú)人月球采樣任務(wù)，采用的都是月面起飛直接返回地球的方案；而嫦娥五號(hào)則是采用月球軌道交會(huì)對(duì)接技術(shù)，這為研制團(tuán)隊(duì)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。

來(lái)自航天科技集團(tuán)五院的嫦娥五號(hào)研制團(tuán)隊(duì)，從上升器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道開(kāi)始，一直到軌返組合體與上升器完成對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移為止，為嫦娥“五姑娘”設(shè)計(jì)了交會(huì)、對(duì)接、組合體運(yùn)行、軌返組合體與對(duì)接艙分離等一系列關(guān)鍵動(dòng)作，助推嫦娥五號(hào)實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接。

當(dāng)返回器帶著月壤，從38萬(wàn)公里遠(yuǎn)的月球風(fēng)馳電掣般向地球飛來(lái)，這時(shí)它的飛行速度是接近每秒11公里的第二宇宙速度。一般從近地軌道返回的航天器，其速度大多為每秒8公里的第一宇宙速度。

可別小看了這每秒3公里的“速度差”。

五院的科技人員做了一個(gè)類(lèi)比：就好像扔石頭，同樣一塊石頭，從一層樓扔下去的速度，和從十幾層樓扔下去的速度肯定不一樣。同理，航天器從數(shù)百公里高的近地軌道返回，和從38萬(wàn)公里遠(yuǎn)的月球返回必然不同。一旦速度過(guò)猛，返回器一頭撞向地球，后果不堪設(shè)想。

必須讓返回器減速飛行。

阮劍華說(shuō)，航天科技集團(tuán)五院嫦娥五號(hào)探測(cè)器的設(shè)計(jì)師們，為此提出了半彈道跳躍式再入返回技術(shù)方案，“就像在太空打水漂一樣，整個(gè)再入返回過(guò)程，就是讓返回器先高速進(jìn)入大氣層，再借助大氣層提供的升力，躍出大氣層，然后以第一宇宙速度‘扎入’大氣層，返回地面?！?/p>

現(xiàn)在，發(fā)射成功，只邁出了嫦娥五號(hào)任務(wù)的第一步。裴照宇說(shuō)，接下來(lái)嫦娥五號(hào)還將經(jīng)過(guò)11個(gè)階段，20余天的在軌飛行過(guò)程，最終才能完成“挖土”并返回地球。期待嫦娥五號(hào)后續(xù)精彩旅程，期待榮耀歸來(lái)的那一刻！
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