嫦娥五號自發射入軌以來已有20天時間,13日9時51分又實施了第二次月地轉移軌道入射,這標誌著探測器已經完成9大階段性任務,進入月地轉移飛行階段,正式踏上回家之路。
作為人類有史以來首次採用月球軌道自動交會對接方案的無人採樣飛船,嫦娥五號與半世紀前NASA主導實施的阿波羅載人登月工程有著千絲萬縷的聯繫,可以說二者是相互成就。
阿波羅載人登月的成功為嫦娥五號任務的實施積累了知識與經驗,繼往開來的嫦娥五號也是對「質疑阿波羅載人登月造假」言論的一次有力澄清,因此它的一舉一動都免不了與前輩加以對比。
本月初,嫦娥五號著陸器與上升器組合體成功實施嫦娥探月工程的第三次月面軟著陸任務,隨後不久官方就發布了由著陸器全景相機拍攝的人類有史以來最高清的月面照片。
由於此次任務目的性很強,就是為了實施月面採樣,以及驗證一系列月地返回技術,所以沒有攜帶巡視器,因此我們只能以第一人稱視角觀察探測器,而著陸腿就是我們能看到的最主要結構。
嫦娥五號著上組合體著陸足墊深陷月面的凹坑也讓一些質疑阿波羅造假的言論喜出望外,仿佛又找到了「鐵證」,他們將其拿來與阿波羅登月照片對比,發出質問,為什麼阿波羅著陸足墊著陸月面後基本沒有凹坑?
造成著陸差異的原因至少有三點:
1.主發動機關機時間點的差異,嫦娥五號著上組合體是在距離月面3米高度關閉發動機,而阿波羅11號登月艙則是在著陸月面後關機。
由此導致二者下降速度的差異,提前關機的嫦娥五號下降速度為4米/秒,而阿波羅11號則是0.3米/秒,後者形成的落月時速約為1公裡/時,這一速度甚至比正常成年人的步行速度還要低。接觸月面後緩衝機構也將進一步發揮作用,因此阿波羅11號太空人幾乎毫無感覺地降落在了月面上;
2.阿波羅登月艙發射質量是15噸,與之對比嫦娥五號著上組合體則是不到3噸,因此前者配置的LMDE主減速發動機推力更大,達到了46.75千牛,嫦娥五號著上組合體主減速發動機推力則是7.5千牛。發動機推力更大意味著對月面吹拂力度更大,大量月壤在發動機羽流作用下以月塵形式拋灑四周,因此著陸器著陸的月面硬實程度更高;
3.懸停高度與懸停時間的差異,阿波羅11號登月艙是在距離月面2米高度懸停,且懸停時間長達十幾秒,發動機羽流吹拂月面的時間更長,而嫦娥五號則是在距離月面100米高度懸停,且懸停時間更短,發動機羽流對月面的吹拂效應更弱。
因此阿波羅登月艙著陸時月面月壤的深度更淺,這一點也可以從太空人月面活動的腳印深度中觀察差異,距離登月艙越近腳印越淺,距離登月艙越遠腳印越深,因為隨著距離的延伸發動機羽流吹拂效應也在減弱。
上述三點因素已經足夠說明為什麼阿波羅登月時沒有凹坑,亦或者凹坑更淺的原因。
近年來回擊「阿波羅登月造假言論」的鐵證已經是越來越多,目前仍在環月運行的LRO遙感衛星在其長達11年的服役生涯中多次拍到了全部6處阿波羅登月遺址(飛船下降級及月面活動痕跡):
阿波羅11號,登月時間:1969年7月20日協調世界時20:17:43
航天員:指令長尼爾·阿姆斯特朗、指令艙駕駛員麥可·科林斯、登月艙駕駛員巴茲·奧爾德林
登陸地點:月球正面寧靜海南部
月錶停留時間:21小時36分20秒
阿波羅12號,登月時間:1969年11月19日協調世界時06:54:35
航天員:指令長皮特·康拉德、指令艙駕駛員阿爾弗萊德·沃爾登、登月艙駕駛員詹姆斯·艾爾文
登陸地點:月球正面風暴洋南部
月錶停留時間:31小時31分鐘11.6秒
阿波羅14號,登月時間:1971年2月5日協調世界時09:18:11
航天員:指令長艾倫·謝潑德、指令艙駕駛員斯圖爾特·羅薩、登月艙駕駛員艾德加·米切爾
登陸地點:月球正面弗拉·毛羅高地
月錶停留時間:33小時30分鐘29秒
阿波羅15號,登月時間:1971年7月30日協調世界時22:16:29
航天員:指令長大衛·斯科特、指令艙駕駛員阿爾弗萊德·沃爾登、登月艙駕駛員詹姆斯·艾爾文
登陸地點:月球正面雨海
月錶停留時間:66小時54分鐘53.9秒
自此次任務開始阿波羅月球車開始加入進來,從衛星照片中可以很容易辨認出月球車車轍。
阿波羅16號,登月時間:1972年4月21日協調世界時02:23:35
航天員:指令長約翰·楊、指令艙駕駛員肯·馬丁利、登月艙駕駛員查爾斯·杜克
登陸地點:月球正面笛卡爾環形山
月錶停留時間:71小時2分鐘13秒
阿波羅17號,登月時間:1972年12月11日協調世界時19:54:57
航天員:指令長尤金·塞爾南、指令艙駕駛員羅納德·埃萬斯、登月艙駕駛員哈裡森·施密特
登陸地點:月球正面陶拉斯-利特羅山谷
月錶停留時間:74小時59分鐘40秒
除了LRO衛星,嫦娥二號在距離月面100公裡處使用CCD立體相機拍攝的阿波羅著陸區照片中,也可識別出登月遺址。
LRO衛星之所以能夠對登月遺址進行成像工作,有賴於該星搭載的LROC窄視場相機,它能夠提供5公裡成像幅寬範圍內0.5米級高解析度遙感照片。
此類相機對於我們而言也早已不是什麼新鮮事物,例如,高景一號商業遙感衛星搭載的高分相機比LRO成像解析度還要高得多,既然地球上的汽車都能辨識,在月球自然也不在話下。
月球還有相當於地球更有利的成像條件,首先是軌道高度更低,LRO衛星可以在距離月面50公裡高度成像,即便將探測器壓低至15公裡高度也沒有問題,對於地球而言低於150公裡就面臨再入風險。再就是月球無大氣環境幹擾,地球則是相反。
不少人質疑,在人類發射第一顆人造衛星僅11年後,大洋彼岸的NASA憑什麼就有載人登月技術實力,這是對人類初入宇宙歷史認知的誤差。在那一時期不僅僅是載人登月,還有水星、金星、火星、木星、土星等天體都在那一時期實施了探測任務。
包括飛向太陽系邊際的旅行者2號也在阿波羅登月工程之後不久便發射升空,這些都可以看作是人類之於太空初出茅廬的好奇與衝動,而且在那一時期太空除了用於國防用途,就只剩下展示科技成就的價值。
LRO衛星除了利用成像照片粉碎質疑阿波羅造假言論,也曾多次拍攝嫦娥登月器。本月初嫦娥五號著上組合體剛登陸月球不久,LRO衛星就過頂對其成像,此前嫦娥三號、嫦娥四號也都曾被拍到。
為什麼巔峰高地要用這麼長的篇幅為阿波羅登月工程說話?因為自信無需建立在污衊言論基礎之上,在新世紀太空競賽中贏也要贏的堂堂正正。
此前筆者曾發布《嫦娥五號反超阿波羅登月,大言不慚還是言之鑿鑿?人類進步的必然》一文,用翔實的事實證明嫦娥五號登月技術的先進性,那麼前文所述二者落月痕跡差異的事實又怎麼理解呢?我們可以從二者落月時序中感受時代的進步。
阿波羅登月艙與嫦娥五號著上組合體都是從距離月面15公裡高度進入主減速段行程,此段行程反推發動機將以接近最大推力工況運行數分鐘,當到達距離月面約3公裡時二者都不約而同地選擇這一高度點作為正式著陸行程的起點高度。
進入著陸行程後阿波羅登月艙與嫦娥五號著上組合體都將逐漸調整水平姿態,使得探測器垂直於月面。
著陸段是整個登月任務中風險最高的階段,同時也是體現技術差異的階段。
嫦娥五號著上組合體應用的導航手段更加豐富,慣性導航測量單元、微波測距測速敏感器、雷射測距測速敏感器共同導引探測器始終處於正確的軌道之上。
阿波羅登月艙只有微波測距測速裝置,且測量精度對比半個世紀後的當下顯然有著數量級差距,直到阿波羅14號才應用第一代慣性導航測量裝置。
作為嫦娥探月工程的第三次登月任務嫦娥五號著上組合體在全球範圍內率先應用了雷射測速敏感器,這是一種利用雷射回波原理進行測速的敏感器。落月任務的再次成功標誌著該敏感器實現國際首次在地外天體軟著陸階段使用雷射都卜勒測速技術進行三個正交方向速度測量。
進入著陸段初期嫦娥五號著上組合體使用光學敏感器進行粗避障,遴選著陸區,而此時阿波羅飛船則是航天員人工選擇著陸區。
進入著陸段後嫦娥五號著上組合體與阿波羅登月艙都會調低主減速發動機推力,進入緩速下降段。
嫦娥五號著上組合體抵達距離月面100米高度時進入懸停段,此一階段探測器啟用雷射三維成像敏感器,它可以在1秒時間內獲取著陸區三維圖像,並在2秒時間內識別障礙物確定最終著陸點。
與之對比,阿波羅11號登月艙則是在更低的2米高度懸停,且懸停時間更長,這是為什麼呢?
因為月面光照反射率大,航天員肉眼難以在更高的高度準確識別障礙物,只能通過降低懸停高度的方法識別,更低的高度也有更大的副作用,那就是反推發動機羽流吹拂月面產生的月塵會嚴重降低能見度,因此又不得不延長懸停時間用於肉眼確定著陸點。
嫦娥五號著上組合體在百米高度懸停,月塵影響要小得多,加上雷射三維成像敏感器有著遠高於人眼的識別效率。
當兩器(嫦娥五號、阿波羅登月艙)進入著陸段末段行程時都要面臨最後的緩衝著陸難題,此一階段要求發動機能夠準時關機,否則殘餘推力會帶來傾覆著陸器的風險。
前文提到阿波羅11號是著陸後關閉主發動機,這與他們的設計初衷是相違背的,與當時相對落後的關機敏感器配置有關。我們可以看到在阿波羅登月艙著陸足墊底部有延伸出來的杆狀裝置,這其實是一種觸杆式敏感器,長度約1.7米,當它接觸月面後會生成關機指令。
鑑於阿波羅11號長時間懸停帶來的月塵視覺幹擾,自阿波羅12號開始登月艙就不再懸停,且關機時間更早,在距離月面1.5米高度時就關閉主發動機進而以自由落體方式接觸月面(仍然無法剔除月塵視覺幹擾)。
嫦娥五號應用的則是非接觸式關機敏感器「伽馬關機敏感器」,當探測器降落至距離月面2米至3米高度時它可以接收回波信號進而生成關機指令。
自由落體仍將產生較大的重力勢能,嫦娥五號著上組合體選擇了與阿波羅登月艙相似的「四著陸腿+懸臂梁」著陸支架設計,不同的是,基於技術的進步嫦娥五號著陸腿應用的緩衝材料性能更為優異。
嫦娥五號主著陸腿緩衝器內配置有鋁質蜂窩緩衝材料,著陸能量通過壓緊蜂窩結構實現,輔助緩衝器則應用了具有世界領先水平的高效吸能合金拉杆,該拉杆具有優異的拉伸性能,1米長拉杆最長可以拉伸至2米,通過拉伸運動吸收著陸緩衝能量。
基於時代的進步嫦娥五號必然擁有一系列超越阿波羅飛船的系列先進技術,巨大的時間差也意味著這種對比是勝之不武的,然而嫦娥三號、四號、五號連續三次成功登月應用的自主避障技術即便是放眼當下的世界也仍然是唯一。
我們看到大洋彼岸在過去數十年時間裡一直是人類探索宇宙的絕對主力,但這是建立在近百年積累基礎上的實力外溢效應,而實際上他們在面對技術難關時通常選擇的是逃避策略。
探路者號、勇氣號、機遇號三輛火星車使用氣囊著陸規避自主避障需求,然而氣囊著陸大大限制了著陸重量,更大規模的好奇號與毅力號使用的是基於遙感圖像的相對導航手段,這仍然是逃避策略。
本世紀初NASA也曾下大力氣開發基於雷射成像的自主避障技術,但隨著旨在載人重返月球的星座計劃下馬最終也是無疾而終。
就在他們走走停停的過程中我們迎來了一個又一個地外天體登陸技術的突破,也正因為有此技術基礎,我們才敢於在第一次獨立探火的天問一號任務中就衝擊最高難度科目,一次發射實現對火星的「繞、落、巡」探測。
嫦娥五號任務的完全勝利還將大大加速載人月球工程的發展進程,今年旨在服務載人登月工程的新一代載人飛船試驗船已經成功實施首飛任務,新型倒錐體大噸位返回艙成功經受近3000攝氏度熱流燒蝕考驗,並以高速半彈道跳躍式軌道再入返回地球,同時打出了10.8環的高精度落點成績,嫦娥五號返回艙也將應用同款彈道再入返回地球。
全自主全自動居於世界領先地位的登月控制技術、月地軌道返回技術,加上新一代載人飛船,在通往載人月球探測目標的道路上我們已經攻克大部分技術難關,服務載人月球探測的921新一代重型載人火箭也已經駛入快車道。
YF-100K泵後擺液氧煤油發動機已實施多次長程熱試車,七機並聯輔以5米級直徑共底貯箱的高效傳力箭體已經完成試製,並通過載荷靜力試驗,該型火箭可以將70噸載荷送往近地軌道,地月轉移軌道運力達25噸。
921新一代重型載人火箭與大洋彼岸旨在服務重返月球計劃的SLS載人版火箭處於同一等級,太平洋兩岸目前都立足於兩枚重型火箭連射方案實現載人月球探測。
本月3日,嫦娥五號上升器實施月面起飛任務之際,航天科技董事長親臨現場指導工作,他說,獨立自主完成載人登月、建立月球空間站,甚至走向更為深遠的太空將不再是夢。
放在20年前誰也不會想到有一天我們可以如此毫無遮掩地提出載人登月,而從那時起我們的航天人也早已立下這一志願,在他們久久為功數十年後,我們毫無疑問將成為登臨航天技術巔峰高地的極少數玩家。