本文轉自【中國運載火箭技術研究院微信公眾號】;
11月24日4時30分,海南文昌發射場,長徵五號遙五火箭託舉「嫦娥五號」月球探測器呼嘯升空。隨後,「嫦娥五號」成功入軌,發射取得圓滿成功!
探月三期工程收官之戰
我國探月工程分為「繞、落、回」三步走,「嫦娥五號」將執行月球採樣返回任務,完成最後一步——回。因此,此次任務意義重大,是我國探月三期工程的收官之作,發射的成功為探月三期工程的圓滿完成奠定了重要基礎。
這是火箭院第6次執行探月工程任務,此前均由長徵三號甲系列火箭完成,先後將「嫦娥一號」「嫦娥二號」「嫦娥三號」「嫦娥五號T1再入返回飛行器」和「嫦娥四號」送入預定軌道,發射成功率100%。
2007年10月24日
長徵三號甲火箭成功發射「嫦娥一號」,我國成為世界上第5個自主發射月球探測器的國家。
2010年10月1日
長徵三號丙火箭成功發射「嫦娥二號」,我國成功突破直接地月轉移軌道發射技術。
2013年12月2日
長徵三號乙火箭成功發射「嫦娥三號」。此次任務的圓滿成功,使我國成為世界上第3個實現月面軟著陸和月面巡視探測的國家。
2014年10月24日
長徵三號丙火箭成功發射「嫦娥五號T1再入返回飛行器」,為「嫦娥五號」探路。
2018年12月8日
長徵三號乙火箭成功發射「嫦娥四號」,執行月球背面軟著陸和巡視探測任務。
2020年11月24日
長徵五號火箭成功發射「嫦娥五號」,執行月面採樣返回任務。
此次發射的「嫦娥五號」重量更重,約8.2噸,是此前發射的「嫦娥四號」月球探測器重量的2倍還多,因此要由我國運載能力最大的長徵五號火箭來發射,將其送到近地點約200公裡、遠地點約40萬公裡的地月轉移軌道。
「嫦娥五號」發射任務是長徵五號火箭立項研製後較早明確的國家重大工程任務。歷經十年,「大火箭」終於與「嫦娥」攜手奔月,舉國關注、舉世矚目,發射凸顯三大看點。
看點一:15選1,最優軌道奔月
「嫦娥五號」與「大火箭」分離後,還要飛行數天才能夠到達月球。奔月之旅,路途遙遠,「大火箭」為了讓「嫦娥」姑娘省點兒力氣,可以說貼心至極。
常規任務,一枚火箭有一條軌道就行了。探月三期工程對火箭發射概率和發射窗口提出了更高的要求,為克服颱風過境影響、提升故障適應性,設計團隊精心優化設計了連續3天、每天連續50分鐘的主份和備份多軌道奔月發射方案。
長徵五號火箭總體副主任計師劉秉介紹,與近地軌道任務相比,探月任務的軌道設計更加複雜。由於地月距離較遠,探測器用於中途修正所需的推進劑有限,而地球和月球的相對位置在不斷發生變化,還要考慮火箭與探測器分離後的光照因素,這對軌道設計提出了非常高的要求。
為了讓「嫦娥五號」更節省推進劑,在研製階段,火箭開展了精細化的「窄窗口多軌道」關鍵技術驗證攻關,可以在連續3天內,每天有50分鐘的窗口,每10分鐘一條軌道,共規劃15條軌道,每條都可以將探測器準確送入預定軌道。這樣的話,「嫦娥五號」踏上奔月旅程後,可以減少軌道偏差的修正次數,既能節省燃料,也能更快地到達月球。
這項技術,在我國首次火星探測任務,也就是幾個月前,長徵五號火箭發射「天問一號」時,已經得到成功驗證。因此,長徵五號火箭託舉「嫦娥五號」奔月,雖然要求比較高,但「大火箭」卻照樣應對自如。
看點二:為了奔月,「大火箭」挑戰 高難度動作
長徵五號火箭點火升空後,要飛行2000多秒才能夠到達地月轉移軌道。為了把「嫦娥五號」精準送達目的地,它要在太空完成一個高難度動作——長時間滑行。
滑行,是指火箭主發動機關機後,火箭靠慣性向前飛行。聽上去絲毫不費力氣,但實際上,長時間滑行對一枚火箭特別是一枚零下200多度的「冰箭」來說,可是個不小的考驗。
劉秉說:「從長徵五號火箭二級發動機一次關機到再次點火,中間要間隔最長約900餘秒。在這一開一關之間,『大火箭』需要完成箭體姿態調整、低溫發動機二次啟動前預冷等工作,動作非常多。另外,滑行時間越長,火箭在空間輻射影響下的環境變化更加複雜,低溫推進劑溫度和貯箱承受的壓力也在不斷的變化。」
為了確保「嫦娥五號」發射萬無一失,研製人員將長時間滑行作為一大關鍵技術加以攻克,對「大火箭」長時間滑行適應性開展了深入細緻的研究工作,並在長徵五號火箭首飛以及後來的多次飛行中得到了成功驗證。
看點三:「座椅」更舒適、更安全
到達月球後,「嫦娥五號」要降落到月球,在月面採樣後返回地球,因此「嫦娥五號」既包含軌道器、著陸器,也包含上升器、返回器,結構更複雜、塊頭更大、重量更重。
為了讓「嫦娥五號」坐得更安全、更舒適,研製人員開展了大量的器箭聯合試驗和分析,對它們所處的電磁環境、力學環境、機械接口進行了多輪綜合優化。
劉秉介紹:「既要讓火箭與探測器的固有頻率錯開,彼此之間更『默契』,不產生共振,同時還要讓『嫦娥五號』坐得舒舒服服、穩穩噹噹。」
在長徵五號火箭上,「嫦娥五號」的「座椅」是定製的。原來,衛星與火箭之間通常用包帶相連,就像一個腰帶一樣。但「嫦娥五號」塊頭太大,以往的包帶連接方式最大只能滿足2.8米直徑的連接要求,而「嫦娥五號」與火箭的接口直徑達到了3.1米,傳統的包帶連接已無法滿足「嫦娥五號」任務的需求。
「所以,長徵五號火箭採用了一種低衝擊分離裝置。它既要在飛行過程中連接可靠、安全,讓『嫦娥五號』坐得穩當,又能在器箭分離時降低衝擊,讓器箭安全舒適地分離。」劉秉說,此外,長徵五號火箭整流罩上還專門設置了15個操作口和透波口,以便於「嫦娥五號」進行操作和傳輸數據。此次任務火箭整流罩的開口數量和總面積超過了以往發射任務,對整流罩的設計及發射場聯合操作提出了更高的要求。
對於我國探月工程來說,這次任務是探月三期工程的收官之戰。對於長徵五號系列火箭來說,這也是今年的收官之戰。
從去年年底開始,長徵五號系列火箭進入了高密度發射階段:2019年12月27日,長徵五號遙三火箭發射成功;2020年5月5日,長徵五號B火箭首飛成功;2020年7月23日,長徵五號火箭成功發射「天問一號」火星探測器;2020年11月24日,長徵五號火箭成功發射「嫦娥五號」月球探測器。
預計到明年初,長徵五號B火箭還將發射空間站核心艙。一年內4次成功,15個月間5發任務,「大火箭」迎來了新跨越!