还有一个多月,2020年就要结束了。不过,勤劳的中国航天人和科学家们仍在奋战。11月下旬,文昌卫星发射中心的101发射工位将再次迎来一位体重800多吨的客人——长征五号遥五运载火箭。而此次,她也将前往从未去过的目标——月球。这也是自去年年底以来的11个月内,“长征五号”系列运载火箭的第4次发射。正所谓“长五遥五送嫦五,冬月奔月去探月”。
长征五号遥五运载火箭垂直转运至发射区
(图片来源:新华社记者 郭程)
而搭乘这枚“长征五号”运载火箭的旅客,便是大家已经熟知的“嫦娥五号”。在静静等待了3年之后,这位我国的使者,将开展月表采样返回任务,替我们带回月球的第一抔土。值得一提的是,此次任务将是迄今为止,我国最复杂的航天任务。
今天我们就来拆解一下这项最复杂任务,看看嫦娥五号将如何采样、如何将宝贵的月壤送回地球。
月球的珍贵土壤,将怎样被带回地球的?
要想将一部分月壤样本带回地球,毫无疑问地,我们需要有一个从月球起飞的火箭(即上升器),她能够携带着这些月球纪念品离开月球。
但是,在离开月球之后,我们会有若干个选择:在月球轨道上停泊一会儿,或者是直接返回地球。
直接返回地球这个选择听起来非常简单直接,也确实能省下好多事情,苏联三次月球表面采样任务便是这样开展的。但是,由于人类目前还没有在月球建立火箭制造基地,因此这枚上升器必须由地球出发,再将封装好的月壤样品送回地球表面。这就意味着上升器会需要携带有返回地球所需要的全套物资,就会导致其变重。而如果上升器变重,相应地,就需要更多的燃料,才能将其送到月球表面,最终会导致探测器整体起飞质量的大幅增加。
即使“长征五号”尽管是我国现役运力最大的火箭,这样的起飞质量需求对她来说,也很难满足,毕竟她月球转移轨道的投送能力是8吨左右。
因此,我们的上升器为了多装月壤,只能轻装上阵,放弃一些不必要的物资,在月球轨道上飘一段时间。
既然在月球轨道上有一个等待返回的火箭,那么势必需要一个轨道器待命,为火箭提供返回地球的动力。而一般的,轨道器是不具备再入设计的,因此,需要一个再入器,来抵抗火箭以接近第二宇宙速度再入地球时产生的高温。
同时,为了减少返回的负载,在对接完毕之后,上升器还需要进行样品的转移与交接,将样品从上升器中装入再入器,进行封装。
最后,我们还需要把上升器从月球轨道上送下去,也就有了着陆器的设计。
嫦娥五号结构图
图片来源:百度百科
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所以我们可以看到,相比于前面“嫦娥一号”到“嫦娥四号”的月球探测器,“嫦娥五号”的结构复杂得多,足足有4个主要部件——上升器、着陆器、再入器和轨道器,而“嫦娥一号”与“嫦娥二号”仅仅是一个轨道器,“嫦娥三号”与“嫦娥四号”也只有一个着陆器与一个巡视器。
中国探月工程三步走战略(中国探月与深空探测网)
一次探月飞行都有哪些难点?
从任务的操作来看,一次探月飞行包括两次发射(地面发射与月面发射),两次着陆(月面着陆与地球着陆),两次封装(月面封装与月轨封装),一次交会对接(月轨对接)。
可以看到,整个任务的复杂度大大增加,而且全新的任务要求更是对我国航天人的重大考验。好在,这些考验在过去几年的历程中,早已被我们一一攻克。
首先是发射。
发射可以分为地面发射与月面发射两个不同的任务。地面发射任务的难点主要在“长征五号”本身,7月份发射的“天问一号”仍然在飞行途中,相信肩负重任的胖五也能一切顺利!
而月面发射任务的难点主要在起飞阶段——不同于地面发射场完备的保障体系,月面发射存在不可控的因素,最突出的一点就是落月位置。
着陆器的落月范围是存在误差的,而这点误差就会带来发射地点的经纬度、坡度、高程的变化。为了解决这个问题,嫦娥五号必须能够精确地知道自己身处何方,状态如何,从而为上升数据注入提供依据。
同时,由于下端就是着陆器,上升器在点火的瞬间会有一个较强的冲击,这也是影响她能否正常起飞的重要因素。
长征五号
图片来源:国家航天局
第二是着陆。
着陆可以分为月面着陆与地面着陆两个不同的任务。月面着陆已经有“嫦娥三号”、“嫦娥四号”珠玉在前,特别是落在月背的“嫦娥四号”,着陆精度显着提升,月面着陆对于“嫦娥五号”而言并不是一个太大的问题,唯一需要注意的就是她携带了上升器,因此其质心较高,容易失去稳定性,但这个问题是比较容易克服的。
真正的挑战来自地面着陆。由于月球与地球的距离遥远,在离开月球返回地球的路上,火箭的速度会不断上升,在进入地球大气层时,会以第二宇宙速度左右的高速再入。
为了防止她因为温度过高而再入失败,一般有两种方案:第一是增加热盾厚度,抵抗再入时产生的高温;第二是调整再入角度,延长再入时间。
第一种方案的优点是简单,再入路径短,落区误差小,但缺点是热盾将变得极其沉重;第二种方案的优缺点则正好相反。
探月工程三期再入返回飞行试验器发射升空
图片来源:国家航天局
而这次“嫦娥五号”的再入器将携带有至少2kg重的月壤样本,可以说是收获满满,增大热盾厚度将会“牵一发而动全身”,令整个探测器增重许多,因此我国选择的是第二种方法。
由于再入角度特殊,“嫦娥五号”的再入器甚至会在大气层密度变化的部分发生跳跃,跳出大气层,随后二次再入。这一俗称“太空打水漂”的方案进一步增大了落点控制的难度。
那么,这个方案可不可行?答案是可行的。
因为早在2014年,我国就利用“嫦娥五号T1”试验器“舞娣”进行了一次测试,再入器样件在经过了长时间的再入之后,安安稳稳地落在了预定的落区范围内,圆满完成了任务,验证了再入技术的可靠性。
探月工程三期再入返回飞行试验任务获得圆满成功,图为飞行试验器回收现场
图片来源:国家国防科技工业局
第三是封装。
封装可以分为月面封装与月轨封装两个不同的任务。
在月面上的封装,是对于月壤而言的,“嫦娥五号”的机械臂在采集月壤样本之后,将其通过一系列方式送入上升器中,进行第一次封装,防止其在离开月球的过程中出现损耗。第二次封装则是上升器的月壤转移到再入器中,来保护月壤样品不受再入时恶劣环境的影响。
这两个任务非常重要,一旦操作不当,甚至会带来“功亏一篑”的恶果——试想一下,再入器扛过了极端恶劣的环境,但是她的密封盖却被打开,里面的样本付之一炬,那是何等地令人遗憾!因此,封装工作的唯一要求就是严丝合缝,完全地密封。
这次封装工作的难点在于它是完全无人操作的——以往的再入器,要么不打开封装盖(返回式生物卫星、无人飞船),要么是有人飞船,航天员能够进行细致的检查。
当人这一重要角色缺位的时候,要想全自动地实现月壤“采集-包装-转移-封装”一条龙服务,难度可想而知。
嫦娥四号软着陆区月壤样本光谱分析结果
图片来源:国家航天局
第四就是月球轨道对接。
尽管我国的空间自主交会对接工作技术已经成熟,但这些都是在地球轨道上进行的,有充足的地面站与人造卫星资源提供精准的测距、定位、导航服务,在月球轨道附近,这些服务资源将大大减少,需要更多地让探测器自主实现。可以说,在月球轨道进行交会对接的工作,也是这次任务的重点之一。
天宫一号与神舟飞船进行空间交会对接试验
图片来源:国家航天局
除了以上难点之外,探测器的部件多导致连接件数量多,由此引发的强度问题,探测器之间的即时通信,采样机械臂在月球特殊环境下的可靠性等等,都是此次任务需要一一予以验证与解决的问题。
此外,即便“嫦娥五号”任务完成之后,再入器内部的环境仍然是真空,在我们揭开盖子的时候,仍然需要在设施完善的特殊实验室内进行,以防止地球大气的涌入对样本造成影响。
这些细节贯穿着这次“嫦娥五号”任务的始终,其中任何一环出了问题,都将对任务造成毁灭性的影响。
也正因如此,“嫦娥五号”成为了我国迄今为止最为复杂的航天任务。为了在这场大考中交出一份满意的答卷,中国航天几乎所有的先进技术都将得到使用,各个部门的“航天人”用完备的论证,充分的实验,辛勤的汗水,凝结成了“嫦娥五号”的战衣,带着我们的希望,伴随她前往这漫漫的征途。
祝她一路顺利!顺利出发,顺利归来!
来源:https://www.kepuchina.cn/more/202011/t20201119_2843272.shtml
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